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1 - LED ET ÉCLAIRAGE : CONTEXTE ÉCONOMIQUE ET ÉNERGÉTIQUE

2 - ÉLÉMENTS DU SYSTÈME D’ÉCLAIRAGE À LEDS

3 - IMPACTS DE LA LUMIÈRE DES LEDS SUR LA SANTÉ

  • 3.1 - Danger photobiologique (lumière bleue)
  • 3.2 - Lumière bleue et perturbation du rythme circadien
  • 3.3 - Papillotement de la lumière

4 - PERSPECTIVES, VERS « L’ÉCLAIRAGE 4.0 » !

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6502 v1

Conclusion
Éclairage à base de LEDs - Conception des systèmes

Auteur(s) : Georges ZISSIS, Laurent CANALE

Relu et validé le 12 avr. 2021

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RÉSUMÉ

L’éclairage à LEDs ne peut être abordé que par la notion de systèmes. Après une introduction sur les enjeux économiques mondiaux de ce marché, cet article aborde les différents modules constitutifs de ce type d’éclairage. Chaque sous-ensemble peut être traité indépendamment (ballasts, optique, gestion thermique, etc.) en abordant leurs différentes efficacités ou les causes des défaillances. Dernière née des technologies à LEDs et issues d’une innovation récente, les LEDs filaments sont présentés avant d’aborder le sujet de la santé. En effet, les dangers de la lumière à LED et les risques photobiologiques sont également détaillés en conclusion avant d’introduire l’éclairage du futur.

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Auteur(s)

  • Georges ZISSIS : Professeur des universités, - Université de Toulouse, UPS, - LAPLACE (Laboratoire plasma et conversion d’énergie), France

  • Laurent CANALE : Ingénieur de recherche, - CNRS, Université de Toulouse, - LAPLACE (Laboratoire plasma et conversion d’énergie), France

INTRODUCTION

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].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6502


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5. Conclusion

Jusqu’en 2015, les records d’efficacité lumineuse étaient battus tous les six mois. Depuis cette date, il semble que l’on observe un ralentissement et une certaine stagnation. Néanmoins, la physique théorique de la LED promet encore une belle marge de manœuvre et il ne serait pas absurde de présager que celle-ci progresse encore.

La complexité et la structure modulaire des dispositifs à LEDs permettent des voies d’améliorations multiples en dehors du champ restreint de la puce et de son rendement quantique avec l’électronique du ballast et son efficacité, l’amélioration de la dissipation thermique ou l’optique et l’extraction de la lumière.

La robustesse et la fiabilité sont également des axes de recherche majeurs touchant tous les modules des dispositifs à LEDs, mais si cet aspect se développe et trouve des solutions technologiques au niveau des laboratoires, le marché et les produits finis et commercialisés seront soumis à des critères multiples non technologiques et notamment ceux de coûts et de rentabilité.

La nature « électronique » de l’éclairage à base de LEDs lui confère néanmoins un atout majeur en supplément de son efficacité énergétique et de sa durée de vie : la polyvalence. Cette formidable capacité d’adaptation et d’intégration lui permettent de concentrer des fonctions à vocation non éclairagiste. La communication par la lumière, le « Li-Fi », en est l’exemple le plus symbolique et sans doute le plus excitant. Cependant, il existe d’autres fonctionnalités possibles et déclinables à l’infini telles que le permet l’électronique. Un luminaire urbain associé à des caméras pour s’allumer ou s’éteindre en fonction des besoins peut également signaler les places de parking libres et gratuites en monétisant le service par une application de smartphone, l’analyse d’une situation inhabituelle peut appuyer des services de secours, de police ou de pompiers en augmentant l’intensité lumineuse à son maximum, la différentiation des corps en mouvement (arbre, animaux, véhicule ou humain) permet d’allumer ou de faire varier l’intensité lumineuse uniquement quand cela est nécessaire, etc. L’interconnectivité aboutie des réseaux et des services, l’autogestion et l’autocontrôle doivent permettre une grande facilité de gestion du parc de luminaire, une réduction des coûts et l’intégration d’un...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PETRYK (A.K.) -   Building products – Spotlight on LED,  -  mai 2016.

  • (2) - McKinsey and Company Inc -   Lighting the way : perspectives on the global lighting market.  -  2nd edition, août 2012.

  • (3) - SMALLWOOD (Ph.) -   Lighting, LEDs and smart lighting market overview  -  (2016).

  • (4) - IHS -   Lighting the way.  -  Trends for 2016 (2016).

  • (5) - WRIGHT (M.) -   Popping the charts : strategies unlimited unveils SSL market data.  -  LEDs Magazine, avr. 2016.

  • (6) -   LEDinside : filament LED market value accelerated to US$ 40 million in 2015,  -  avr. 2016.

  • ...

NORMES

  • Éclairage général – Produits à diode électroluminescente (LED) et équipements associés – Termes et définitions – Modifiée par NF EN 62504/A1 (mai 2018) - NF EN 62504 - 12-14

  • Lumière et éclairage – Mesure et présentation des données photométriques des lampes et des luminaires – Partie 4 : Lampes, modules et luminaires LED - NF EN 13032-4 + A1 - 06-19

  • Appareillages de lampes – Partie 1 : Exigences générales et exigences de sécurité - NF EN 61347-1 - 09-15

  • Appareillages de lampes – Partie 2-13 : Exigences particulières pour les appareillages électroniques alimentés en courant continu ou alternatif pour les modules de LED. Modifiée par NF EN 61347-2-13/A1 (juin 2017) - NF EN 61347-2-13 - 12-14

  • Modules de DEL pour éclairage général – Spécifications de sécurité – Modifiée par : NF EN 62031/A1 (juin 2013) et NF EN 62031/A2 (juin 2015) - NF EN 62031 - 12-08

  • Sécurité photobiologique des lampes et des appareils...

1 Réglementation

Arrêté du 27 décembre 2018 relatif à la prévention, à la réduction et à la limitation des nuisances lumineuses

Décret n° 2011-831 du 12 juillet 2011 relatif à la prévention et à la limitation des nuisances lumineuses : Version consolidée au 5 août 2019.

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2 Brevets

LED Filaments : HAKATA (K.), MATSUOKA (T.), « Light-emitting device and lighting apparatus incorporating same », US patent n° 2009184618 assigned to Ushio Denki KK, published 23 juil. 2009

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3 Annuaire

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3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Principaux acteurs industriels...

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