Eclairage, Grandeurs Photométriques, Sources ...

Les grandeurs photométriques

Les phénomènes lumineux sont objectivement mesurables et quantifiables par le biais des grandeurs photométriques. Les principales grandeurs utiles pour un projet d’éclairage sont :

Le flux lumineux

Le flux lumineux représente la quantité d’énergie émise par unité de temps. Le flux lumineux est l’une des caractéristiques des sources lumineuses données par les fabricants.

Efficacité Lumineuse

L'efficacité lumineuse d’une source est le rapport entre le flux lumineux $\phi$ émis par cette source et la puissance électrique P absorbée par la source.

L"efficacité lumineuse $\eta$ vaut par définition : $$\boxed{\eta=\frac{\phi}{P}}$$

Unité : le lumen/Watt [lm/W]

Quelques exemples :

Si l'on utilise une LED à 150lm/W, on va consommer 10x moins d'électricité qu'avec une halogène à 15lm/W à flux équivalent.

La course au lm/W ne fait pas tout, quid de la qualité de la lumière, de la durée de vie, ... ?

L’éclairement

L’éclairement désigne le flux reçu par unité de surface.

L’éclairement se mesure avec un luxmètre. C’est un appareil muni d’une cellule photoélectrique (qui transforme l’énergie de rayonnement en énergie électrique). Un filtre restitue une courbe de réponse identique à celle de l’œil humain. La surface de la cellule doit en outre être revêtue d’un filtre diffusant qui joue le rôle de correcteur d’incidence.

Exemples d’éclairement

Quelques ordres de grandeur

L’intensité lumineuse

L’intensité lumineuse est égale au flux lumineux émis par unité d’angle solide dans une direction donnée, perçue par l'œil humain. Elle est notée I.

La luminance

La luminance d’un objet ou d’une source caractérise l’intensité lumineuse émise par un élément de surface dans une direction donnée, rapportée à la surface apparente de cet élément relative à cette direction. La luminance est la seule grandeur photométrique perçue par l’œil humain. Elle correspond à la sensation visuelle de luminosité causée par la surface des objets présents dans le champ visuel (objets éclairés).

Exemple: un écran de PC entrée de gamme Luminance = 250cd/m², haut de gamme = 600cd/m²

Température de couleur d’une source (TC)

C’est Lord Kelvin qui a eu l’idée de comparer les variations de couleur de la lumière du jour avec celles d’un corps non coloré (le corps noir) que l’on chauffe à haute température et qui passe successivement du rouge, au jaune, au blanc et enfin au bleu. Il propose ainsi une comparaison commode pour caractériser les illuminants naturels ou artificiels.

Un température de couleur correspond à une couleur (teinte).

Quelques gamme standard de température de couleur pour les sources lumineuses :

La température de couleur est importante pour le cycle biologique de l'humain :

Certains luminaires Led émulent les cycles lever-midi-coucher du soleil en effectuant une gradation continue de la température de couleur.

Indice de rendu des couleurs : IRC

L'Indice de Rendu des Couleurs (à ne pas confondre avec la température de couleur) définit l’aptitude d’une source à nous faire distinguer toutes les couleurs. La valeur maximale d’IRC est 100. La lumière du jour a un IRC de 100. Les source LED grand public ont un IRC de 80, les haut de gamme ont un IRC de 90.

IRC Qualité de rendu des couleurs
IRC > 90 Excellent
80 < IRC < 90 Agréable
60 < IRC < 80 Médiocre
40 < IRC < 60 Très médiocre

Origine de l'IRC

La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l’œil humain, c’est-à-dire comprises dans des longueurs d’onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge).

Couleur Limites (nm)
Ultra Violet < 380
Violet Foncé 380 - 420
Violet 420 - 440
Bleu 440 - 460
Bleu-vert 460 - 510
Vert 510 - 560
Jaune 560 - 610
Orange 610 - 660
Rouge 660 - 780
Infra-Rouge > 780

Une source de lumière artificielle doit être capable de reproduire le spectre de lumière visible, l'intégralité de la gamme des longueurs d'onde ainsi qu'une certaine homogéneité dans l'amplitude du spectre.

Source LED

Depuis 2012, les sources Leds remplacent progressivement les sources halogène, fluorescentes et sodium, aussi bien pour l'éclairage tertiaire qu'urbain. Les Leds ont rapidement dépassé l'efficacité lumineuse des sources fluorescentes, puis sodium, permettant des réductions de consommation énergétique, couplé à une excellente durée de vie.

Évolution de l'efficacité lumineuse

Avantages

Inconvénients

Spectre de la LED pour $\neq$ IRC

Pour le spectre de cette LED, on remarque une forte composante de Bleu au détriment des composantes spectrales associées à la sensibilité de l'oeil. Cette source LED low-cost possède un IRC compris entre 70 et 80 ce qui est passable.

Pour le spectre de cette LED, la composante spectrale de Bleu est diminuée au profit des composantes spectrales associées à la sensibilité de l'oeil. Cette source LED possède un IRC supérieur à 90 ce qui est très bonne qualité.

Les Sources LED avec un IRC faible ont souvent la meilleure efficacité énergétique,

Ellipse de McAdam et SDCM

Les caractéristiques de production des LED sont très variables et nécessitent donc un tri spécifique appelé binning, pour assurer l’homogénéité du flux mais également générer des couleurs suffisamment proches.

Le concept d’ellipse de McAdam, permet de définir des espaces colorimétriques d’un même aspect dans le diagramme CIE.

Définition

Ellipse de McAdam : zone du diagramme de chromaticité CIE 1931 en forme d’ellipse où la couleur située au centre de l’ellipse ne peut être distinguée de toutes les autres couleurs contenues dans l’ellipse (zone de confusion colorimétrique visuelle). La taille de l’ellipse permet de déterminer la zone dans laquelle une couleur peut varier, soit à l’état initial, soit à maintenir : plus la taille est faible, plus étroite sera la tolérance chromatique.

Le SDCM (Standard Deviation Colour Matching) permet de caractériser la taille de l’ellipse de McAdam.

Durée de vie des LED

Bien qu’elle émettre peu d’infrarouge comparé à une lampe halogène, la Led chauffe et il est nécessaire d’assurer une bonne dissipation thermique si l’on souhaite atteindre une durée de vie > 10 000h.

Une codification est utilisée de manière classique pour exprimer la durée de vie : en effet, comme toutes les sources, le flux lumineux d’un module LED diminue tout au long de sa durée de vie.

Quelques paramètres (pour une durée de vie donnée) :

Un module LED pourra donc être caractérisé avec un tableau reprenant par exemple les valeurs des L90F10, L90F50, L80F10, L80F50, L70F10 et L70F50 en fonction des conditions de température Tp (température de performance) mesurée au point Tc (température critique) positionné par le fabricant des LED sur le module :

Un standard efficace a vu le jour pour résumer les caractéristiques photométriques d’une source :

Alimentations LED

Pour alimenter les LEDs en tension continue, il est nécessaire dans le cas d’un réseau monophasé de placer une alimentation (driver) entre la source LED et le réseau électrique.

Driver LED

Important : Le flux lumineux d’une LED est proportionnel au COURANT !

Il existe deux familles de driver :

Dans ces driver, il existe des sous familles :

Quels sont les paramètres à vérifier :

Alimentation source de tension / source de courant

Alimentation source de courant

Une alimentation source de courant permet de maintenir un courant constant dans la charge quel que soit la tension vue aux bornes de la source (dans un certain interval) Une modulation PWM permet de régler la valeur du courant fourni à la LED.

Le driver LED ci-dessus permet de générer du courant jusqu'au courant max de réglage de 400mA pour une puissance de 10W.

Différents réglage de courant max sont possible :

Association avec une source LED

On souhaite associer le driver de courant avec la source LED dont les caractéristiques sont les suivantes:

Le driver est il adapté ?

Réponse

Caractéristiques de la source de courant

Le facteur de puissance dépend de la charge et augmente avec celle-ci.

Le rendement du driver dépend de la charge et augmente avec celle-ci.

Remarques

Il est de choisir l’alimentation (driver) adaptée à la source LED que vous souhaitez piloter. Si vous restez chez un même fabricant pour les sources LEDs et l'alimentation, les préconisations sont données dans la documentation. Si vous faites du mixage, il est nécessaire de vérifier la compatibilité des caractéristiques électriques entre l'alimentation et la source LED.


Revision #2
Created 5 July 2023 15:21:44 by Philippe Celka
Updated 5 July 2023 15:40:05 by Philippe Celka