Éclairage à base de LEDs - Conception des systèmes

L’arrivée des sources de lumière efficace est sans doute la réponse adéquate face aux enjeux écologiques et à la volonté affichée de réduire l’impact carbone. Cette nouvelle industrie profite également aux grands groupes industriels dont la plupart sont asiatiques. Cependant, sa pérennité ne peut s’envisager, étant donné les coûts de fabrication élevés des lampes à LEDs vis-à-vis des lampes à incandescence, qu’avec la promesse d’une grande fiabilité et d’une durée de vie importante. Les sources d’éclairage rudimentaires (lampe à huile, lampe à incandescence...) peuvent se concevoir aisément comme un seul élément puisqu’ils ne nécessitent pas d’élément périphérique pour pouvoir fonctionner. Il n’en est pas de même pour les systèmes d’éclairage à LEDs (comme les lampes fluorescentes), puisqu’ils présentent de nombreux sous-systèmes (source de lumière, alimentation, optique, dissipateur, etc.) qui, eux-mêmes, peuvent encore se décomposer en sous-parties (substrat, puce, phosphore, etc.).

Un système d’éclairage à LEDs peut donc être abordé de façon modulaire où chaque sous-ensemble présente une importance capitale. Le ballast électronique est bien souvent un point critique, car ses composants (et notamment les capacités électrochimiques) ont des durées de vie bien inférieures à celle de la source de lumière elle-même. Dans un monde économique où la concurrence fait rage, la partie électronique présente la marge de manœuvre la plus évidente avec des différences sur les produits considérables concernant les topologies de ballast autant que sur la qualité de réalisation. Cela entraîne bien sûr des conséquences directes sur ses fonctionnalités (variable (dimmable) ou non), sur sa durée de vie ou sur la qualité de la lumière émise. En effet, la stabilité de la lumière est à l’image de la stabilité du courant en sortie de ballast : un mauvais filtrage induit un papillotement (flickering) qui n’est pas sans conséquence sur le confort et peut même induire chez certaines personnes des maux de tête et des nausées. De la même façon, une mauvaise gestion thermique aura des conséquences sur la durée de vie de la puce et sur son efficacité...

Avec l’augmentation de la complexité vient inéluctablement l’augmentation des facteurs de risque de pannes et celles-ci peuvent apparaître à tous les niveaux et à toutes les échelles depuis le ballast électronique jusqu’aux interfaces entre les couches épitaxiées à l’échelle atomique.

Le monde économique a pris conscience du potentiel industriel et commercial de l’éclairage et le renouvellement des milliards de source de lumière en fonctionnement sur Terre laisse entrevoir des perspectives financières inouïes qui stimulent le développement et l’innovation dans ce domaine. L’augmentation des performances, les innovations ou les évolutions comme avec les LEDs filaments, ainsi que l’intégration des lasers pour l’éclairage ou le Lifi sont autant de développements attendus dans le domaine de l’éclairage. Associée à la technologie laser, l’industrie automobile développe la prochaine génération de phares de voiture : plus directifs, plus intenses, avec une portée plus importante tout en intégrant un contrôle dynamique de la zone éclairée pour éviter l’éblouissement du conducteur du véhicule venant en face. L’éclairage urbain n’est pas en reste : température de couleur et intensité dynamique en fonction des heures de la journée, de l’activité, des besoins, etc.

Outre sa frugalité, la révolution fondamentale qu’apporte l’éclairage à LEDs est principalement liée à sa capacité d’adaptation aux besoins humains en temps réel. Mieux encore, cette technologie permet également de considérer l’Homme dans son écosystème !

Correctement installée, la directivité et les capacités de gradations instantanées de ce type d’éclairage limitent considérablement la pollution lumineuse (signe d’un gaspillage énergétique) et impactent moins l’écosystème (faune et flore, pollinisateurs nocturnes, etc.).

Néanmoins, comme toute nouvelle venue dans un univers jusqu’alors peu innovant, ce nouvel objet issu de l’industrie des semi-conducteurs intrigue et suscite appréhensions et questionnements sur la santé : le risque photobiologique sur le cycle circadien et sur la rétine, les effets du papillotement de la lumière... Certains d’entre eux, tels que ceux sur le cycle circadien, sont incontestables, alors que d’autres, comme ceux sur la rétine, et notamment sur le long terme et pour des intensités et utilisations normales, restent en question et ne semblent pas présenter de risques avérés.

Après une présentation économique démontrant explicitement l’importance considérable de ce marché, cet article décompose la source de lumière à LEDs en différentes parties. Il met en évidence la nature pluridisciplinaire et modulaire de cet objet qui ne peut être abordée que par la conception d’un système constitué d’éléments pour lesquels des évolutions considérables ont été faites et restent à faire. La santé humaine étant une question de société majeure, une large part est donc également dédié au risque photobiologique et à la « lumière bleue des LEDs ».

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.

Pour aborder la LED du point de vue du composant, des matériaux jusqu’à l’encapsulation, ainsi que les techniques de production, le lecteur se reportera à l’article [E 6 501].