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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

Glossaire
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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ABSTRACT

Lighting Systems based on LEDs Systems conception

LED lighting can only be approached by the notion of systems. After an introduction on the global economic issues of this market, this article discusses the different building blocks of this type of lighting. Each subset can be processed independently (ballasts, optics, thermal management, etc.) by addressing their different efficiencies or the causes of failures. The latest LED technology and the result of a recent innovation, LEDs filaments are presented before addressing the subject of health. Indeed, the dangers of LED light and photobiological risks are also detailed in conclusion before introducing the lighting of the future.diodes électrolumninescentes

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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KEYWORDS

photonics   |   lighting   |   light emitting diodes   |   white light

DOI (Digital Object Identifier)

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


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6. Glossaire

dimmable (ou gradable)

Anglicisme couramment utilisé désignant la capacité de variation de l’intensité lumineuse d’un luminaire. Celle-ci dépend directement de la conception électronique du ballast.

flickering

Papillotement de la lumière induit par un filtrage absent ou inadapté du ballast à la fréquence du réseau électrique ou un de ses harmoniques. Le flickering peut être perceptible ou non par l’œil humain et peut avoir des conséquences sur le bien-être ou la santé.

Li-Fi (Light Fidelity, en analogie au Wi-Fi pour Wireless Fidelity)

Technologie de communication sans fil, basée sur l’utilisation de la lumière LED transmettant des données numériques. Plus rapide, plus écologique, plus sûr que le Wi-Fi, le Li-Fi utilise le spectre optique.

Modulation de largeur d’impulsion (MLI) ; Pulse Width Modulation (PWM)

Technique utilisée pour synthétiser des signaux pseudo analogiques à l’aide de circuits électroniques en commutations. Elle permet d’obtenir une grandeur analogique moyenne variable.

Indice de rendu des couleurs (IRC) ; noté également Ra ou CRI pour Color Rendering Index)

Nombre compris entre 0 et 100 ayant pour objectif de rendre compte de l’aptitude d’une source de lumière à restituer les couleurs d’un objet par rapport à celles produites avec une source de référence de même température de couleur.

bonding

Dans un composant semi-conducteur, fil soudé (généralement en or) entre un plot de connexion et la puce électronique, ou entre deux plots de connexion.

flip-chip , puce retournée

Une des techniques utilisée pour effectuer les connexions électriques. La puce est retournée car, à l’inverse du câblage par fil (wire bonding) où les surfaces pour les soudures (ou contacts) doivent se trouver dans le même sens, pour cette technique les surfaces doivent être face-à-face (soit en sens opposé). La puce est donc bien retournée (par rapport au câblage par fil).

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Sommaire

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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