Comprendre la technologie LED Retour à la page d'accueil

Les 'LED' (l'acronyme de Light Emitting Diode), ou en français les 'DEL' (Diode ElectroLuminescente), sont-elles compatibles avec les exigences des organismes dépendant de la photosynthèse ? Cet éclairage est-il une alternative crédible aux solutions classiques basées sur les tubes fluorescents T5 et les lampes HQI/HPS ? Voici quelques éléments de réponse.

Pour appréhender correctement un système d'éclairage, il faut notablement tenir compte :

RoHS LED - lead freeLes nouvelles générations de LED de puissance répondent aux besoins de la signalisation automobile ou publique, de l'éclairage domestique, du rétro-éclairage des écrans LCD, des flashs d'appareils photo, etc. Ce marché est porté par les nouvelles technologies et par la nécessité de réduire les dépenses énergétiques des systèmes d'éclairage. La volonté de les rendre plus 'verts' en interdisant l'usage de composés toxiques pour l'environnement gagne aussi peu à peu du terrain, cette exigence européenne correspond au sigle RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment).

Les avantages mis en avant par les constructeurs de LED sont :

Les utilisateurs d'éclairages destinés à la photosynthèse, aquariophiles notamment, y voient d'autres points d'intérêts, particulièrement pour les aquariums récifaux :

La faisabilité d'un 'spot à LED', spécifiquement conçu pour un usage horticole ou un aquarium, est possible. Mais avant d'acheter (cher) une rampe, il est préférable de comprendre 'comment ça marche', les points de détails qui font la différence - car tous les systèmes à LED ne sont pas équivalents - et de vérifier si les performances attendues sont compatibles avec le besoin et i les technologies T5 ou HQI ne sont pas encore préférables.

Caractéristiques des LED de puissance

CREE XR-E LEDCet article prend comme exemple la LED CREE XLAMP XR-E, les LED de puissance équivalente : Luxeon Rebel, Séoul P4, Edison, Samsung, Nichia, Osram, Avago, etc. pourraient également servir pour cette démonstration. Il s'agit de LED de puissance de 1 à 10 Watts dont le rendement est compris entre 100 et 140 lumens/Watt et qu'il ne faut pas confondre avec les LED classiques (sans semelle dissipateur) et dont les performances sont moindres ni avec les assemblages de LED de puissance dans un même boitier (réseau de LED de 30, 50 ou 100W). Depuis nos modules sont équipés de LED CREE XM-L de caractéristiques supérieures, cependant la démonstration reste valable.

Vous trouverez la documentation complète de la LED XR-E sur le site CREE® XLAMPT CREE

Le graphe ci-dessous (source Luxeon Lumileds) indique que les performances des LED s'améliorent génération après génération. On peut espérer que les prix, actuellement très élevés, baisseront lorsque les LED seront largement utilisées pour l'éclairage public. Pour notre application récifale il n'y a cependant aucune certitude car les LED actuellement disponibles dans une gamme de température idéale pour l'aquariophilie marine ne sont pas vraiment adaptées à l'éclairage public, surtout domestique, et, d'autre part, il y a une limite technologique au rendement, cette barrière, aux environs de 220 Lumens/Watt, sera difficile de dépasser significativement sans un saut technologique encore à découvrir. Actuellement le rendement maximum est d'environ 140 lumens/Watts, les prototypes à 170 lumens/Watts seront disponibles en 2012. L'intérêt de cette progression est qu'il sera possible d'obtenir la même quantité de lumière avec le même nombre de LED fonctionnant à une puissance électrique moindre, ce qui, nous le verrons plus loin, améliore encore sensiblement le rendement. Il est probable que les prix resteront élevés mais que le gain énergétique soit de plus en plus décisif.

LED roadmap
Le principe de mise en oeuvre

L'intensité obtenue par une LED CREE XR-E groupe R2 est d'environ 120 lumens. Cela reste modeste si on la compare aux 9000 lumens d'une lampe HQI de 150W. Mais cette intensité lumineuse est obtenue en faisant circuler un courant de 350 mA, soit environ 1 Watt de puissance électrique dans une LED. Le rendement en lumens/Watt d'une LED est meilleur que celui du HQI (60 lumens/Watt).

Le courant d'alimentation de la LED peut être augmenté jusqu'à 1000 mA. La courbe du rendement tend cependant à s'infléchir, c'est-à-dire que la puissance lumineuse à 700 mA est inférieure au double de celle à 350 mA (175%). Nous verrons que le courant à également l'inconvénient d'échauffer la LED et qu'en pratique le courant maximal de 1000mA n'est que rarement exploité. alpheus utilise un courant d'alimentation de 700 mA pour optimiser le ratio intensité lumineuse/cout. Les LED utilisées sont des CREE XR-E groupes R2 pour le blanc 6500 K, ce qui procure 200 lumens typiques par LED sous 700 mA, et groupe 16 pour le bleu royal (PAR équivalent à une LED blanche R2). Ce sont les LED les plus performantes de la gamme CREE XR-E.

LED flux versus courant direct
Courbe du flux lumineux en fonction de l'intensité

Toutes les diodes sont caractérisées par une tension qui correspond au seuil de tension à partir de lequel la diode devient passante. Cette tension directe est généralement notée VF [Forward Voltage] , elle caractérise toutes les diodes et donc aussi les LED.

LED VF versus courant direct

La courbe indique une tension de 3,3 Volts lorsque le courant direct IF est de 350 mA et 3,7 Volts à 1A. Cela signifie qu'il faut une tension minimale d'environ 3,5 Volts pour qu'une diode CREE XR-E fonctionne. Cela signifie aussi que la diode va dissiper une puissance égale à la formule P=UI, soit environ 3,5 fois la valeur du courant. Cette gamme de diodes supportant un courant de près de 1A sont ainsi classées pour des '3 Watts'.

Actuellement les meilleures LED de puissance émettent une intensité lumineuse supérieure à 120 lumens par Watt . Ce résultat est bon, sur ce terrain les LED dépassent les T5 et HQI, font jeu égal avec les meilleurs tubes fluocompacts haut rendement et les lampes à plasma de soufre. Mais il n'y a pas de miracle: une réglette de 5 Watts LED n'est pas l'équivalent d'un tube T5 39W, une réglette 20W LED avec un rendement supérieur à 80 lumens/Watt est plus proche de cette équivalence.

J'ai une rampe 120 Watts LED mais je mesure une consommation électrique de 150 Watts, est-ce normal ? Le rendement de conversion électrique/lumineux doit tenir compte de l'ensemble de la chaine : Ballast + lampe pour les ampoules HQI et T5, alimentation AC/DC + régulation de courant + ampoule LEDs pour la technologie LED. Actuellement une chaine d'alimentation DC régulée en courant nécessaire au fonctionnement des LED a un rendement d'environ 80% ce qui donne encore une marge de progression très significative (alpheus y travaille). Certains ballasts HQI ou T5 n'ont pas de correction PFC (Power Factor Corrector) ce qui minore la puissance mesurée par rapport à celle réelle consommée, le PFC est maintenant obligatoire, celui-ci est d'environ 0,95 / 0,98, ctte indication est marquée sur le ballast et ne doit pas être confondu avec le rendement.

Dans la pratique quelle puissance peut-on espérer obtenir d'une LED 3W ? La problématique thermique développée ci-après montre les limites de mise en oeuvre. La réduction du rendement incite également à être raisonnable dans l'utilisation des LED. Les LED de la gamme 3 Watts ne sont jamais utilisées dans la pratique à plus de 2,5 Watts. Pour comparer honnêtement des constructeurs différents il faut souvent calculer sois-même la puissance effective et non celle 'théorique' indiquée dans certaines brochures commerciales moins soucieuses de rigueur que de promotion.

Une LED 20 Watts est-elle meilleure que 8 LED à 2,5 Watts ? Oui, certainement du point de vue cout économique mais pas du point de vue résultat lumineux. Les LED de 20 Watts sont en réalité un assemblage de LED de moindre puissance encapsulées dans le même boitier. Le rendement ne peut en aucun cas être supérieur et les difficultés de dissipation thermique et la moins bonne répartition lumineuse (optique) sont un handicap dans notre utilisation. Ces LED sont développées pour répondre au remplacement des ampoules à incandescence, elles n'existent pas dans les températures de couleur optimales pour les aquariums récifaux. Théoriquement il serait plus intéressant d'utiliser un grand nombre de LED en abaissant la puissance unitaire, dans la pratique il faut trouver un compromis coût - rendement - fiabilité (complexité de câblage et réduction du MTBF) et les LED 3W sont un bon compromis.

Caractéristiques lumineuses

spectre LED blanche
spectre lumineux

Le spectre de la diode blanche 'blanc froid', la courbe bleue du schéma, est donnée pour 6500K. En réalité l'émission est composée de deux bosses :

Par chance le bleu est la base de la technologie LED de puissance et cette longueur d'onde est très intéressante pour nos récifs captifs. Elle favorise naturellement la croissance des invertébrés zooxanthellés. La deuxième bosse (réémission du phosphore) donne par addition des couleurs un rendu final 'blanc' et naturel à la lumière. Il favorise également la photosynthèse et permet l'observation des différentes couleurs des organismes marins en améliorant l'IRC (Indice de Rendu des Couleurs). Il faut noter que ce spectre est plus complet que la plupart de ceux obtenus avec les lampes HQI. D'autre part il est parfaitement maitrisé et caractérisé. La valeur de 6500K est donc un rendu moyen qui ne caractérise pas complètement le spectre. Les deux bosses obtenues par une LED blanche se superposent pratiquement parfaitement à la courbe de sensibilité de la photosynthèse (voir également Spectre solaire et photosynthèse) alors qu'un blanc obtenu par des LED trichromiques RVB aurait un résultat visuel acceptable mais très inférieur du point qualitatif pour la photosynthèse.

spectre photosynthese

Les tubes T5 et ampoules HQI ont un spectre composé d'un ensemble de pics généralement étroits et ne possèdent pas l'aspect naturel du spectre des LED blanches. A titre d'exemple, voici le spectre obtenu avec une ampoule HQI 10000K (de bonne qualité) :

spectre HQI

Ce graphe montre un blanc qui est essentiellement recomposé par des raies assez étroites de différentes couleurs, le spectre ne présente pas de la richesse obtenue avec une LED blanche et il serait plus proche effectivement d'un triplet de LED RVB.

Dans le reste de la gamme XR-E deux autres références nous intéressent particulièrement : la 'Royal Blue' qui correspond au pic à 450nm de la diode blanche, (la fabrication est effectivement basée sur un dopage de LED bleu royal), et la 'Blue' de longueur d'onde de 470 nm. La LED verte ne présente pas d'intérêt pour notre application.

spectre LED bleu
spectre lumineux

ampoule LED alpheus Pour favoriser le bleu qui reproduit une situation située en profondeur, il est d'usage d'ajouter des tubes bleus, actiniques ou supra actiniques aux installations HQI. Outre que cette température présente un intérêt esthétique indéniable, cela renforce le spectre utile pour la photosynthèse et assure les transitions lumineuses. Un éclairage bleu de faible intensité excite aussi la fluorescence naturelle de certains coraux. Un éclairage à LED utilise avec profit les couleurs 'blue' ou 'royal blue' en complément pour renforcer la température de couleur de la LED blanche 'blanc froid''. Dans ce cas l'énergie apportée dans le bleu est très importante (équivalente à l'énergie apportée par les LED blanches). La fluorescence est exarcerbée. La température de couleur obtenue par cette combinaison varie de 7000 à 20000 Kelvin en fonction du ratio blanc/bleu et du réglage par 'dimmage' des canaux.

Les LED ont un spectre calibré qui diffère très peu des spécifications nominales. Les LED (blanches ou bleues) ne produisent pas d'UV. Cela a l'avantage de ne pas risquer d'exposer les organismes à des radiations trop dures et de s'affranchir d'un filtre atténuant le flux lumineux qui s'avère nécessaire avec les HQI 20000 K. Les LED de puissance sont conformes à la norme IEC 825 concernant la sécurité d'émission des sources lumineuses. Leur intensité ponctuelle est cependant telle qu'il est préférable de ne pas essayer de les regarder directement sans protection.

Le tableau ci-dessous est propre à chaque constructeur. Il indique l'intensité lumineuse des LED et leur couleur en fonction d'un tri supplémentaire appelé 'binning'. Le' binning' est un point de contrôle important pour sélectionner les LED selon leur rendement et leur chromatisme. Cela reste une affaire de spécialiste et alpheus sélectionne les meilleurs composants pour l'usage récifal. Notez aussi qu'une diode blanche à un rendement en 'lumens' quatre fois supérieur à une LED bleue alors que l'énergie utile pour la photosynthèse est quasiment identique. CF Rayonnement solaire et photosynthèse .

Tableau récapitulatif des longueurs d'ondes min/max des LED CREE et flux selon le 'binning"

classement LED binning CREE XR-E

Les meilleurs groupes des LED blanches pour l'application récifale sont WA, WB et WC puis WK, WM et WN. Il faut rapprocher cette courbe de la courbe de la chromaticité CIE :

courbe chromaticite CIE

L'axe central de déplacement étant celui du corps noir. Le second paramètre du binning correspond à un tri selon le rendement. Le groupe correspond à une puissance lumineuse minmum garantie indiquée à 350 mA (1 Watt).

Binning LED XR-E blanc

Le groupe Q5 est plus puissant que le groupe Q4, etc. Le groupe R2 n'apparait pas dans le tableau mais progresse également (114 lumens) il s'agit de la plus haute performance pour la gamme XR-E. Pour les XP-G il existe également les groupes R3, R4 et R5 (139 lumens max). La nouvelle gamme XM devrait améliorer encore le rendement.

Binning LED XR-E bleu

Binning LED XR-E bleu

Pour la 'Royal blue' le groupe D3-15 représente une LED avec une émission centrée sur 450nm et avec une puissance de 425mW. Non porté sur la datasheet Il existe également le groupe 16 (500mW). Il faut noter qu'il n'existe pas de modèle plus performant dans la nouvelle gamme XP de CREE (XP-E en l'occurence). La mesure du flux radiométrique avec un PAR-mètre indique une performance des LED 'bleu royal' identique à celles des LED blanc froid. Or la progression est plus importante dans le classement des groupes bleu royal et il faut être très attentif à la sélection du groupe de cette couleur. La LED sélectionnée par alpheus est la D3-16.

Les caractéristiques spectrales sont ainsi supérieures aux lampes HQI qui ne disposent que de spectres composés de raies étroites. L'utilisation du phosphore pour élargir le spectre est qualitativement supérieur à une lumière blanche obtenue par addition RVB. Le résultat est comparable aux T5 lorsque des tubes complémentaires sont combinés au sein d'une même rampe avec une sélection pertinente du spectre de chaque tube. Bien souvent les informations données par les constructeurs sont insuffisantes et en absence de mesure avec un PAR-mètre / spectromètre l'aspect visuel ne peut suffire à juger de la qualité de l'éclairage. La problématique du choix des lampes HQI et T5 se pose ainsi de façon récurrente à chaque changement d'ampoule alors qu'avec la technologie LED les propriétés initiales sont conservées pendant de longues années sans le risque d'une modification brutale de l'environnement lumineux préjudiciable aux animaux zooxanthellés.

Faut-il ajouter des LED rouges pour favoriser la photosynthèse ? Certainement pour les plantes terrestres et les plantes d'aquarium d'eau douce se développant près de la surface. Cela est moins évident dans le cas d'organismes marins. La pénétration du rayonnement rouge est fortement atténuée avec la couche d'eau et ne correspond plus à un besoin vital au-delà de quelques mètres. CF Les LED un éclairage 'Eco-friendly' . Pour les biotopes situés très proches de la surface, en eau douce ou encore pour la culture de phytoplanctons, il est intéressant de diminuer la température de couleur en ajoutant des LED 'natural white', 'warm white' de blanc plus chaud et même des LED rouges, celles-ci souffrent cependant d'un rendement lumineux médiocre.

Les LED blanches 'cool white' ont un spectre compatible avec un usage récifal. Les LED 'blue' ou 'royal blue' sont ajoutées pour accentuer la température de couleur bleue, apporter une énergie significative, allonger la durée de la phase d'observation et favoriser la fluorescence des coraux. alpheus sélectionne un ratio de 50% de blanc 7000K à 8000K pour 50% de bleu royal 450nm. Le résultat est un éclairage de 14000 à 20000 Kelvins selon la gradation. Les LED 'warm white' et 'red' (625nm) sont réservées aux aquariums d'eau douce ou aux cultures algales.

Faut-il apporter des UV ? Les UV-A longs sont effectivement présents en milieu naturel. Les essais pratiqués ne sont pas concluants, d'une part par la faible puissance et mauvais rendement des sources disponibles et d'autre part par le peu de profit qu'en tirent les organismes marins. L'ajout d'UV n'apporte pas d'agrément suplémentaire à la contemplation de son aquarium. Aussi alpheus a fait le choix de ne pas ajouter de LED UV dans ses modèles.

Les LED, un 'spot' naturel

La réalisation d'un bon réflecteur en aluminium spéculaire est capital avec les technologies T5 ou HQI et cette tâche n'est pas simple. Avec la technologie LED il en est tout autrement.

LED optique

Cette courbe indique l'angle d'ouverture du flux lumineux des LED. La lumière est focalisée alors qu'une lampe traditionnelle émet dans toutes les directions. Comme, dans ce cas, l'objectif est d'obtenir un éclairage dirigé uniquement vers l'aquarium, cette technologie est considérablement supérieure aux solutions traditionnelles nécessitant des réflecteurs. Des lentilles de focalisation permettent également une concentration supplémentaire du flux lumineux. La rampe peut être déportée au-dessus de l'aquarium avec de faibles pertes. Les parois de l'aquarium restent moins éclairées ce qui réduit la croissance des algues indésirables, augmente le contraste entre l'aquarium et son environnement et améliore les effets de perspectives.

LED optique

optique secondaire LED CREE alpheusLe mélange des couleurs est aussi optimisé par des lentilles spéciales de focalisation et de diffusion. Ce sont ces lentilles qui ont été sélectionnées par alpheus. L'angle est selon la disposition, en moyenne 20° de part et d'autre de l'axe optique.

Les LED ont l'avantage de diriger et de focaliser naturellement le flux lumineux. Cet effet permet de 'récupérer' les lumens perdus par les tubes fluorescents ou les lampes HQI qui dispersent l'émission lumineuse malgré l'usage de réflecteurs aussi ingénieux qu'ils soient.

Le flux lumineux résultant des LED est ainsi supérieur de 30% à 50% en comparaison des sources devant utiliser un réflecteur et cela contribue à l'excellent résultat de l'éclairage LED vis à vis des solutions traditionnelles.

Il faut aussi noter qu'une optique pour LED doit être de bonne qualité pour tirer le maximim de bénéfices. Le PMMA est la matière apportant le plus d'avantages. L'augmentation de puissance des LED est qelque peu en contradiction avec la répartition homogène due à une une multiplication des sources élémentaires. Aussi les modèles constitués d'assemblage de puces (dies) de 10, 20, ou 50 Watts sont plus aptes à l'éclairage public qu'à celui des aquariums.

Mise en oeuvre et problématique thermique

Le 'dérating' traduit les écarts de comportement d'un élément quelconque par rapport aux spécifications nominales établies par le constructeur. Deux types d'écart sont impérativement à prendre en considération :

1. Dispersions des tensions VF

variabilite tension VF LED CREE
Les écarts de tension VF par rapport à la valeur nominale sont assez importants.

Autre point à considérer, la variation de la tension VF lors des premières heures de fonctionnement. Cela signifie qu'il faut mettre en place un moyen indépendant des variations de VF pour limiter le courant qui circule dans les LED. Concrètement la simple résistance mise en série avec une LED de faible puissance ne suffit pas et par ailleurs dégrade le rendement électrique.

Les LED de puissances nécessitent impérativement une alimentation spécifique régulée en courant.

alpheus développe ses propres cartes de régulation en courant basées sur un composant à découpage à montage 'buck converter' et une inductance de qualité ce qui permet l'obtention d'un très haut rendement (95 à 97%). Cette régulation nécessite une source de tension continue, selon les modèles de 18 à 30 Volts DC. Une mauvaise régulation de courant est une cause de réduction de la durée de vie de la LED, la seconde étant la gestion thermique.

Une LED détruite en circuit fermé ou court-circuit (toutes les LED montées en série restent allumées) est symptomatique d'une dégradation due à une mauvaise régulation de courant/tension.

2. Dispersions dues à la température

Les autres écarts concernent un 'derating' ou dégradation globale des caractéristiques liée à l'élévation de la température.

LED flux versus temperature

Les performances du constructeur sont données pour une température TJ [Junction Temperature] de 25°C. Les performances sont réduites de 20% pour une température TJ de 110°C. La durée de vie calculée avec un TJ max de 125°C. La LED est détruite avec une température TJ supérieure à 160°C.

Pour comprendre ce qu'est 'TJ' il faut regarder ce petit schéma :

CREE XR-E LED Temperature LED

TJ [Température de Jonction] correspond à la température au niveau de la 'puce' du composant. C'est bien entendu la température la plus chaude de l'assemblage et TA, [Température Ambiante], la zone la plus fraîche. Entre la jonction et l'ambiant la chaleur est dissipée au travers d'une somme de 'résistances thermiques' indiquées en °/W (degrés par Watt).
Ggénéralement TJ = {Ptot * (RTslug + RTbrasage + RTPCB + RTadhesif + RTHeatSink)} + Tambiant, avec :

La résistance thermique avec le système alpheus n'est que de 8+1,1+6 = 15,1°/W soit une élévation de 40° au fonctionnement nominal 700mA par rapport à un ambiant. Dans cette configuration à 25° la jonction est à 65°, ce qui donne une bonne marge de sécurité pour la temparéture ambiante qui peut monter jusqu'à 85°. Pour obtenir les meilleures performances alpheus conseille de maintenir un ambiant à 50° au maximum (température externe du dissipateur thermique).

resistance thermique MCPCB

Autre exemple explicite : L'encapsulation de la puce dans son boîtier à une résistance thermique intrinsèque d'environ 8°/W, un report (soudage) de la LED 1°/W, le MCPCB 3,5°/W (ou montage 'STAR' CF schéma ci-dessus) puis l'application sur le dissipateur 0,5°/W, le dissipateur avec l'air ambiant 7°/W (valeur selon le modèle). Dans cet exemple la résistance thermique globale est de 20 °/W, ce qui fait que pour un Watt électrique la puce va s'élever au-dessus de l'ambiant de 20 °. Pour une température ambiante de 45° et une LED pilotée à 3 Watts la température de la puce va être de 105° ceci une seule LED, le calcul devant intégrer l'ensemble des LED placées sur le même dissipateur. Ainsi la puissance de 3 Watts, qui peut sembler faible, est importante pour une petite surface rayonnante. En l'absence d'un dissipateur de faible résistance thermique, d'un soin particulier pour transférer la chaleur de la LED sur le dissipateur, d'une étude de design aboutie, la température risque de détruire le composant ou provoquer une réduction importante de sa durée de vie. Ce point est capital pour la conception d'un système fiable.

Il est important de conserver une température de jonction TJ la plus basse possible pour garantir un fonctionnement optimal. Il faut noter à ce propos que les performances du constructeur sont données pour une température TJ de 25°C qui ne peut jamais être appliquée dans la réalité. C'est un moyen pour le constructeur de présenter ses meilleures caractéristiques. Une température TJ de 80 à 100°C est plus proche des cas réels d'utilisation. Il faut donc minorer les performances nominales, très optimistes, qui sont indiquées pour une TJ de 25°C et prévoir, par exemple, une baisse de 10% du flux lumineux.

La température interne de la LED va, non seulement influer sur l'éclairement, mais aussi, et surtout, sur le vieillissement des LED. Avec la température les performances se dégradent et le risque de panne augmente.Le soin apporté au design des rampe alpheus permet de maintenir la TJ inférieure à 95°C ce qui donne une marge de sécurité. Les dissipateurs alpheus sont ainsi choisis pour présenter une RTH (résistance thermique) compatible avec la somme des puissances électrique de chaque LED. Ils sont placés en convection naturelle, ou si la température excède 50° dans un flux d'air forcé.

Derating LED temperature

Maintenir une température ambiante inférieure à 50° évite les mauvaises surprises même si la résistance thermique est calculée lors de la conception par un choix d'assemblage judicieux puis mis en application avec rigueur. L'efficacité du résultat peut être mesurée avec un simple luxmètre. Il suffit de mettre en fonctionnement l'éclairage à pleine puissance en mesurant l'évolution du flux lumineux avec l'élévation progressive de la température de la jonction (le temps nécessaire pour atteindre la température maximale est de quelques minutes). alpheus utilise un repport direct de la LED sur le dissipateur ce qui est le meilleur moyen pour réduire la résistance thermique de contact.

Il est impératif de prévoir une dissipation thermique pertinente et extrêmement efficace pour garantir le fonctionnement correspondant à la durée de vie et au flux lumineux annoncés. Lors du calcul théorique des performances il faut tenir compte d'une réduction de 10% des caractéristiques constructeur qui sont données pour un TJ de 25°C alors qu'en pratique TJ est au environ de 80-90°C. Un design non abouti (mauvaise régulation de courant/tension, mauvaise dissipation thermique) va dégrader fortement la durée de vie des LED et le flux lumineux produit, à l'inverse maintenir une température basse améliore notablement les performances.

Une LED détruite en circuit ouvert (toutes les LED montées en série sont éteintes) est symptomatique d'une dégradation thermique. Parfois il suffit de presser légèrement le dôme optique de la LED pour la voir fonctionner de nouveau (temporairement hélas).

alpheus procède à une mesure, originale et simple par son principe, pour évaluer la température de jonction effective des LED. Celle-ci est basée sur le relevé dynamique du flux lumineux (mesure Lumen ou PAR pour les bleues) et de la tension VF en fonction de la température. En effet la température agit sur la tension VF (puissance exploitée par la LED) et le flux lumineux produit. Il est pertinent d'effectuer deux mesures, une à froid (TJ=25°C) qui sert de référence, l'autre à chaud après un temps suffisant pour une stabilisation thermique (environ 1/2 heure). Cette seconde mesure permet de déterminer une fourchette haute et basse pour la température TJ. Voici à titre d'exemple un relevé PAR et le résultat du calcul alpheus effectué pour le mini-module 20W :

Design
I LED A
Mesure
PAR@25°C
Typique
VF Volts @25°C
Calcul
P Watts @25°C
Mesure
PAR @ Tmax
Evaluation
TJ max °C
Typique
VF Volts
@TJ max
Typique
P Watts
@TJ max
Evaluation
PAR Pmax
Evaluation
TJ min °C
0,70
1100,00
3,60
2,52
963,00
91,41
3,51
2,45
988,53
78,52

Dans cet exemple TJ maximale (pessimiste) est calculée à 91° car elle ne tient pas compte de la variation VF. VF est réduit de 2mV par ° la puissance est corrigée et permet d'évaluer le flux réellement émis par la LED et ainsi une correction de la première évaluation. Ceci donne un TJ minimale (optimiste) de 78°C. Pour une température ambiante maintenue stable à 25°. Si on ne conserve que l'hypothèse pessimiste, et pour ne pas dépasser la Température de jonction de 125°C (celle indiquée pour la durée de vie de 50 000H), l'air ambiant ne doit pas excéder 60°C. Par supplément de précaution alpheus ajoute une marge de sécurité et spécifie pour ses modules un température ambiante maximale de 50°C. Au delà il est nécessaire d'ajouter un extracteur d'air dans l'installation.

On peut également noter que la puissance effective après établissement de la température n'est que de 2,45 Watts, c'est cette puissance effective (pessimiste) qui sert de base pour indiquer les caractéristiques électriques et optiques des rampes alpheus alors que certaines notices indiquent une puissance 'théorique' de 3 Watts/LED dans les mêmes conditions et même 5W pour les modèles XP.

Nota : Les valeurs obtenues ne sont valables que pour le design 'mini-module 20W alpheus' et ne peuvent en aucun cas être appliqués à des design concurrents.

Dissipateur thermique LED alpheus

En revanche, la chaleur est conduite par le corps du dissipateur et les effets thermiques de l'éclairage à LED avec l'aquarium sont minimes. Le rayonnement thermique se fait sur la face opposée à celle de l'émission lumineuse. L'élévation de température de l'eau est ainsi bien moindre avec un éclairage LED qu'avec les solutions traditionnelles T5 ou HQI.

Glissement spectral

Pour les LED blanches, les écarts de spectre pour l'ensemble de la production sont modérés (de l'ordre de 10nm au maximum). C'est sensible du point de vue colorimétrie tout en restant très acceptable. Dans le cadre de notre application, la source lumineuse LED est parfaitement calibrée. Les LED blanches dérivent très progressivement vers le bleu par dégradation de leur couche de phosphore ce qui ne pose pas de réel problème.

La température de jonction de la LED joue également sur la longueur d'onde d'émission, cependant cette influence est minime. Pour une élévation de 100°C de TJ la longueur d'onde augmente de 5 nm (léger glissement vers le rouge). C'est-à-dire que le pic 'Royal blue' 450nm sera centré sur 455 nm. Cet effet n'est pas particulièrement significatif mais favorise l'utilisation de la 'Royal blue' 450nm en LED complémentaire de la 'cool white'.

Actualisation d'un article écrit par alpheus (JLC) pour le magazine en ligne nanoZine en aout 2006 au tout début des éclairages à LED.
Au moment du choix

Choisir un bon éclairage pour son aquarium récifal est une décision importante, surtout si on souhaite conserver des SPS (coraux durs à petits polypes). Avec la qualité de l'eau et le brassage il s'agit alors d'un des éléments clés de la réussite. Les éclairages à LED correctement dimensionnés et réalisés sont aptes à maintenir les invertébrés symbiotiques les plus délicats. La qualité à un cout mais l'investissement peut s'avérer rentable si on intègre le remplacement annuel des tubes et ampoules HQI, la consommation électrique et un éventuel groupe froid. Dans le cas d'un budget initial réduit il est préférable de s'en tenir au solutions classiques T5 ou T5/HQI bien conçues qui ont fait leurs preuves car les concessions sur la qualité ou la puissance sont en réalité le plus mauvais choix. Selon les critères les LED peuvent présenter un facteur qui peut être décisif lors du choix. N'hésitez pas à contacter alpheus qui vous apportera une aide à la décision et un conseil objectif.


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