Les 'LED' (l'acronyme de Light Emitting Diode), ou
en français les 'DEL' (Diode ElectroLuminescente), sont-elles
compatibles avec les exigences des organismes dépendant de la
photosynthèse ? Cet éclairage est-il une alternative crédible aux
solutions classiques basées sur les tubes fluorescents T5 et les lampes
HQI ? Voici quelques éléments de réponse.
Pour appréhender correctement un système d'éclairage, il faut notablement tenir compte :
Les avantages mis en avant par les constructeurs de LED sont :
Cet
article prend comme exemple la LED CREE XLAMP XR-E, les LED de
puissance équivalente : Luxeon Rebel, Séoul P4, Edison, Samsung, Nichia,
Osram, Avago, etc. pourraient également servir pour cette
démonstration. Il s'agit de LED de puissance de 1 à 10 Watts dont le
rendement est compris entre 100 et 140 lumens/Watt et qu'il ne faut pas
confondre avec les LED classiques (sans semelle dissipateur) et dont les
performances sont moindres ni avec les assemblages de LED de puissance
dans un même boitier (réseau de LED de 30, 50 ou 100W). Depuis nos
modules sont équipés de LED CREE XM-L de caractéristiques supérieures,
cependant la démonstration reste valable.
Vous trouverez la documentation complète de la LED XR-E sur le site CREE® XLAMPT
Le graphe ci-dessous (source Luxeon Lumileds) indique que les performances des LED s'améliorent génération après génération. On peut espérer que les prix, actuellement très élevés, baisseront lorsque les LED seront largement utilisées pour l'éclairage public. Pour notre application récifale il n'y a cependant aucune certitude car les LED actuellement disponibles dans une gamme de température idéale pour l'aquariophilie marine ne sont pas vraiment adaptées à l'éclairage public, surtout domestique, et, d'autre part, il y a une limite technologique au rendement, cette barrière, aux environs de 220 Lumens/Watt, sera difficile de dépasser significativement sans un saut technologique encore à découvrir. Actuellement le rendement maximum est d'environ 140 lumens/Watts, les prototypes à 170 lumens/Watts seront disponibles en 2012. L'intérêt de cette progression est qu'il sera possible d'obtenir la même quantité de lumière avec le même nombre de LED fonctionnant à une puissance électrique moindre, ce qui, nous le verrons plus loin, améliore encore sensiblement le rendement. Il est probable que les prix resteront élevés mais que le gain énergétique soit de plus en plus décisif.
Le courant d'alimentation de la LED peut être augmenté jusqu'à 1000 mA. La courbe du rendement tend cependant à s'infléchir, c'est-à-dire que la puissance lumineuse à 700 mA est inférieure au double de celle à 350 mA (175%). Nous verrons que le courant à également l'inconvénient d'échauffer la LED et qu'en pratique le courant maximal de 1000mA n'est que rarement exploité. alpheus utilise un courant d'alimentation de 700 mA pour optimiser le ratio intensité lumineuse/cout. Les LED utilisées sont des CREE XR-E groupes R2 pour le blanc 6500 K, ce qui procure 200 lumens typiques par LED sous 700 mA, et groupe 16 pour le bleu royal (PAR équivalent à une LED blanche R2). Ce sont les LED les plus performantes de la gamme CREE XR-E.
Courbe du flux lumineux en fonction de l'intensité
Toutes les diodes sont caractérisées par une tension qui
correspond au seuil de tension à partir de lequel la diode devient
passante. Cette tension directe est généralement notée VF [Forward
Voltage] , elle caractérise toutes les diodes et donc aussi les LED.
La courbe indique une tension de 3,3 Volts lorsque le courant
direct IF est de 350 mA et 3,7 Volts à 1A. Cela signifie qu'il faut une
tension minimale d'environ 3,5 Volts pour qu'une diode CREE XR-E
fonctionne. Cela signifie aussi que la diode va dissiper une puissance
égale à la formule P=UI, soit environ 3,5 fois la valeur du courant.
Cette gamme de diodes supportant un courant de près de 1A sont ainsi
classées pour des '3 Watts'.
Actuellement les meilleures LED de puissance émettent une intensité lumineuse supérieure à 120 lumens par Watt . Ce résultat est bon, sur ce terrain les LED dépassent les T5 et HQI, font jeu égal avec les meilleurs tubes fluocompacts haut rendement et les lampes à plasma de soufre. Mais il n'y a pas de miracle: une réglette de 5 Watts LED n'est pas l'équivalent d'un tube T5 39W, une réglette 20W LED avec un rendement supérieur à 80 lumens/Watt est plus proche de cette équivalence.
J'ai une rampe 120 Watts LED mais je mesure une consommation électrique de 150 Watts, est-ce normal ? Le rendement de conversion électrique/lumineux doit tenir compte de l'ensemble de la chaine : Ballast + lampe pour les ampoules HQI et T5, alimentation AC/DC + régulation de courant + ampoule LEDs pour la technologie LED. Actuellement une chaine d'alimentation DC régulée en courant nécessaire au fonctionnement des LED a un rendement d'environ 80% ce qui donne encore une marge de progression très significative (alpheus y travaille). Certains ballasts HQI ou T5 n'ont pas de correction PFC (Power Factor Corrector) ce qui minore la puissance mesurée par rapport à celle réelle consommée, le PFC est maintenant obligatoire, celui-ci est d'environ 0,95 / 0,98, ctte indication est marquée sur le ballast et ne doit pas être confondu avec le rendement.
Dans la pratique quelle puissance peut-on espérer obtenir d'une LED 3W ? La problématique thermique développée ci-après montre les limites de mise en oeuvre. La réduction du rendement incite également à être raisonnable dans l'utilisation des LED. Les LED de la gamme 3 Watts ne sont jamais utilisées dans la pratique à plus de 2,5 Watts. Pour comparer honnêtement des constructeurs différents il faut souvent calculer sois-même la puissance effective et non celle 'théorique' indiquée dans certaines brochures commerciales moins soucieuses de rigueur que de promotion.
Une LED 20 Watts est-elle meilleure que 8 LED à 2,5 Watts ? Oui, certainement du point de vue cout économique mais pas du point de vue résultat lumineux. Les LED de 20 Watts sont en réalité un assemblage de LED de moindre puissance encapsulées dans le même boitier. Le rendement ne peut en aucun cas être supérieur et les difficultés de dissipation thermique et la moins bonne répartition lumineuse (optique) sont un handicap dans notre utilisation. Ces LED sont développées pour répondre au remplacement des ampoules à incandescence, elles n'existent pas dans les températures de couleur optimales pour les aquariums récifaux. Théoriquement il serait plus intéressant d'utiliser un grand nombre de LED en abaissant la puissance unitaire, dans la pratique il faut trouver un compromis coût - rendement - fiabilité (complexité de câblage et réduction du MTBF) et les LED 3W sont un bon compromis.
Le spectre de la diode blanche 'blanc froid', la courbe bleue du
schéma, est donnée pour 6500K. En réalité l'émission est composée de
deux bosses :
Les tubes T5 et ampoules HQI ont un spectre composé d'un ensemble
de pics généralement étroits et ne possèdent pas l'aspect naturel du
spectre des LED blanches. A titre d'exemple, voici le spectre obtenu
avec une ampoule HQI 10000K (de bonne qualité) :
Ce graphe montre un blanc qui est essentiellement recomposé par
des raies assez étroites de différentes couleurs, le spectre ne présente
pas de la richesse obtenue avec une LED blanche et il serait plus
proche effectivement d'un triplet de LED RVB.
Dans le reste de la gamme XR-E deux autres références nous intéressent particulièrement : la 'Royal Blue' qui correspond au pic à 450nm de la diode blanche, (la fabrication est effectivement basée sur un dopage de LED bleu royal), et la 'Blue' de longueur d'onde de 470 nm. La LED verte ne présente pas d'intérêt pour notre application.
Pour favoriser le bleu qui reproduit une situation située en
profondeur, il est d'usage d'ajouter des tubes bleus, actiniques ou
supra actiniques aux installations HQI. Outre que cette température
présente un intérêt esthétique indéniable, cela renforce le spectre
utile pour la photosynthèse et assure les transitions lumineuses. Un
éclairage bleu de faible intensité excite aussi la fluorescence
naturelle de certains coraux. Un éclairage à LED utilise avec profit les
couleurs 'blue' ou 'royal blue' en complément pour renforcer la
température de couleur de la LED blanche 'blanc froid''. Dans ce cas
l'énergie apportée dans le bleu est très importante (équivalente à
l'énergie apportée par les LED blanches). La fluorescence est
exarcerbée. La température de couleur obtenue par cette combinaison
varie de 7000 à 20000 Kelvin en fonction du ratio blanc/bleu et du
réglage par 'dimmage' des canaux.
Les LED ont un spectre calibré qui diffère très peu des spécifications nominales. Les LED (blanches ou bleues) ne produisent pas d'UV. Cela a l'avantage de ne pas risquer d'exposer les organismes à des radiations trop dures et de s'affranchir d'un filtre atténuant le flux lumineux qui s'avère nécessaire avec les HQI 20000 K. Les LED de puissance sont conformes à la norme IEC 825 concernant la sécurité d'émission des sources lumineuses. Leur intensité ponctuelle est cependant telle qu'il est préférable de ne pas essayer de les regarder directement sans protection.
Le tableau ci-dessous est propre à chaque constructeur. Il indique l'intensité lumineuse des LED et leur couleur en fonction d'un tri supplémentaire appelé 'binning'. Le' binning' est un point de contrôle important pour sélectionner les LED selon leur rendement et leur chromatisme. Cela reste une affaire de spécialiste et alpheus sélectionne les meilleurs composants pour l'usage récifal. Notez aussi qu'une diode blanche à un rendement en 'lumens' quatre fois supérieur à une LED bleue alors que l'énergie utile pour la photosynthèse est quasiment identique.
Les meilleurs groupes des LED blanches pour l'application
récifale sont WA, WB et WC puis WK, WM et WN. Il faut rapprocher cette
courbe de la courbe de la chromaticité CIE :
Le groupe Q5 est plus puissant que le groupe Q4, etc. Le groupe
R2 n'apparait pas dans le tableau mais progresse également (114 lumens)
il s'agit de la plus haute performance pour la gamme XR-E. Pour les
XP-G il existe également les groupes R3, R4 et R5 (139 lumens max). La
nouvelle gamme XM devrait améliorer encore le rendement.
Pour la 'Royal blue' le groupe D3-15 représente une LED avec une
émission centrée sur 450nm et avec une puissance de 425mW. Non porté sur
la datasheet Il existe également le groupe 16 (500mW). Il faut noter
qu'il n'existe pas de modèle plus performant dans la nouvelle gamme XP
de CREE (XP-E en l'occurence). La mesure du flux radiométrique avec un
PAR-mètre indique une performance des LED 'bleu royal' identique à
celles des LED blanc froid. Or la progression est plus importante dans
le classement des groupes bleu royal et il faut être très attentif à la
sélection du groupe de cette couleur. La LED sélectionnée par alpheus
est la D3-16.
Les caractéristiques spectrales sont ainsi supérieures aux lampes HQI qui ne disposent que de spectres composés de raies étroites. L'utilisation du phosphore pour élargir le spectre est qualitativement supérieur à une lumière blanche obtenue par addition RVB. Le résultat est comparable aux T5 lorsque des tubes complémentaires sont combinés au sein d'une même rampe avec une sélection pertinente du spectre de chaque tube. Bien souvent les informations données par les constructeurs sont insuffisantes et en absence de mesure avec un PAR-mètre / spectromètre l'aspect visuel ne peut suffire à juger de la qualité de l'éclairage. La problématique du choix des lampes HQI et T5 se pose ainsi de façon récurrente à chaque changement d'ampoule alors qu'avec la technologie LED les propriétés initiales sont conservées pendant de longues années sans le risque d'une modification brutale de l'environnement lumineux préjudiciable aux animaux zooxanthellés.
Faut-il ajouter des LED rouges pour favoriser la photosynthèse ? Certainement pour les plantes terrestres et les plantes d'aquarium d'eau douce se développant près de la surface. Cela est moins évident dans le cas d'organismes marins. La pénétration du rayonnement rouge est fortement atténuée avec la couche d'eau et ne correspond plus à un besoin vital au-delà de quelques mètres.
Pour les biotopes situés très proches de la surface, en eau douce ou encore pour la culture de phytoplanctons, il est intéressant de diminuer la température de couleur en ajoutant des LED 'natural white', 'warm white' de blanc plus chaud et même des LED rouges, celles-ci souffrent cependant d'un rendement lumineux médiocre.
Les LED blanches 'cool white' ont un spectre compatible avec un usage récifal. Les LED 'blue' ou 'royal blue' sont ajoutées pour accentuer la température de couleur bleue, apporter une énergie significative, allonger la durée de la phase d'observation et favoriser la fluorescence des coraux. alpheus sélectionne un ratio de 50% de blanc 7000K à 8000K pour 50% de bleu royal 450nm. Le résultat est un éclairage de 14000 à 20000 Kelvins selon la gradation. Les LED 'warm white' et 'red' (625nm) sont réservées aux aquariums d'eau douce ou aux cultures algales.
Faut-il apporter des UV ? Les UV-A longs sont effectivement présents en milieu naturel. Les essais pratiqués ne sont pas concluants, d'une part par la faible puissance et mauvais rendement des sources disponibles et d'autre part par le peu de profit qu'en tirent les organismes marins. L'ajout d'UV n'apporte pas d'agrément suplémentaire à la contemplation de son aquarium. Aussi alpheus a fait le choix de ne pas ajouter de LED UV dans ses modèles.
Cette courbe indique l'angle d'ouverture du flux lumineux des
LED. La lumière est focalisée alors qu'une lampe traditionnelle émet
dans toutes les directions. Comme, dans ce cas, l'objectif est d'obtenir
un éclairage dirigé uniquement vers l'aquarium, cette technologie est
considérablement supérieure aux solutions traditionnelles nécessitant
des réflecteurs. Des lentilles de focalisation permettent également une
concentration supplémentaire du flux lumineux. La rampe peut être
déportée au-dessus de l'aquarium avec de faibles pertes. Les parois de
l'aquarium restent moins éclairées ce qui réduit la croissance des
algues indésirables, augmente le contraste entre l'aquarium et son
environnement et améliore les effets de perspectives.
Le
mélange des couleurs est aussi optimisé par des lentilles spéciales de
focalisation et de diffusion. Ce sont ces lentilles qui ont été
sélectionnées par alpheus. L'angle est selon la disposition, en moyenne
20° de part et d'autre de l'axe optique.
Les LED ont l'avantage de diriger et de focaliser naturellement le flux lumineux. Cet effet permet de 'récupérer' les lumens perdus par les tubes fluorescents ou les lampes HQI qui dispersent l'émission lumineuse malgré l'usage de réflecteurs aussi ingénieux qu'ils soient.
Le flux lumineux résultant des LED est ainsi supérieur de 30% à 50% en comparaison des sources devant utiliser un réflecteur et cela contribue à l'excellent résultat de l'éclairage LED vis à vis des solutions traditionnelles.
Il faut aussi noter qu'une optique pour LED doit être de bonne qualité pour tirer le maximim de bénéfices. Le PMMA est la matière apportant le plus d'avantages. L'augmentation de puissance des LED est qelque peu en contradiction avec la répartition homogène due à une une multiplication des sources élémentaires. Aussi les modèles constitués d'assemblage de puces (dies) de 10, 20, ou 50 Watts sont plus aptes à l'éclairage public qu'à celui des aquariums.
1. Dispersions des tensions VF
Les écarts de tension VF par rapport à la valeur nominale sont assez importants.
Autre point à considérer, la variation de la tension VF lors des
premières heures de fonctionnement. Cela signifie qu'il faut mettre en
place un moyen indépendant des variations de VF pour limiter le courant
qui circule dans les LED. Concrètement la simple résistance mise en
série avec une LED de faible puissance ne suffit pas et par ailleurs
dégrade le rendement électrique.
Les LED de puissances nécessitent impérativement une alimentation spécifique régulée en courant.
alpheus développe ses propres cartes de régulation en courant basées sur un composant à découpage à montage 'buck converter' et une inductance de qualité ce qui permet l'obtention d'un très haut rendement (95 à 97%). Cette régulation nécessite une source de tension continue, selon les modèles de 18 à 30 Volts DC. Une mauvaise régulation de courant est une cause de réduction de la durée de vie de la LED, la seconde étant la gestion thermique.
Une LED détruite en circuit fermé ou court-circuit (toutes les LED montées en série restent allumées) est symptomatique d'une dégradation due à une mauvaise régulation de courant/tension.
2. Dispersions dues à la température
Les autres écarts concernent un 'derating' ou dégradation globale des caractéristiques liée à l'élévation de la température.
Les performances du constructeur sont données pour une
température TJ [Junction Temperature] de 25°C. Les performances sont
réduites de 20% pour une température TJ de 110°C. La durée de vie
calculée avec un TJ max de 125°C. La LED est détruite avec une
température TJ supérieure à 160°C.
Pour comprendre ce qu'est 'TJ' il faut regarder ce petit schéma :
TJ [Température de Jonction] correspond à la température au
niveau de la 'puce' du composant. C'est bien entendu la température la
plus chaude de l'assemblage et TA, [Température Ambiante], la zone la
plus fraîche. Entre la jonction et l'ambiant la chaleur est dissipée au
travers d'une somme de 'résistances thermiques' indiquées en °/W (degrés
par Watt).
Ggénéralement TJ = {Ptot * (RTslug + RTbrasage + RTPCB + RTadhesif + RTHeatSink)} + Tambiant, avec :
Autre exemple explicite : L'encapsulation de la puce dans son
boîtier à une résistance thermique intrinsèque d'environ 8°/W, un report
(soudage) de la LED 1°/W, le MCPCB 3,5°/W (ou montage 'STAR' CF schéma
ci-dessus) puis l'application sur le dissipateur 0,5°/W, le dissipateur
avec l'air ambiant 7°/W (valeur selon le modèle). Dans cet exemple la
résistance thermique globale est de 20 °/W, ce qui fait que pour un Watt
électrique la puce va s'élever au-dessus de l'ambiant de 20 °. Pour une
température ambiante de 45° et une LED pilotée à 3 Watts la température
de la puce va être de 105° ceci une seule LED, le calcul devant
intégrer l'ensemble des LED placées sur le même dissipateur. Ainsi la
puissance de 3 Watts, qui peut sembler faible, est importante pour une
petite surface rayonnante. En l'absence d'un dissipateur de faible
résistance thermique, d'un soin particulier pour transférer la chaleur
de la LED sur le dissipateur, d'une étude de design aboutie, la
température risque de détruire le composant ou provoquer une réduction
importante de sa durée de vie. Ce point est capital pour la conception
d'un système fiable.
Il est important de conserver une température de jonction TJ la plus basse possible pour garantir un fonctionnement optimal. Il faut noter à ce propos que les performances du constructeur sont données pour une température TJ de 25°C qui ne peut jamais être appliquée dans la réalité. C'est un moyen pour le constructeur de présenter ses meilleures caractéristiques. Une température TJ de 80 à 100°C est plus proche des cas réels d'utilisation. Il faut donc minorer les performances nominales, très optimistes, qui sont indiquées pour une TJ de 25°C et prévoir, par exemple, une baisse de 10% du flux lumineux.
La température interne de la LED va, non seulement influer sur l'éclairement, mais aussi, et surtout, sur le vieillissement des LED. Avec la température les performances se dégradent et le risque de panne augmente.Le soin apporté au design des rampe alpheus permet de maintenir la TJ inférieure à 95°C ce qui donne une marge de sécurité. Les dissipateurs alpheus sont ainsi choisis pour présenter une RTH (résistance thermique) compatible avec la somme des puissances électrique de chaque LED. Ils sont placés en convection naturelle, ou si la température excède 50° dans un flux d'air forcé.
Maintenir une température ambiante inférieure à 50° évite les
mauvaises surprises même si la résistance thermique est calculée lors de
la conception par un choix d'assemblage judicieux puis mis en
application avec rigueur. L'efficacité du résultat peut être mesurée
avec un simple luxmètre. Il suffit de mettre en fonctionnement
l'éclairage à pleine puissance en mesurant l'évolution du flux lumineux
avec l'élévation progressive de la température de la jonction (le temps
nécessaire pour atteindre la température maximale est de quelques
minutes). alpheus utilise un repport direct de la LED sur le dissipateur
ce qui est le meilleur moyen pour réduire la résistance thermique de
contact.
Il est impératif de prévoir une dissipation thermique pertinente et extrêmement efficace pour garantir le fonctionnement correspondant à la durée de vie et au flux lumineux annoncés. Lors du calcul théorique des performances il faut tenir compte d'une réduction de 10% des caractéristiques constructeur qui sont données pour un TJ de 25°C alors qu'en pratique TJ est au environ de 80-90°C. Un design non abouti (mauvaise régulation de courant/tension, mauvaise dissipation thermique) va dégrader fortement la durée de vie des LED et le flux lumineux produit, à l'inverse maintenir une température basse améliore notablement les performances.
Une LED détruite en circuit ouvert (toutes les LED montées en série sont éteintes) est symptomatique d'une dégradation thermique. Parfois il suffit de presser légèrement le dôme optique de la LED pour la voir fonctionner de nouveau (temporairement hélas).
alpheus procède à une mesure, originale et simple par son principe, pour évaluer la température de jonction effective des LED. Celle-ci est basée sur le relevé dynamique du flux lumineux (mesure Lumen ou PAR pour les bleues) et de la tension VF en fonction de la température. En effet la température agit sur la tension VF (puissance exploitée par la LED) et le flux lumineux produit. Il est pertinent d'effectuer deux mesures, une à froid (TJ=25°C) qui sert de référence, l'autre à chaud après un temps suffisant pour une stabilisation thermique (environ 1/2 heure). Cette seconde mesure permet de déterminer une fourchette haute et basse pour la température TJ. Voici à titre d'exemple un relevé PAR et le résultat du calcul alpheus effectué pour le mini-module 20W :
Dans cet exemple TJ maximale (pessimiste) est calculée à 91° car
elle ne tient pas compte de la variation VF. VF est réduit de 2mV par °
la puissance est corrigée et permet d'évaluer le flux réellement émis
par la LED et ainsi une correction de la première évaluation. Ceci donne
un TJ minimale (optimiste) de 78°C. Pour une température ambiante
maintenue stable à 25°. Si on ne conserve que l'hypothèse pessimiste,
et pour ne pas dépasser la Température de jonction de 125°C (celle
indiquée pour la durée de vie de 50 000H), l'air ambiant ne doit pas
excéder 60°C. Par supplément de précaution alpheus ajoute une marge de
sécurité et spécifie pour ses modules un température ambiante maximale
de 50°C. Au delà il est nécessaire d'ajouter un extracteur d'air dans
l'installation.
On peut également noter que la puissance effective après établissement de la température n'est que de 2,45 Watts, c'est cette puissance effective (pessimiste) qui sert de base pour indiquer les caractéristiques électriques et optiques des rampes alpheus alors que certaines notices indiquent une puissance 'théorique' de 3 Watts/LED dans les mêmes conditions et même 5W pour les modèles XP.
Nota : Les valeurs obtenues ne sont valables que pour le design 'mini-module 20W alpheus' et ne peuvent en aucun cas être appliqués à des design concurrents.
En revanche, la chaleur est conduite par le corps du dissipateur
et les effets thermiques de l'éclairage à LED avec l'aquarium sont
minimes. Le rayonnement thermique se fait sur la face opposée à celle de
l'émission lumineuse. L'élévation de température de l'eau est ainsi
bien moindre avec un éclairage LED qu'avec les solutions traditionnelles
T5 ou HQI.
La température de jonction de la LED joue également sur la longueur d'onde d'émission, cependant cette influence est minime. Pour une élévation de 100°C de TJ la longueur d'onde augmente de 5 nm (léger glissement vers le rouge). C'est-à-dire que le pic 'Royal blue' 450nm sera centré sur 455 nm. Cet effet n'est pas particulièrement significatif mais favorise l'utilisation de la 'Royal blue' 450nm en LED complémentaire de la 'cool white'.
Actualisation d'un article écrit par alpheus (JLC) pour le magazine en ligne nanoZine en aout 2006 au tout début des éclairages à LED.
Pour appréhender correctement un système d'éclairage, il faut notablement tenir compte :
- Du rendement du système de conversion énergie - émission de lumière (source d'alimentation électrique, technologie),
- De la distribution et richesse spectrale,
- De la qualité optique (réflecteurs - lentilles - homogénéité de l'éclairement sur la surface à éclairer - de la pénétration),
- De la variabilité des caractéristiques, du vieillissement de la fiabilité.
| Les nouvelles générations de LED de puissance répondent aux besoins de la signalisation automobile ou publique, de l'éclairage domestique, du rétro-éclairage des écrans LCD, des flashs d'appareils photo, etc. Ce marché est porté par les nouvelles technologies et par la nécessité de réduire les dépenses énergétiques des systèmes d'éclairage. La volonté de les rendre plus 'verts' en interdisant l'usage de composés toxiques pour l'environnement gagne aussi peu à peu du terrain, cette exigence européenne correspond au sigle RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment). |
- une très bonne fiabilité (réduction du flux inférieure à 30% des performances initiales et moins de 5% de panne après 50 000 heures d'utilisation (plus de 10 ans). Cette durée de vie est très largement supérieure aux autres solutions applicables au marché aquariophile mais il faut malgré tout minorer car 30% de baisse n'est pas acceptable pour notre usage. La durée de vie pour une réduction du flux de 10% est de 20000 heures, soit environ 5 ans, ce qui est encore très bon.
- un encombrement miniature,
- une faible tension d'alimentation (sécurité électrique),
- aucune inertie lors de l'allumage ou de l'extinction (le temps de réponse de quelques nanosecondes permet la gradation par découpage du temps d'allumage ou PWM),
- un respect de l'environnement (les LED doivent se conformer aux nouvelles exigences RoHS [Restriction of certain Hazardous Substances] applicables dans la CEE),
- un large choix de couleurs, stables et biens caractérisées,
- un rendement équivalent et très souvent supérieur à celui des lampes traditionnelles (incandescence, halogène, fluorescente, halogénures métalliques, etc.). Les LED de puissance, quant à elles, ont un des meilleurs rendement de conversion électrique - intensité lumineuse.
- le spectre lumineux des LED en blanc froid (ou 'cool white') est à une température de couleur moyenne de 6500 Kelvin. Cette température de couleur est compatible avec le besoin récifal et l'activité photosynthétique. Les LED en 'blanc froid' sont les plus faciles à produire car elles nécessitent moins d'apport de phosphore que les LED 'blanc chaud', idéales pour l'éclairage domestique, elles sont un peu moins chères et ont surtout un meilleur rendement. Des températures de couleur jusqu'à 10000K sont disponibles.
- les LED en bleu et bleu royal remplacent avantageusement les tubes actiniques et supra actiniques sans émission d'UV. La longueur d'onde est toujours caractéristique d'un type de LED, par exemple 455 nm pour la 'Royal blue', par ailleurs celle-ci est parfaite pour un usage aquariophile car efficace pour la photosynthèse.
- l'intensité lumineuse disponible est actuellement de l'ordre de 100 à 140 lumens par LED et par Watt, ce qui est excellent et une LED peut exploiter une puissance d'environ 3 Watts. Il est désormais possible de réaliser des rampes d'éclairage composées exclusivement de LED. Le nombre est simplement calculé pour correspondre parfaitement au volume et au besoin.
- le rayonnement thermique en direction de l'aquarium est minime, voire inexistant. Aucun rayonnement IR ni UV n'est émis..
Caractéristiques des LED de puissance
Cet
article prend comme exemple la LED CREE XLAMP XR-E, les LED de
puissance équivalente : Luxeon Rebel, Séoul P4, Edison, Samsung, Nichia,
Osram, Avago, etc. pourraient également servir pour cette
démonstration. Il s'agit de LED de puissance de 1 à 10 Watts dont le
rendement est compris entre 100 et 140 lumens/Watt et qu'il ne faut pas
confondre avec les LED classiques (sans semelle dissipateur) et dont les
performances sont moindres ni avec les assemblages de LED de puissance
dans un même boitier (réseau de LED de 30, 50 ou 100W). Depuis nos
modules sont équipés de LED CREE XM-L de caractéristiques supérieures,
cependant la démonstration reste valable. Vous trouverez la documentation complète de la LED XR-E sur le site CREE® XLAMPT
Le graphe ci-dessous (source Luxeon Lumileds) indique que les performances des LED s'améliorent génération après génération. On peut espérer que les prix, actuellement très élevés, baisseront lorsque les LED seront largement utilisées pour l'éclairage public. Pour notre application récifale il n'y a cependant aucune certitude car les LED actuellement disponibles dans une gamme de température idéale pour l'aquariophilie marine ne sont pas vraiment adaptées à l'éclairage public, surtout domestique, et, d'autre part, il y a une limite technologique au rendement, cette barrière, aux environs de 220 Lumens/Watt, sera difficile de dépasser significativement sans un saut technologique encore à découvrir. Actuellement le rendement maximum est d'environ 140 lumens/Watts, les prototypes à 170 lumens/Watts seront disponibles en 2012. L'intérêt de cette progression est qu'il sera possible d'obtenir la même quantité de lumière avec le même nombre de LED fonctionnant à une puissance électrique moindre, ce qui, nous le verrons plus loin, améliore encore sensiblement le rendement. Il est probable que les prix resteront élevés mais que le gain énergétique soit de plus en plus décisif.
Le principe de mise en oeuvre
L'intensité obtenue par une LED CREE XR-E groupe R2 est d'environ 120 lumens. Cela reste modeste si on la compare aux 9000 lumens d'une lampe HQI de 150W. Mais cette intensité lumineuse est obtenue en faisant circuler un courant de 350 mA, soit environ 1 Watt de puissance électrique dans une LED. Le rendement en lumens/Watt d'une LED est meilleur que celui du HQI (60 lumens/Watt).Le courant d'alimentation de la LED peut être augmenté jusqu'à 1000 mA. La courbe du rendement tend cependant à s'infléchir, c'est-à-dire que la puissance lumineuse à 700 mA est inférieure au double de celle à 350 mA (175%). Nous verrons que le courant à également l'inconvénient d'échauffer la LED et qu'en pratique le courant maximal de 1000mA n'est que rarement exploité. alpheus utilise un courant d'alimentation de 700 mA pour optimiser le ratio intensité lumineuse/cout. Les LED utilisées sont des CREE XR-E groupes R2 pour le blanc 6500 K, ce qui procure 200 lumens typiques par LED sous 700 mA, et groupe 16 pour le bleu royal (PAR équivalent à une LED blanche R2). Ce sont les LED les plus performantes de la gamme CREE XR-E.
Courbe du flux lumineux en fonction de l'intensité
Actuellement les meilleures LED de puissance émettent une intensité lumineuse supérieure à 120 lumens par Watt . Ce résultat est bon, sur ce terrain les LED dépassent les T5 et HQI, font jeu égal avec les meilleurs tubes fluocompacts haut rendement et les lampes à plasma de soufre. Mais il n'y a pas de miracle: une réglette de 5 Watts LED n'est pas l'équivalent d'un tube T5 39W, une réglette 20W LED avec un rendement supérieur à 80 lumens/Watt est plus proche de cette équivalence.
J'ai une rampe 120 Watts LED mais je mesure une consommation électrique de 150 Watts, est-ce normal ? Le rendement de conversion électrique/lumineux doit tenir compte de l'ensemble de la chaine : Ballast + lampe pour les ampoules HQI et T5, alimentation AC/DC + régulation de courant + ampoule LEDs pour la technologie LED. Actuellement une chaine d'alimentation DC régulée en courant nécessaire au fonctionnement des LED a un rendement d'environ 80% ce qui donne encore une marge de progression très significative (alpheus y travaille). Certains ballasts HQI ou T5 n'ont pas de correction PFC (Power Factor Corrector) ce qui minore la puissance mesurée par rapport à celle réelle consommée, le PFC est maintenant obligatoire, celui-ci est d'environ 0,95 / 0,98, ctte indication est marquée sur le ballast et ne doit pas être confondu avec le rendement.
Dans la pratique quelle puissance peut-on espérer obtenir d'une LED 3W ? La problématique thermique développée ci-après montre les limites de mise en oeuvre. La réduction du rendement incite également à être raisonnable dans l'utilisation des LED. Les LED de la gamme 3 Watts ne sont jamais utilisées dans la pratique à plus de 2,5 Watts. Pour comparer honnêtement des constructeurs différents il faut souvent calculer sois-même la puissance effective et non celle 'théorique' indiquée dans certaines brochures commerciales moins soucieuses de rigueur que de promotion.
Une LED 20 Watts est-elle meilleure que 8 LED à 2,5 Watts ? Oui, certainement du point de vue cout économique mais pas du point de vue résultat lumineux. Les LED de 20 Watts sont en réalité un assemblage de LED de moindre puissance encapsulées dans le même boitier. Le rendement ne peut en aucun cas être supérieur et les difficultés de dissipation thermique et la moins bonne répartition lumineuse (optique) sont un handicap dans notre utilisation. Ces LED sont développées pour répondre au remplacement des ampoules à incandescence, elles n'existent pas dans les températures de couleur optimales pour les aquariums récifaux. Théoriquement il serait plus intéressant d'utiliser un grand nombre de LED en abaissant la puissance unitaire, dans la pratique il faut trouver un compromis coût - rendement - fiabilité (complexité de câblage et réduction du MTBF) et les LED 3W sont un bon compromis.
Caractéristiques lumineuses
- Une première assez étroite se situe à environ 455 nm (bleu - violet), il s'agit de l'émission fondamentale de la LED
- Une seconde, large, se situe à environ 550 nm (orangé), il s'agit de la réponse du phosphore déposé sur la LED
Dans le reste de la gamme XR-E deux autres références nous intéressent particulièrement : la 'Royal Blue' qui correspond au pic à 450nm de la diode blanche, (la fabrication est effectivement basée sur un dopage de LED bleu royal), et la 'Blue' de longueur d'onde de 470 nm. La LED verte ne présente pas d'intérêt pour notre application.
Pour favoriser le bleu qui reproduit une situation située en
profondeur, il est d'usage d'ajouter des tubes bleus, actiniques ou
supra actiniques aux installations HQI. Outre que cette température
présente un intérêt esthétique indéniable, cela renforce le spectre
utile pour la photosynthèse et assure les transitions lumineuses. Un
éclairage bleu de faible intensité excite aussi la fluorescence
naturelle de certains coraux. Un éclairage à LED utilise avec profit les
couleurs 'blue' ou 'royal blue' en complément pour renforcer la
température de couleur de la LED blanche 'blanc froid''. Dans ce cas
l'énergie apportée dans le bleu est très importante (équivalente à
l'énergie apportée par les LED blanches). La fluorescence est
exarcerbée. La température de couleur obtenue par cette combinaison
varie de 7000 à 20000 Kelvin en fonction du ratio blanc/bleu et du
réglage par 'dimmage' des canaux. Les LED ont un spectre calibré qui diffère très peu des spécifications nominales. Les LED (blanches ou bleues) ne produisent pas d'UV. Cela a l'avantage de ne pas risquer d'exposer les organismes à des radiations trop dures et de s'affranchir d'un filtre atténuant le flux lumineux qui s'avère nécessaire avec les HQI 20000 K. Les LED de puissance sont conformes à la norme IEC 825 concernant la sécurité d'émission des sources lumineuses. Leur intensité ponctuelle est cependant telle qu'il est préférable de ne pas essayer de les regarder directement sans protection.
Le tableau ci-dessous est propre à chaque constructeur. Il indique l'intensité lumineuse des LED et leur couleur en fonction d'un tri supplémentaire appelé 'binning'. Le' binning' est un point de contrôle important pour sélectionner les LED selon leur rendement et leur chromatisme. Cela reste une affaire de spécialiste et alpheus sélectionne les meilleurs composants pour l'usage récifal. Notez aussi qu'une diode blanche à un rendement en 'lumens' quatre fois supérieur à une LED bleue alors que l'énergie utile pour la photosynthèse est quasiment identique.
Tableau récapitulatif des longueurs d'ondes min/max des LED CREE et flux selon le 'binning"
L'axe central de déplacement étant celui du corps
noir. Le second paramètre du binning correspond à un tri selon le
rendement. Le groupe correspond à une puissance lumineuse minmum
garantie indiquée à 350 mA (1 Watt).
Les caractéristiques spectrales sont ainsi supérieures aux lampes HQI qui ne disposent que de spectres composés de raies étroites. L'utilisation du phosphore pour élargir le spectre est qualitativement supérieur à une lumière blanche obtenue par addition RVB. Le résultat est comparable aux T5 lorsque des tubes complémentaires sont combinés au sein d'une même rampe avec une sélection pertinente du spectre de chaque tube. Bien souvent les informations données par les constructeurs sont insuffisantes et en absence de mesure avec un PAR-mètre / spectromètre l'aspect visuel ne peut suffire à juger de la qualité de l'éclairage. La problématique du choix des lampes HQI et T5 se pose ainsi de façon récurrente à chaque changement d'ampoule alors qu'avec la technologie LED les propriétés initiales sont conservées pendant de longues années sans le risque d'une modification brutale de l'environnement lumineux préjudiciable aux animaux zooxanthellés.
Faut-il ajouter des LED rouges pour favoriser la photosynthèse ? Certainement pour les plantes terrestres et les plantes d'aquarium d'eau douce se développant près de la surface. Cela est moins évident dans le cas d'organismes marins. La pénétration du rayonnement rouge est fortement atténuée avec la couche d'eau et ne correspond plus à un besoin vital au-delà de quelques mètres.
Pour les biotopes situés très proches de la surface, en eau douce ou encore pour la culture de phytoplanctons, il est intéressant de diminuer la température de couleur en ajoutant des LED 'natural white', 'warm white' de blanc plus chaud et même des LED rouges, celles-ci souffrent cependant d'un rendement lumineux médiocre.
Les LED blanches 'cool white' ont un spectre compatible avec un usage récifal. Les LED 'blue' ou 'royal blue' sont ajoutées pour accentuer la température de couleur bleue, apporter une énergie significative, allonger la durée de la phase d'observation et favoriser la fluorescence des coraux. alpheus sélectionne un ratio de 50% de blanc 7000K à 8000K pour 50% de bleu royal 450nm. Le résultat est un éclairage de 14000 à 20000 Kelvins selon la gradation. Les LED 'warm white' et 'red' (625nm) sont réservées aux aquariums d'eau douce ou aux cultures algales.
Faut-il apporter des UV ? Les UV-A longs sont effectivement présents en milieu naturel. Les essais pratiqués ne sont pas concluants, d'une part par la faible puissance et mauvais rendement des sources disponibles et d'autre part par le peu de profit qu'en tirent les organismes marins. L'ajout d'UV n'apporte pas d'agrément suplémentaire à la contemplation de son aquarium. Aussi alpheus a fait le choix de ne pas ajouter de LED UV dans ses modèles.
Les LED, un 'spot' naturel
La réalisation d'un bon réflecteur en aluminium spéculaire est capital avec les technologies T5 ou HQI et cette tâche n'est pas simple. Avec la technologie LED il en est tout autrement.Le
mélange des couleurs est aussi optimisé par des lentilles spéciales de
focalisation et de diffusion. Ce sont ces lentilles qui ont été
sélectionnées par alpheus. L'angle est selon la disposition, en moyenne
20° de part et d'autre de l'axe optique. Les LED ont l'avantage de diriger et de focaliser naturellement le flux lumineux. Cet effet permet de 'récupérer' les lumens perdus par les tubes fluorescents ou les lampes HQI qui dispersent l'émission lumineuse malgré l'usage de réflecteurs aussi ingénieux qu'ils soient.
Le flux lumineux résultant des LED est ainsi supérieur de 30% à 50% en comparaison des sources devant utiliser un réflecteur et cela contribue à l'excellent résultat de l'éclairage LED vis à vis des solutions traditionnelles.
Il faut aussi noter qu'une optique pour LED doit être de bonne qualité pour tirer le maximim de bénéfices. Le PMMA est la matière apportant le plus d'avantages. L'augmentation de puissance des LED est qelque peu en contradiction avec la répartition homogène due à une une multiplication des sources élémentaires. Aussi les modèles constitués d'assemblage de puces (dies) de 10, 20, ou 50 Watts sont plus aptes à l'éclairage public qu'à celui des aquariums.
Mise en oeuvre et problématique thermique
Le 'dérating' traduit les écarts de comportement d'un élément quelconque par rapport aux spécifications nominales établies par le constructeur. Deux types d'écart sont impérativement à prendre en considération :1. Dispersions des tensions VF
Les écarts de tension VF par rapport à la valeur nominale sont assez importants.
Les LED de puissances nécessitent impérativement une alimentation spécifique régulée en courant.
alpheus développe ses propres cartes de régulation en courant basées sur un composant à découpage à montage 'buck converter' et une inductance de qualité ce qui permet l'obtention d'un très haut rendement (95 à 97%). Cette régulation nécessite une source de tension continue, selon les modèles de 18 à 30 Volts DC. Une mauvaise régulation de courant est une cause de réduction de la durée de vie de la LED, la seconde étant la gestion thermique.
Une LED détruite en circuit fermé ou court-circuit (toutes les LED montées en série restent allumées) est symptomatique d'une dégradation due à une mauvaise régulation de courant/tension.
2. Dispersions dues à la température
Les autres écarts concernent un 'derating' ou dégradation globale des caractéristiques liée à l'élévation de la température.
Pour comprendre ce qu'est 'TJ' il faut regarder ce petit schéma :
Ggénéralement TJ = {Ptot * (RTslug + RTbrasage + RTPCB + RTadhesif + RTHeatSink)} + Tambiant, avec :
- Ptot = Puissance électrique en Watts dissipée par la LED, environ 3,5 * IA, à 700mA Ptot = 2,5 Watts
- RTSlug = Résistance thermique du composant XR-E = 8°/W
- RTBrasage = Résistance thermique liée à la qualité de brasage, variable, entre 0,3°/W et 1,2°/W. alpheus utilise un procédé original supprimant cette résistance thermique.
- RTPCB = Résistance thermique liée au circuit imprimé. Le MCPCB (circuit appelé STAR) possède une qualité supérieure au FR4, avec une RTH d'environ 3,5°/W alors que le FR4 a une résistance thermmique de 30°/W pour du 1,6mm d'épaisseur. alpheus utilise un procédé original supprimant totalement cette résistance thermique.
- RTAdhesif = Résistance thermique liée à l'adhésif de contact du PCB ou du composant avec le dissipateur thermique, variable. alpheus utilise un adhésif 1,1°C/W.
- RTHeatSink = Résistance thermique du dissipateur. Souvent indiqué pour 10cm. Si plusieurs LED sont mises sur le même dissipateur il faut multiplier RTHeatSink par le nombre de LED. Les dissipateurs thermiques alpheus on une résistance de 2°/W, 3 LED sont disposées sur 10cm soit une RTHeatSink de 6°C/W pour les modèles standards alpheus.
Il est important de conserver une température de jonction TJ la plus basse possible pour garantir un fonctionnement optimal. Il faut noter à ce propos que les performances du constructeur sont données pour une température TJ de 25°C qui ne peut jamais être appliquée dans la réalité. C'est un moyen pour le constructeur de présenter ses meilleures caractéristiques. Une température TJ de 80 à 100°C est plus proche des cas réels d'utilisation. Il faut donc minorer les performances nominales, très optimistes, qui sont indiquées pour une TJ de 25°C et prévoir, par exemple, une baisse de 10% du flux lumineux.
La température interne de la LED va, non seulement influer sur l'éclairement, mais aussi, et surtout, sur le vieillissement des LED. Avec la température les performances se dégradent et le risque de panne augmente.Le soin apporté au design des rampe alpheus permet de maintenir la TJ inférieure à 95°C ce qui donne une marge de sécurité. Les dissipateurs alpheus sont ainsi choisis pour présenter une RTH (résistance thermique) compatible avec la somme des puissances électrique de chaque LED. Ils sont placés en convection naturelle, ou si la température excède 50° dans un flux d'air forcé.
Il est impératif de prévoir une dissipation thermique pertinente et extrêmement efficace pour garantir le fonctionnement correspondant à la durée de vie et au flux lumineux annoncés. Lors du calcul théorique des performances il faut tenir compte d'une réduction de 10% des caractéristiques constructeur qui sont données pour un TJ de 25°C alors qu'en pratique TJ est au environ de 80-90°C. Un design non abouti (mauvaise régulation de courant/tension, mauvaise dissipation thermique) va dégrader fortement la durée de vie des LED et le flux lumineux produit, à l'inverse maintenir une température basse améliore notablement les performances.
Une LED détruite en circuit ouvert (toutes les LED montées en série sont éteintes) est symptomatique d'une dégradation thermique. Parfois il suffit de presser légèrement le dôme optique de la LED pour la voir fonctionner de nouveau (temporairement hélas).
alpheus procède à une mesure, originale et simple par son principe, pour évaluer la température de jonction effective des LED. Celle-ci est basée sur le relevé dynamique du flux lumineux (mesure Lumen ou PAR pour les bleues) et de la tension VF en fonction de la température. En effet la température agit sur la tension VF (puissance exploitée par la LED) et le flux lumineux produit. Il est pertinent d'effectuer deux mesures, une à froid (TJ=25°C) qui sert de référence, l'autre à chaud après un temps suffisant pour une stabilisation thermique (environ 1/2 heure). Cette seconde mesure permet de déterminer une fourchette haute et basse pour la température TJ. Voici à titre d'exemple un relevé PAR et le résultat du calcul alpheus effectué pour le mini-module 20W :
Design
I LED A |
Mesure
PAR@25°C |
Typique
VF Volts @25°C |
Calcul
P Watts @25°C |
Mesure
PAR @ Tmax |
Evaluation
TJ max °C |
Typique
VF Volts @TJ max |
Typique
P Watts @TJ max |
Evaluation
PAR Pmax |
Evaluation
TJ min °C |
0,70
|
1100,00
|
3,60
|
2,52
|
963,00
|
91,41
|
3,51
|
2,45
|
988,53
|
78,52
|
On peut également noter que la puissance effective après établissement de la température n'est que de 2,45 Watts, c'est cette puissance effective (pessimiste) qui sert de base pour indiquer les caractéristiques électriques et optiques des rampes alpheus alors que certaines notices indiquent une puissance 'théorique' de 3 Watts/LED dans les mêmes conditions et même 5W pour les modèles XP.
Nota : Les valeurs obtenues ne sont valables que pour le design 'mini-module 20W alpheus' et ne peuvent en aucun cas être appliqués à des design concurrents.
Glissement spectral
Pour les LED blanches, les écarts de spectre pour l'ensemble de la production sont modérés (de l'ordre de 10nm au maximum). C'est sensible du point de vue colorimétrie tout en restant très acceptable. Dans le cadre de notre application, la source lumineuse LED est parfaitement calibrée. Les LED blanches dérivent très progressivement vers le bleu par dégradation de leur couche de phosphore ce qui ne pose pas de réel problème.La température de jonction de la LED joue également sur la longueur d'onde d'émission, cependant cette influence est minime. Pour une élévation de 100°C de TJ la longueur d'onde augmente de 5 nm (léger glissement vers le rouge). C'est-à-dire que le pic 'Royal blue' 450nm sera centré sur 455 nm. Cet effet n'est pas particulièrement significatif mais favorise l'utilisation de la 'Royal blue' 450nm en LED complémentaire de la 'cool white'.
Actualisation d'un article écrit par alpheus (JLC) pour le magazine en ligne nanoZine en aout 2006 au tout début des éclairages à LED.
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