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Lampes LED

Les lampes LED sont la dernière frontière de la technologie : elles durent plus longtemps que les ampoules traditionnelles et consomment moins d'énergie. Elles sont une source de lumière intelligente, elles sont fonctionnelles, durables et se combinent à un beau design !
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Principe de fonctionnement d’une LED

Une Led (light emitting diode, ou diode électroluminescente) est un composant électronique qui émet de la lumière sous forme de photons. En plus de l'éclairage, les principales champs d'application des LED sont l'électronique mobile et la signalisation. La plupart des LED n'émettent pas de lumière dans toutes les directions, donc le fait d’être directionnelles ont une influence sur la conception des systèmes d'éclairage. Pourtant, les lampes à LED qui distribuent la lumière à 360° so

Principe de fonctionnement d’une LED

Une Led (light emitting diode, ou diode électroluminescente) est un composant électronique qui émet de la lumière sous forme de photons. En plus de l'éclairage, les principales champs d'application des LED sont l'électronique mobile et la signalisation. La plupart des LED n'émettent pas de lumière dans toutes les directions, donc le fait d’être directionnelles ont une influence sur la conception des systèmes d'éclairage. Pourtant, les lampes à LED qui distribuent la lumière à 360° sont de plus en plus utilisées.

L'émission lumineuse de chaque LED est inférieure à celle d'une lampe à incandescence ou fluocompacte, donc pour augmenter l'intensité lumineuse qui se mesure en lumen, les lampes à LED utilisent beaucoup de diodes contigus à haute puissance, ou bien des modules LED qui sont des groupes d'un ou plusieurs diodes à émission lumineuse, montés sur un circuit imprimé. Les principaux industriels de LED sont également producteurs de semi-conducteurs et sont basés surtout au Japon, aux Etats-Unis et en Corée.

Naissance et évolution des LED

Les premières LED ont été étudiées et développées pendant les années 60, mais elles avaient une faible puissance avec une émission de lumière dans le spectre du rouge. La première LED à émission de lumière bleue à haute puissance a été conçue et réalisée en 1994 par Shuji Nakamura, un chercheur de la société Nichia Corporation et prix Nobel de physique en 2014 avec deux autres chercheurs, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ; cela a représenté un événement fondamental pour le développement des premières LED à lumière blanche. Afin de transformer la lumière froide et bleue en lumière blanche avec des variantes compatibles, ils ont testé plusieurs substances avant de découvrir que le phosphore est le bon matériau.

Aujourd'hui, les deux méthodes les plus simples pour la production de LED à lumière blanche sont le système de combinaison RGB et l'utilisation du phosphore. La méthode qui utilise la combinaison RGB base son efficacité sur l’union des couleurs, en utilisant en même temps plusieurs puces qui émettent des longueurs d'onde rouges, vertes et bleues qui se mélangent et produisent une lumière blanche. La méthode de production qui utilise le phosphore repose sur l'union de la lumière bleue d'une LED traditionnelle avec la lumière d'une LED au phosphore qui produit les longueurs d'onde d'un spectre allant du vert au rouge, pour obtenir une lumière blanche.

En 2008, Philips a interrompu les recherches sur les lampes fluocompactes et a commencé à financer la recherche et le développement de l'illumination à LED. En septembre 2009, c'est la première entreprise qui introduit sur le marché les lampes à LED qui vont remplacer l'ampoule de 60W. Aux débuts, les lampes à LED ont modifié considérablement la couleur de la lumière des lampes à incandescence et un nouveau critère, appelé ANSI C78.377-2008, a été introduit afin d'indiquer les palettes de couleurs et de prescrire des méthodes pour mener des tests dans les laboratoires d'analyse.

Depuis 2009, les emballages des lampes à LED produits par la société Energy Star portent une étiquette avec des données répondant à des critères de qualité, comme l'IRC ou CRI (Indice de Rendu des Couleurs). Le but du programme est aider les consommateurs à mieux comprendre la qualité de différents produits. Un programme similaire a été lancé au Royaume-Uni par la Energy Saving Trust, afin d'identifier les produits LED qui répondent aux critères de performance et d'économie d'énergie.

En janvier 2009, les chercheurs de l'Université de Cambridge ont développé une lampe à LED à haute efficacité énergétique, 12 fois plus puissante qu'une lampe traditionnelle, avec une durée de vie présumée de 100.000 heures. Ces dernières années, il y a eu de nombreuses expériences en matière d’éclairage d’espaces par LED, comme dans le cas de la société Sentry Equipment à Oconomowoc, au Wisconsin (Stati Uniti), qui en 2008 a éclairé avec des lampes LED la surface intérieure et extérieure d'un des ses nouveaux bâtiments. Les frais de base ont été trois fois supérieurs par rapport aux frais d'installation de lampes traditionnelles à incandescence et fluocompactes ; toutefois, les frais engagés ont été amortis en deux ans grâce à l'économie d'énergie électrique et il est estimé que la durée de vie de cet équipement sera de 20 ans.

En 2009, la société Manapakkam Chennai a dépensé 80.000 dollars environ pour éclairer avec des lampes à LED 5.300 mètres carrés de bureaux, en estimant que ces frais d’équipement seront amortis dans les cinq ans. En 2009, le grand sapin de Noël devant la Cathédral de Turku en Finlande a été éclairé par 710 ampoules à LED, chacune ayant une puissance de 2W. Les frais de ces ampoules ont été amortis en trois ans et demi, même si elles restent allumées pendant seulement 48 jours par an. Toujours en 2009, au Portugal, une nouvelle autoroute (A29) a été inaugurée avec un système d’éclairage à LED.

Les avantages d'une Led

La technologie LED continue à progresser, car la production double tous les 2 ans et les prix baissent de 20% chaque année. La durée de vie des lampes à LED est largement supérieure à celle des autres technologies : jusqu'à 100 000 heures (en laboratoire), 40 000 h sur le marché (soit plusieurs dizaines d'années d'utilisation) contre 1 000 h pour les lampes à incandescence, 2 000 h pour les lampes halogènes et 10 000 h pour les lampes fluocompactes. Ainsi, l'achat et le remplacement d'une lampe LED sont moins fréquents, ce qui améliore la rentabilité de l'investissement.

Une lampe à LED offre un rendement compris entre 40 et 80 lumens par watt, contre 16 lumens/W pour une lampe à incandescence. Une lampe à LED de plus de 800 lumen, l'équivalent d'une lampe à incandescence de 60 W, consomme entre 9 et 12 watt. De plus, les évolutions technologiques devraient permettre d'améliorer le rendement des lampes LED pour le grand public, en testant des modèles dont le rendement peut atteindre les 300 lm/W. Les LED « super lumineuses » peuvent déjà, en laboratoire, atteindre une efficacité énergétique allant jusqu'à 300 lm/W ! Ce qui signifie qu'à court terme, nous pourrons disposer de lampes qui consomment moins de 4 watts et qui éclairent comme une lampe à incandescence de 75 watts. Un autre avantage des LED est qu'elles émettent immédiatement une lumière très puissante.

Les petites dimensions des LED font qu’elles sont encastrables dans les faux plafonds, tout comme les spots halogènes. Elles fonctionnent à très basse tension et développent des températures basses avec un avantage pour la sécurité électrique dans le bâtiment ; en effet, la température de réchauffement d'une LED avec un dissipateur de chaleur est de 32 °C, alors que les lampes à incandescence atteignent facilement les 150 °C. Les lampes à LED sont résistantes aux chocs et donc plus robustes par rapport à d'autres sources d'illumination. Les possibilités de développer de couleurs différentes permettent aux LED d'avoir des effets de lumière sans l'emploi de filtres. Elles ne contiennent pas de mercure et sont recyclées comme des déchets non dangereux. Des études récentes ont montré que les lampes à LED émettent une quantité de radiations électromagnétiques bien inférieure aux lampes fluocompactes.

La lampe à LED est un produit aux formes et applications différente. L'intensité lumineuse est égale ou supérieure à celle des lampes à incandescence ou fluocompactes. L'intensité de la lumière des lampes à LED reste constante dans le temps, elle ne décroit que vers la fin de la durée de fonctionnement prévisible, après au moins 35 000 heures ou 12 ans basés sur l'emploi pendant huit heures par jour. D'après une étude du cabinet McKinsey, les systèmes d'éclairage à LED sont en train de se répandre dans beaucoup de domaines (70% du total en 2020). L'organisation pour la remise des prix Nobel a affirmé que la découverte du système à LED a contribué à améliorer la qualité de vie de nombreux groupes de population qui ne peuvent avoir accès à l'électricité traditionnelle ; en effet, ces systèmes LED peuvent être alimentés par l’énergie solaire.

Ce qu'il faut encore améliorer

Dans le domaine de l'illumination à haute puissance, les lampes à LED ne sont pas encore les plus adaptées pour améliorer la sensibilité aux variations de températures d’un espace : usines, bureaux, appartements, hôpitaux. Même l'emploi des LED dans des emplacements complètement clos ou en partie fermés s'avère délicat, car en cas d’arrêt soudain de la lampe, il peut y avoir lieu un risque d'incendie. La recherche actuelle s'occupe de réaliser des lampes à LED à haute intensité lumineuse avec la moindre dispersion de chaleur possible et en même temps d'améliorer sa gestion grâce à des systèmes de dispersion, ventilation et refroidissement.

Les lampes à LED sont soumises à ce qu'on appelle en anglais le « flicker », ou scintillement, à savoir l'effet de tremblement qui peut être une source de baisse de performance dans le travail, de fatigue visuelle et de migraine. Une étude parue à la fin 2010 dans la revue Environmental Science and Technology a découvert que les LED contiennent du plomb, de l'arsenic et d'autres substances dangereuses. Des recherches menées sur les effets sur la santé et le bien-être des individus exposés à la lumière artificielle ont établi que le composant bleu de la lumière LED provoque du stress à la rétine. Les personnes sensibles et plus exposées à ce risque sont les enfants, les personnes ayant une maladie des yeux et certaines catégories professionnelles. Ces recherches tiennent également compte du risque d’éblouissement et de la fatigue visuelle provoquée par les LED car l'émission de lumière est punctiforme et condensée .

Les résultats d'une autre recherche parus dans le Journal of Environmental Management, démontrent que l'exposition à la lumière artificielle des LED, en raison de son haut pourcentage de lumière bleue réduit jusqu'à 5 fois la capacité du corps de produire de la mélatonine, l’hormone qui aide à régler le sommeil et à améliorer l'humeur, par rapport aux lampes à incandescence qui émettent une lumière plus chaude. Enfin, nous vous recommandons de garder une distance de plus de 20 cm de toute source à LED. Les organismes de contrôle du gouvernement testent tous les appareils d'éclairage, ainsi que les lampes à LED, pour vérifier qu'ils n'émettent pas trop de lumière bleue, en conformité avec les normes européennes et internationales (EN 62471 IEC/TR).

Le prix d'achat d'une LED est encore très élevé, même si la durée de vie continue à augmenter et la période d'amortissement diminue. En tout cas, le prix d'une lampes à LED est lié à son efficacité énergétique, soit à la faible intensité lumineuse de chaque diode, compensée par l'emploi de plusieurs LED en même temps. Résoudre ce problème signifie avoir la nécessité de réduire la quantité de LED, et, par conséquent, avoir une baisse des prix. Les matériaux les plus utilisés pour fabriquer des LED sont l'indium et le gallium, mais malheureusement ils vont être bientôt épuisés, donc l'engagement de la recherche est de réduire et de remplacer ces matériaux.

Choisir une lampe à LED

Le choix d'une ampoule LED n'est pas aisé ; quantité de modèles, de marques, des prix et de normes de fabrication matérialisé par des sigles et des codes sur les emballages. Critères d'évaluation : pour les LED, ils sont légèrement différents par rapport à ceux utilisés pour les lampes traditionnelles, lumen ou watt, mieux, pour un achat responsable, il faut considérer les deux. Contrairement à ce que l'on croit, la valeur des watt n'indique pas la luminosité mais la quantité d'énergie électrique consommée par l'ampoule, tout en étant un rapport direct surtout dans les systèmes d'illumination à incandescence.

La valeur en lumen (lm) est la vraie unité de mesure du flux lumineux, et c 'est cette valeur que nous devons tenir compte lorsqu’on choisit une ampoule à LED. Il est intéressant également de connaître la consommation, la puissance en watt. Il existe plus d'un tableau de conversion lumen-watt car il n'y a pas à présent un calcul précis, la consommation variant en rapport à la couleur de lumière diffusée et, à watt égal, nous pouvons trouver des lampes ayant des valeur en lumens différents.

La tonalité de la lumière se mesure en degrés Kelvin (°K) et vous pouvez obtenir plusieurs tons, même si les nuances chaude, neutre et froide sont les trois principales. La nuance chaude (2000-3500 °K), tendant au jaune, est celle qui se rapproche le plus de la lumière engendrée par les ampoules classiques à incandescence, la neutre (3500-4500° K) tend vers le blanc et la froide (4500-6000° K) émet une lumière aux reflets glacés et bleu clair. Nous pouvons donc affirmer qu'en moyenne, dans une lampe à LED, une luminosité de 1000 lumen détermine une consommation de 11 watt environ, contre les 100 watt d'une lampe à incandescence, 75 watt d'une lampe halogène et 20 watt d'une lampe à faible consommation.

Compatibilité des LED : parmi le vaste choix de lampes à LED, il faut préciser que les diodes ne sont pas toutes compatibles avec les interrupteurs traditionnels, il est donc nécessaire de prêter beaucoup d'attention aux produits avant qu'ils soient achetés. De plus, les appareils pour l'éclairage ne sont pas tous équipés pour les lampes à LED. Emission de chaleur : même les ampoules à LED diffusent de la chaleur ; cette chaleur doit être refroidie par un dissipateur situé à la base de l'ampoule, ce qui permet de créer un refroidissement qui va améliorer sa durée de vie. Si la lampe à LED se trouve dans un emplacement fermé, la chaleur ne pourra pas se disperser ; de cette façon, l'ampoule aura une durée de vie plus courte.

Avant d'acheter, vous devez donc considérer où les ampoules à LED vont être disposées : si ces emplacements sont complètement fermés, il est nécessaire de chercher des modèles adaptés pour les espaces encastrables ou fermés. Lumière punctiforme : choisissez un produit avec une optique non lisse, cela vous permettra de distribuer la lumière de manière homogène. Indice de rendu des couleurs : il est opportun de s'assurer de l'indice de rendu des couleurs (IRC o CRI), qui prouve la qualité de la lumière fournie par les LED, soit la capacité de rendre les vraies couleurs. Plus sa valeur se rapproche de 100, plus la qualité de la lumière sera haute, car l'IRC de la lumière naturelle du soleil est estimé à 100. La valeur des lampes à incandescence s'en rapprochait (90-95), les meilleures lampes à LED ont aujourd'hui un IRC plus bas, entre 85 et 90. Les LED avec un IRC inferieur à 80 ne sont pas conseillées pour l'éclairage d'intérieur.

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