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Eclairages à leds |
Maj : 21/10/2024
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Les leds (Light Emitting Diode) sont une révolution dans le domaine de l’éclairage. Elles permettent une économie d’énergie considérable, en divisant presque par cinq la consommation par rapport aux lampes à incandescence.
Elles chauffent moins, sont minuscules et déployées en très grandes quantités pour des prix dérisoires.
Elles sont en progrès permanent et ont fait rapidement disparaître toute ampoule à filament et les épouvantables fluo compactes créées pour le besoin évident d’économiser l’énergie, sans en maitriser les conséquences fâcheuses: elles étaient ultra polluantes en fabrication, non recyclables, utilisant des matériaux rares et toxiques. Elles émettent un rayonnement électromagnétique intolérable dont les conséquences physiologiques sont encore mal très connues. Nous oublierons bien vite ces aberrations.
Les avantages des leds sur les lampes à filaments
Comme dit précédemment, les avantages sont l’économie d’énergie réelle, la taille, les coûts de production dérisoires en quantités énormes …
Il faut rajouter à cela la possibilité de choisir finement la couleur dans tout le spectre y compris dans les blancs déclinés du plus froid (blanc clinique) au plus chaud (jaune ambré).
Les leds résistent parfaitement aux très fortes accélérations (chocs) car le volume du cristal est minuscule.
Les temps de réponse sont très faibles ce qui permet de les moduler à très hautes fréquences.
Elles remplacent partout les anciens matériels, y compris dans les projecteurs ultra puissants et les scialytiques, car il est facile d’associer en nombres illimités des puces minuscules pour un prix compétitif.
Elles ne comprennent pas d’éléments vraiment polluants (sauf pour leur production !), le silicium est très neutre el les dopants en très faibles quantité, à l’opposé de nos inquiétantes batteries.
Bref, que du bonheur…
Tout n’est pas toutefois merveilleux dans le monde des leds !
La fabrication n’est pas du tout respectueuse de l’environnement, mais ce n’est pas le plus gros problème car les progrès et la prise de conscience sont constants, mais les occidentaux s’en moquent car la production hyper polluante est loin de chez nous en Chine, les cancers restent chez eux…
Le marketing a tenté de faire croire en des produits éternels, mais la réalité industrielle a imposé une obsolescence programmée pour renouveler le marché, que j’évoquerai dans le chapitre « Comment réduire l’immortalité des leds.».
Il ne faut pas croire aux annonces commerciales indiquant que tel modèle a un rendement réellement supérieur à cinq par rapport à une incandescence, car il est très compliqué de comparer les deux types de flux lumineux produits.
J’évoquerai sommairement le sujet dans le chapitre « Eclairements comparés ».
Les remarquables leds blanches ont envahi tout notre environnement. Elles remplacent toutes les ampoules à filaments dans la vie quotidienne, avec un rendement presque cinq fois meilleur, très longue durée de vie (à voir...), et faible dissipation thermique.
Les leds sont monochromatiques, il est impossible de modifier la couleur par un filtre, mais les leds blanches utilisent une astuce géniale basée sur la luminescence secondaire.
Les leds d’éclairage puissantes sont constituées d’un pavé rassemblant de multiples leds, pour couvrir toutes les puissances demandées, pour remplacer les halogènes y compris les plus puissantes de centaines de watts.
Ces monstres de puissance chauffent quand même beaucoup et sont livrées d’origine sur un support radiateur qu’il faudra bien monter à la graisse thermique sur un gros dissipateur secondaire avec ventilateur, l‘assemblage en l’air claquerait très vite.
Un protecteur par exemple aura une enveloppe en alliage léger avec ailettes et surtout pas un boîtier plastique.
Pour la signalisation, le marché nous offre des couleurs variées, en plus du rouge des débuts, nous disposons des jaunes, des vertes et bleues et de toutes les nuances de blanc pour l'éclairage.
Les leds bicolores sont constituées par le couplage d'une rouge et d'une verte (ou jaune). Elles se trouvent sous deux formes, en version deux fils (la couleur dépend de la polarité), ou en trois fils avec un point commun.
Les leds tricolores à quatre fils, point commun et R,V,B. Un panneau de ces leds permet de réaliser un superbe affichage vidéo, chaque niveau étant réglable, elles peuvent donc afficher toutes les couleurs et intensités.
Le marché offre maintenant d’incroyables leds pilotables individuellement en couleurs et intensités pour constituer des panneaux très lumineux adressables par pixels à des prix dérisoires. comme les WS2812B 
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Elles sont faciles à contrôler avec un Arduino.
Alimentation des leds blanches
Le piège des leds 12 V bas de gammes
L’offre de leds d’éclairage est maintenant énorme, les technologies évoluent très vite, les performances s’améliorent sans cesse.
Quand une led est simplement spécifiée 12 V, cela veut dire qu’elle est fabriquée pour fonctionner exclusivement sur une alimentation 12 V stable, comme celle des blocs domestiques. Quand une led est spécifiée « 12 V automobile », c’est très différent, elle fonctionne à éclairement constant de 8 à 30 V. |
Mauvaises leds |
Il est normal qu’une led « automobile » soit plus chère car elle intègre une pompe de charge, les leds « 12 V domestique » n’ont qu’une résistance série pour une tension fixe ! Une led indiquée « uniquement 12 V », ou non clairement spécifiée « de 8 à 30 V » , Procédure : Alimenter la led exactement en 13 V avec une alimentation stabilisée et mesurer le courant. Voici l'exemple d'un très mauvais modèle G4 (acheté moins d'un € rendu en Chine) qui s'avère inutilisable sur la batterie du bord. Attention au piège ! N’achetez pas ces leds médiocres. |
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Les points intermédiaires sont inutiles, les courbes étant presques linéaires. La puissance consommée est d'environ 1.7 W (en tenant compte de la perte de 1.5 V du pont de diodes d'entrée). Elle éclaire à peine moins qu’une 10 watts halogène. Certains modèles encore meilleurs ont remplacé le pont de diodes par un pont de mosfets pilotés qui élimine la perte des presque 2 volts (RDSon quasi nul), pour atteindre des rendements réels supérieurs à 90%, deux fois mieux qu’un bas de gamme à résistance. |
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Cette image montre quelques leds caractéristiques de face puis de dos
En dessous des G4, à gauche deux de bonne qualité, une halogène 10 W, à droite, deux médiocres à résistances. La forme et le nombre de pavés élémentaires ne sont pas une indication sur les performances escomptées. |
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De face elles se ressemblent, mais pas de dos, car on remarque :
Pour les reconnaître : Une dizaine de petits composants variés, c’est bon !
Les médiocres n’ont que de simples résistances. Il faut remarquer que l’une n’a même pas de pont de diodes, elle est donc polarisée, ce qui est assez rare. Cela économise la perte dans les diodes mais ne pardonne pas une fausse manipulation. |
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La pollution électromagnétique
Les bas de gammes à résistance ont toutefois un avantage, elles n’émettent aucune pollution électromagnétique étant strictement statiques ! Paradoxalement les ensembles de leds de qualité vont présenter un nouvel inconvénient ! Les leds modernes ont leur point de fonctionnement optimal très proche du claquage, il n’y aura aucune tolérance pour une sur-tension. Pour cela on utilise des pompes de charge, ce sont des alimentations à découpage à fréquences élevées, fournissant un courant constant quelque soit la tension d’alimentation fluctuante. Le découpage HF permet d’utiliser de petits transformateurs et de fournir un signal de sortie propre avec un excellent rendement. Une carte à microcontrôleur pilote les commutateurs en temps réel. Cela est exactement la même chose que les convertisseurs de bord destinés par exemple à fournir du 220 V alternatif (dizaines à centaines de watts) à partir de la batterie, ou les chargeurs des PC, tablettes et smartphones. Il n’y a aucun filtre d’origine, et dans les installations sensibles, il faudra prévoir de sérieux antiparasitages sur les alimentations. |
Spots non régulés |
Les bas de gammes n’ont pas d’antiparasitage, selfs de blocages, condensateurs HF, blindages, avec circuits mal dessinés... Il ne faudra donc jamais parler de pollution électromagnétique émise par un éclairage à leds, mais par les alimentations de ces dits éclairages. Les matériels de qualité sont équipés de filtres et de blindages, avec des circuits développés par des spécialistes de la HF (c’est un art subtil). Le prix très élevé des gros convertisseurs s’explique par la complexité de la réalisation pratique. L’électronique des petits modèles beaucoup moins chers est très simplifiée. Voyez par exemple la différence entre une sortie sinusoïdale très propre et un « pseudo sinus » à fronts très raides qui bavera des parasites sur toutes les fréquences radio et peut bloquer les communications. |
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Pour information, les leds blanches actuelles à haute performances ont une tension de service de l’ordre de quelques volts, la pompe de charge fournira le bon courant pour cette tension depuis le 12 V très variable d’entrée.
Comme ces dispositifs sont destinés à remplacer une ampoule halogène dont la polarité est inconnue et que la pompe de charge est évidemment polarisée, l’astuce a été de rajouter en série sur l’entrée un pont de diode. L’inconvénient est que cela nuit gravement au rendement car les deux diodes en série font chuter l’entrée 12 V de 1.5 V. La seule perte liée à ce pont de diodes médiocres est donc de 1.5/12 = 12.5 %
Quand l’autonomie est critique (lampes de plongée spéléologie), tout sera mis en œuvre pour diminuer la consommation, il sera impératif de supprimer le pont de diodes pont en le remplaçant par deux straps, mais en montant une diode en inverse et un fusible par sécurité en cas d’inversion de polarité. Il faudrait évidemment alors ne pas se tromper dans la polarité au branchement.
Avec le pont, la pompe fonctionne aussi bien en continu qu'en alternatif.
Sensibilité des leds à la tension
Pour une alimentation de type automobile (ou voilier), les variations de la tension batterie sont considérables et incompatibles avec un montage trop simple des leds.
Les leds doivent encore éclairer correctement en batterie basse, vers 11 V, et encaisser les 15 V et plus de la pleine charge. Il faut donc réguler en courant seulement pour compenser cet énorme écart.
Plus les leds progressent, plus elles sont fragiles car leur tension de service optimale est très proche de la tension de destruction.
C’est pour cela que l’on ne régule jamais une led en tension, mais seulement en courant par des pompes de charge spécialisées. Cela évite de mettre une résistance en série qui dissipe inutilement et fait baisser le rendement.
Pour le courant optimal donné par le constructeur, la tension de la led se stabilise exactement à la valeur optimale.
Un fusible ne sert à rien, il ne peut être assez précis ni rapide pour offrir la moindre protection.
Ne bricolez pas, utilisez toujours un circuit spécialisé, les catalogues (Maxim, Analog-Devices, Linear,…) en proposent des quantités d’excellents, avec des rendements extraordinaires autour des 90%, très simples à mettre en œuvre.
Très bonne solution économique Pour un demi Euro sur les sites chinois, j'utilise un convertisseur abaisseur buck très performant. Je le monte systématiquement sur toutes les lampes non régulées du bord et sur mes platines ESP32. Voir sa page pour les détails : Alimentation
Buck converter MP1584 |
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Compléments sur les éclairages à leds
Les documentations parlent d’intensité lumineuse en mcd pour milliCandela. Pour simplifier, une candela (1 cd = 1000 mcd) équivaut à l’intensité lumineuse d’une bougie.
Cette unité un peu bizarre a été conservée pour des raisons historiques. Une candela ne représente pas une très grande énergie…
Les lampes à leds consomment beaucoup moins que les lampes à incandescence, mais il est très difficile de savoir quel est le gain précis en énergie et comment le situer face aux anciens éclairages à tubes gaz (néons) connus depuis plus longtemps.
Il est assez simple de comparer deux lampes à incandescence de puissance et de couleur voisines pour deux raisons.
Elles sont quasi omnidirectionnelles et éclairent sur un angle solide de 4 pi stéradians (de manière quasi uniforme sur 360° dans toutes les directions, autrement dit, sur une sphère complète, la source étant au centre).
Le spectre démission est large et continu.
Un luxmètre ou fluxmètre calibré pour l’œil humain fonctionne très bien avec des spectres continus, il est facile de caractériser une ampoule classique.
Avec des leds, le luxmètre ne peut pas réagir correctement à des raies discrètes.
Il faudra donc faire appel à des cobayes observateurs qui décrèteront qu'ils perçoivent les deux flux des éclairages testés d’égale intensité en les faisant varier une des sources.
Méthode un : En montant les deux sources dans deux boîtes à lumière pour éclairer identiquement une scène, il faut alterner l’occultation de l’une et l’autre afin de déterminer l'équilibre. Il est très difficile de juger.
Méthode deux : L’ombre du crayon.
Un crayon est posé verticalement sur une feuille blanche devant l’expérimentateur.
Les deux lampes nues sont placées à égale distance de telle manière que l’expérimentateur regarde les deux ombres du crayon. L’œil humain sait distinguer très finement les nuances de gris.
Dans les deux cas, on éloigne la source plus brillante, jusqu’à obtenir des éclairements et ombres identiques, le rapport des distances permet de calculer les équivalences énergétiques.
La mesure se fait en prenant la moyenne avec plusieurs expérimentateurs car deux ampoules n’ont pas le même rendu spectral, et les sensibilités aux températures couleurs dépendent des individus.
Si l’on remplace une des lampes par une led ou par un fluorescent, cela ne marche plus du tout pour de multiples raisons.
L'éclairement des leds n'est pas omnidirectionnel ce qui fausse toute comparaison.
Les spectres sont discontinus et deux expérimentateurs ne perçoivent pas de la même manière les raies présentes, certains détestent des couleurs particulières.
Nous ne saurons faire que des approximations grossières avec les dispersions des résultats d’observation. Certains cobayes, trop loin de la moyenne sont à éliminer (c’est comme pour les sondages politiques, on bricole…).
Il est donc impossible d’indiquer quel est le gain d’un éclairage à économies d’énergie, par rapport à une source thermique omnidirectionnelle, on peut tout au plus donner un ordre de grandeur, comme le nombre de manifestants suivant les syndicats ou la police....
Le facteur supérieur à cinq annoncé par les constructeurs s’avère surévalué pour un confort d’éclairage égal.
Il faut toutefois remarquer que les éclairages à incandescence ont atteint leur rendement optimal, mais les leds progressent sans arrêt et sont l’avenir de l’éclairage.
Par principe, une lampe à filament dissipe toute son énergie en pertes thermique, un très faible pourcentage restant pour l’éclairement utile, mais les leds de puissance chauffent aussi !
Pour information, voici comment réaliser une mesure très simplifiée au calorimètre pour déterminer les valeurs objectives..
Le calorimètre sera constitué par une enceinte isolante, une bouteille thermo avec un gros bouchon polystyrène convient bien.
Le fil de la sonde d'un thermomètre électronique (gadget à quelques euros) et de l'alimentation traverse le bouchon pour alimenter en 13 V l’ampoule à tester. Il n'est même pas utile que le matériel soit étalonné, nous ne comparerons que des plages identiques !
Premier test : Placer une résistance qui dissipe la même puissance environ pour étalonner le dispositif. La température monte rapidement, chronométrer le temps pour grimper de 10 degrés.
Deuxième test : Remplacer par une ampoule, fermer l’enceinte et alimenter à 13 volts.
Troisième test : Dans les mêmes conditions, remplacer l’ampoule par la led en relevant le nouveau temps.
En appliquant P = V²/R = V * I, on obtient les ordres de grandeurs précis des puissances dissipées, une règle de trois sur le temps permet de comparer avec précision, c'est de la conversion calorimétrique élémentaire.
Je ne donne pas ici des listings de résultats chiffrés pour ne pas charger la page, à vous de faire vos tests, mais vous serez déçu par le rendement des leds, et bien plus encore par les lampes halogènes.
Ma led dite éternelle est morte après quelques heures ! Elle était pourtant alimentée et refroidie correctement, comme le préconise le constructeur.
On est bien peu de chose en ce bas monde… Tout le monde vante les durées de vies énormes de ces bijoux, mais problème, les bacs de recyclages en sont pleins de cadavres.
Pour comprendre ce problème, il faut s'intéresser à la technologie de fabrication.
Les premiers modèles claquaient suite à des dopages et des passivations mal maitrisés. Le claquage était au niveau de la puce. Ces modèles avaient une connexion par bonding, c'est-à-dire que la puce était reliée aux électrodes par un pont en fin fil d'or thermosoudé, une vraie œuvre d'art très fiable !
C’est un fil microscopique, de quelques microns de longueur, donc un poids infiniment petit, mais comme en production on parle en milliards de pièces, un infiniment petit multiplié par un infiniment grand finit par faire de grosses quantités d’or !
Les prix des leds décroissant en continu, l'or était trop cher et la liaison a été remplacée par un minuscule point de colle avec des traces d'argent. Pour économiser les volumes d’argent, il y a de moins en moins de colle avec une teneur en argent de plus en plus faible. Il y a tellement peu d’argent que le pont conductif peut se limiter à quelques atomes, il chauffe et se rompt.
C'est pour cela que certaines leds l'allument bien à froid puis claquent après un petit temps de chauffe. Dans certains cas, le pont refroidit, se reconstitue et la led clignote erratiquement.
L’obsolescence programmée impose de réduire la durée de vie est d’introduire volontairement des polluants pendant le dopage et l’encapsulation, en dosant bien le MTBF (mean time betwwen failures), c'est-à-dire le temps de vie moyen peut être fixé comme le demande le client.
Autre application que l'éclairage
Bricolage radioamateur pour la télévision amateur. Il est simple de moduler une diode (mieux encore un laser) par vidéo + son + et d'utiliser de la fibre optique faible coût. Cela permet de déporter l’émetteur et le récepteur TV en haut de pylône sans pertes ni parasites, ni coaxial onéreux, ni retour de foudre (sauf par l’alimentation, évidemment).
La connexion de la fibre se fait très simplement en perçant un trou dans la calotte sphérique de la diode et en fixant à la cyanolite. Le rendement est médiocre, mais la diode a assez de puissance pour que le signal soit récupéré au bout de quelques kilomètres de fibre (qui se présente comme du crin de pêche, pour une dizaine d’€ le km). Idem à l’autre bout avec le phototransistor.
Pour protéger la fibre, du tube annelé d’installation électrique convient parfaitement, et l’on passe quelques fibres en vrac en réserve d’applications futures avec l’alimentation.
Lampe éternelle
Ce titre racoleur désigne une lampe alimentée par piles ou accumulateurs qui éclaire pendant un temps infini, bon disons assez longtemps… A titre anecdotique, j'ai réalisé des matériels de ce type pour la plongée spéléologique après avoir connu les angoisses des lampes qui s'éteignent les unes après les autres pendant une longue exploration, ce qui est extrêmement stressant.
L'idée est très simple. Tant que l'alimentation était
suffisante, la lampe marchait normalement à pleine puissance. Quand la
tension baissait, un comparateur basculait et un petit circuit découpeur
(de l'époque, à double NE 555) commençait à hacher la tension, d'abord
1/10 de seconde éteint et 9/10 allumé, puis au fur et à
mesure de l'épuisement en réduisant le rapport cyclique. Pour
un phare qui avait 30 minutes d'autonomie normalement, le système s'enclenchait
autour des 2/3 du temps et dix heures après, la lampe éclairait
encore un peu en envoyant un flash d'un dixième de seconde toutes les
quelques secondes, l'alimentation complétement à plat. Cela n'éclaire
plus beaucoup mais encore assez pour se diriger dans un boyau totalement noir
et offrait ainsi une solution de survie.
Autre avantage de ce système, il indique très clairement au plongeur
le niveau d'énergie.
Je parle d'un principe voisin
dans la page voltmètre
à led 
Il est évident que si je refaisais maintenant un tel dispositif, le pilotage se ferait bien plus intelligemment par un petit microcontrôleur pilotant une pompe de charge avec leds blanches ou tubes à décharge pour les fortes puissances, mais le principe reste identique. De plus nous disposons maintenant de puissants accumulateurs et de leds remarquables. J’ai fait mes débuts avant le NiMh, avec des ampoules et accumulateurs au plomb de moto en 6 volts, qui devaient toujours rester verticaux pour que l’acide ne coule pas, c’est pratique en plongée… (C’est beau pépé quand tu racontes ta guerre de 14 contre le Kaiser…).
Cela a évolué vers des lampes évoluées à élégante commande proportionnelle en utilisant un aimant externe plastifié sur glissières et dans le corps de la lampe des ampoules capteurs à effet Hall (ou un ILS) commandant le rapport cyclique. J'ai adapté ce système d'aimants sur glissières pour commander les fonctions d'un petit sous-marin humide d'exploration, (type torpille) cela s'est montré très fiable.
Panneau de leds toujours allumé
Le prix des leds baissant sans cesse, des assemblages puissants de plusieurs dizaines de watts aux performances remarquables sont devenus très courants et remplacent les anciens points d’éclairage à incandescence et les halogènes des lampadaires, mais ils ont deux problèmes :
Les anciens gradateurs à triac qui réglaient l’intensité avec leur potentiomètre à glissière ne sont plus utilisables, comme il n’y a plus l’inertie thermique du filament qui lisse les courants hachés à front raide, les leds vibrent avec un bruit insupportable, il faut utiliser un simple interrupteur secteur.
Seules certaines lampes, clairement maquées « remplacement halogène dimmable » ont une électronique de lissage et sont utilisables avec le gradateur.
L’interrupteur basique allumait ou éteignait les anciennes lampes, mais les nouveaux panneaux de leds restent faiblement allumés interrupteur ouvert !
Le seul moyen de les éteindre est d’arracher la prise secteur…
Ce n’est pas de la magie, mais dû au fait que les contacts de l’interrupteur ouvert sont capacitifs et laissent passer un faible courant en alternatif, suffisant pour faire luire les leds. C’est très visible la nuit.
Solution au problème :
Remplacer le simple interrupteur par un double inverseur qui court-circuite le départ vers les leds en position ouverte.
Résumé : Choix de son type de led
La puissance annoncée évidemment.
La technologie : Depuis la résistance médiocre à la pompe de charge évoluée, et plus elle est récente, meilleur sera son rendement et rapport qualité/prix. Les progrès sont permanents.
La couleur : De nombreuses nuances existent entre le blanc « froid » jusqu’aux jaunes.
Les personnes les plus âgées préfèrent les teintes jaunâtres, les plus jeunes les blancs froids ou bleutés.
Et un critère le plus délicat, l’angle d’ouverture. Il est difficile de trouver la documentation indiquant les lobes de rayonnement.
Dernier critère : Le prix ! Suivant la filière d’approvisionnement, il existe d'énormes écarts sur les prix de vente, certains hauts de gamme pouvant être moins chers que les plus médiocres, le prix n’est en rien un critère de qualité.
N’achetez pas un lot de leds avant d’avoir testé, il faut en prendre une seule en échantillon, l'évaluer en conditions, et si elle convient, commander la suite.
La disponibilité change tous les jours avec les innovations, l’amélioration est sans limite.
Merci de ne me pas me demander quel est le meilleur rapport qualité/prix du moment…
Bilan global
Pour résumer, hormis le problème du prix plus élevé, le remplacement des halogènes s’avère une nécessité pour économiser l’énergie dans un facteur de l’ordre de cinq, ce qui est énorme.
Remarque : Jai écrit cette page sur mon ancien site Voilelec il y a bien des années (1999 !), je l’avais effacée comme beaucoup car j’avais considérablement allégé le site, mais en 2017, une led s'est allumée dans mon cerveau en liquéfaction, j’ai eu l’idée bizarre de l’exhumer et la dépoussiérer en la simplifiant pour la remettre en ligne…
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