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Le flux lumineux Led

Dossier - Les Led, l’éclairage de demain
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Des phares de voiture aux luminaires du salon, les Led sont partout. Apprenez comment elles fonctionnent, comment on les fabrique, et les raisons qui font des Led les sources de lumière de choix pour demain. Les paramètres qui distinguent les Led seront aussi passés en revue.

  
DossiersLes Led, l’éclairage de demain
 

Il existe beaucoup de fabricants et de très nombreux modèles de Led ayant chacun leurs spécificités en matière de flux, de qualité spectrale, de forme d'émission lumineuse ou encore de performances thermiques. Nous allons discuter ici de ces performances, en précisant à chaque fois le type de Led évalué.

Horloge à base de LED. © Adafruit Industries, CC BY-NC 2.0

Le flux lumineux

Les valeurs communément rencontrées courant 2013 pour des Led blanches monopuces (de tension d'alimentation comprise entre 2,9 VDC et 3,5 VDC, en mode continu) sont les suivantes, en fonction des différents courants (considérant des Led de type « top emitting » c'est-à-dire d'émission perpendiculaire au plan de soudure des Led) :

  • pour 20 mA, 1 à 4 lumens ;
  • pour 60 mA, 5 à 30 lumens ;
  • pour 120 mA, 20 à 50 lumens ;
  • pour 200 mA, 40 à 70 lumens ;
  • pour 350 mA, 80 à 130 lumens ;
  • pour 500 mA, 100 à 160 lumens.

Bien entendu, ces valeurs sont des flux lumineux constatés sur des Led du commerce que Led engineering Development a testées, mais dépendent fortement de la colorimétrie (et notamment du type de blanc émis, chaud, neutre ou froid) ainsi que du tri (en flux) réalisé par les fabricants eux-mêmes.

Il existe des voyants Led de différentes tailles et couleurs, notamment pour la mise au point d’interfaces Homme-machine. © Nowakowska, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Le rendement (lm/W)

Avant de donner quelques ordres de grandeur, il convient de faire quelques précisions sur ce que nous appelons rendement. En effet, il existe différents types de rendement dans une Led qui correspondent aux différentes étapes de conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse visible par l'œil. Nous allons nous focaliser sur le rendement lumineux global, c'est-à-dire le pourcentage d'énergie électrique injectée converti en lumière. Dans le cas des Led de couleur, nous parlerons en pour cent (mis à part le vert et le rouge pour lequel l'emploi de l'unité lm/W peut être fait) et pour les Led blanches, nous donnerons les deux informations (pour cent et lm/W).

Depuis qu'il est envisageable d'intégrer des Led blanches dans des applications d'éclairage général, le rendement est, avant tous les autres, le paramètre qui intéresse les utilisateurs (tout en garantissant une qualité de la lumière émise).

En ce qui concerne les Led blanches, il a considérablement augmenté depuis 10 ans, passant de moins de 15 lm/W à plus de 120 lm/W à fin des années 2012, pour des composants produisant plusieurs dizaines de lumens en terme de flux, avec des types de blancs neutres (CCT comprises entre 3.500 et 4.000 K).

En 2013, certaines Led blanches atteignent plus de 35 %, ou encore près de 130 lm/W (toujours pour des blancs dont les CCT se situent autour de 4.000 K), mais la grosse majorité est comprise entre 80 et 110 lm/W.

Pour les Led de couleur, beaucoup de progrès ont également été effectués, notamment pour le rouge où certains modèles de Led atteignent plus de 100 lm/W. En ce qui concerne les Led vertes, même constat, avec des valeurs supérieures à 100 lm/W. Pour les Led bleues, la progression a été un peu plus lente et a connu une accélération à partir des années 2010, pour atteindre plus de 50 % de rendement.

La résistance thermique

Elle est le résultat de l'intégration du semi-conducteur dans le boîtier de la Led. Si cette intégration est de qualité, avec des processus de fabrication maîtrisés, il est possible d'atteindre de faibles valeurs de résistance thermique (voir figure ci-dessous), permettant aux composants d'être sollicités de façon importante même s'ils fonctionnement à des températures élevées.

Résistances thermiques de Led de puissance du marché en 2013. Une faible résistance thermique permet de limiter la diminution des performances. © Led Engineering Development

Suivant les types de Led, ces résistances thermiques peuvent être importantes (plus de 400 K/W), mais s'il l'on regarde l'accroissement de température entre la jonction et la carte électronique sur laquelle est soudée la Led, il peut rester raisonnable du fait du faible courant injecté dans la Led (et donc de la faible quantité de chaleur à dégager).

Quelques ordres de grandeur de valeurs rencontrées suivant les modèles de Led :

  • Led traversantes 5 mm : de 150 à 400 K/W ;
  • Led CMS PLCC4 sans pad de dissipation thermique : de 80 à 200 K/W ;
  • Led CMS de type 5630 avec pad de dissipation thermique : de 30 à 80 K/W ;
  • Led CMS de puissance avec pad de dissipation thermique : de 4 à 15 K/W.

Des valeurs inférieures à 4 K/W sont rares, mais existent sur des boîtiers de Led particuliers, qui requièrent une dissipation importante au regard des forts courants injectés et donc de la quantité de chaleur à dissiper.

Autre point à noter, la valeur de la résistance thermique des Led est donnée de façon nominale le plus souvent. Mais cette caractéristique évolue avec la température et dans le mauvais sens, c'est-à-dire qu'elle augmente lorsque la température du composant augmente. En conséquence, connaître la valeur maximale que peut prendre cette donnée est important, notamment lors d'applications où la température de fonctionnement est élevée.

La qualité colorimétrique des Led

Si nous mettons de côté les Led de couleur, qui elles aussi se sont améliorées (nombre de couleurs disponibles plus important, largeur spectrale affinée, uniformité des couleurs entre différentes Led d'un lot), les Led blanches ont pu être intégrées dans des applications d'éclairage (voir figure ci-dessous) dès lors que leur spectre s'est approché de celui des technologies employées jusqu'à présent (lampes à incandescence, tubes fluorescents, lampes à décharge).

Spectre d’une Led de qualité colorimétrique dédiée à l’éclairage intérieur. Les Led blanches commencent à être utilisées pour les applications d’éclairage, car leur spectre lumineux est proche de celui que l’on peut obtenir à l’aide de lampes à incandescence. © Seoul Semiconductor

Ces améliorations spectrales ont pu être possibles à partir du moment où les puces semi-conductrices bleues ont atteint des rendements permettant aux luminophores (conversion du bleu en vert et en rouge, entre autres) de ne pas diminuer de façon trop importante le rendement global des Led. De plus, les luminophores eux-mêmes se sont améliorés en rendement et en qualité de restitution de l'énergie absorbée, ce qui a complété la qualité colorimétrique.