Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1)

25/10/2017
Publication 3EI 3EI 2017-90
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2017-90:20645
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Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1)

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Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 46 Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) Arnaud Sivert*, Bruno Vacossin*, Franck Betin* *Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. 1. Introduction La transition énergétique demande une baisse de la consommation de l’énergie de 50% d’ici 2050. Depuis 2009, l’éclairage à LEDs aurait dû remplacer les lampes halogènes. Mais la faible fiabilité des éclairages à LEDs (SMD) et leurs prix plus importants n’ont pas provoqué l’adoption de cette technologie par de nombreux consommateurs. De plus, la variation de ces prix étant très étendue, cela ne facilite pas le choix lors de l’achat par le consommateur. En 2016, il y a eu une campagne en France de 5 ampoules LED SMD gratuites pour faire adhérer les consommateurs à ce produit [13] due à une décision prise lors de la COP21. En marketing, les facteurs qui conduisent à l’adoption d’un produit sont : les avantages relatifs, la compatibilité, la complexité ou la simplicité d’utilisation, la possibilité d'essai, la disponibilité, les actions publicitaires et le prix. Or le prix des lampes à LEDs SMD est multiplié par 10 à cause de l’électronique interne. En revanche, les lampes à LEDs peuvent réduire la consommation d’énergie par 10 par rapport à une lampe halogène et les LEDs ont une durée de vie 10 fois plus importantes. Par ailleurs, des magazines pour aider les consommateurs dans leur choix, font régulièrement des tests de durée de vie et des comparatifs de prix [2, 3]. Mais, les packagings changent régulièrement et le consommateur ne peut pas faire des choix guidés. L’étiquette européenne sur de l’éclairage, indique qu’il faut une valeur supérieure à 115 lm/W pour avoir la note A++, 85 lm/W pour A+ et 70 lm/W pour A. En 2015, l’électronique des lampes à LEDs a été simplifiée grâce aux LEDs COB ce qui a permis de réduire le coût de fabrication. Dans cet article, leurs alimentations seront étudiées pour pouvoir présenter leurs avantages et leurs inconvénients lors d’une exploitation pédagogique. Mais dans un premier temps, la caractéristique des Résumé : Les lampes à LEDs SMD (Surface Mounted Device) coûtent relativement chers par rapports aux halogènes à cause de l’électronique interne. En effet, le convertisseur interne doit diminuer la tension secteur de 230 V à des tensions inférieures à une dizaine de volts pour des courants demandés de l’ordre de 0.5 A à 1 A. Les lampes à LEDs consomment 10 fois moins d’énergies que les halogènes. Les LEDs seraient donc rentables grâce à un seuil de durée de vie plus élevé que celui des lampes halogènes. Les constructeurs des lampes à LEDs indiquent d’ailleurs la durée de vie de leurs produits pour justifier leur rentabilité et les vendre. Mais comment est déterminée cette durée de vie ? Depuis 2015, les LEDs filaments COB (Chip On Board, 28 LEDs en série, 80 V, 0.012 A, 1 W) ont permis de baisser le prix en utilisant une électronique simple (alimentation capacitive) pouvant être placée dans le culot de la lampe et permettant d’avoir un éclairage à 360°. Par conséquent, le coût de ces LEDs filaments COB est bien plus faible que leurs homologues SMD. De plus, ces LEDs en filament n’ont pas besoin de dissipateur de chaleur mais sont, en revanche, limitées à une certaine puissance pour un encombrement donné. Cet article répond à de nombreuses questions sur les LEDs filaments pour en faire une exploitation pédagogique : Quelles sont leurs caractéristiques et leurs modèles ? Quelle est leur puissance maximale dans un encombrement donné ? Quelles sont les types de convertisseurs permettant de les alimenter ? Peut-on améliorer le rendement de ces convertisseurs si le volume du culot le permet ? Est-ce que leur durée de vie ou leur fiabilité augmente grâce à leur électronique plus simple ? Quel doit être le nombre de LEDs ou de filaments en série pour avoir un rendement maximal ? Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 47 LEDs filaments et leur durée de vie en fonction de la température vont être présentées. 2. Caractéristiques des LEDs filaments Les filaments LEDs de 1 W à 0.5 € (28 LEDs sont en série sur un support de 4 cm). La tension de seuil est de 80 V à 15 mA avec une luminosité de 135 lm. Ces LEDs filaments ont un rayonnement à 270° et permettent d’avoir un éclairage à moitié direct et indirect en fonction du support. Certaines peuvent supporter jusqu'à 1.5W par filament. Ces LEDs filaments sont compatibles avec les éclairages à halogène. Les fabricants de filaments LEDs (Epistar, EngLED, Edison…) ne sont pas nombreux encore en 2016. En revanche, il y a de nombreux fabricants de lampes de grandes marques qui les utilisent (Osram, Dial, Philips, CosmosLED, Sylvania, Leedarson…) car le marché de l’éclairage est très important. La variation du courant de la LED est souvent présentée par l’équation suivante : Idforward = Iss. e Vd(θj).q k.kB.(θj+273) (1) Avec Iss courant de saturation inverse (10-5 , q charge d’électrons (1.36.10-19 ), kB constante de Boltzmann (1.38.10-23 ), J température de jonction (°C), k dépend du coefficient du semi-conducteur. L’évolution de la tension de seuil en fonction du courant et en fonction de la température corresponde aux figures suivantes : fig 1: Evolution de la tension de seuil en fonction du courant de la LED filament 1W à 25°C [6] fig 2: Variation de la tension de seuil en fonction de la température de la LED filament 1W [6] Ces filaments de LEDs sont recouverts de Ceriums phosphore qui atténue l’émission bleue que produit les LEDs blanches. La couleur de la lumière émise sera donc un blanc « chaud ». La durée de vie donnée par les constructeurs est de 50 kheures à une température ambiante de 65°C sachant que la LED est considérée défaillante pour une diminution du flux lumineux de 70% (norme IEC 62717) comme on peut l’observer sur la figure suivante. fig 3: Estimation de la diminution du flux lumineux en fonction du temps de fonctionnement et de la température avec limite à 70% [10] De nombreux modèles mathématiques dans la littérature [10] existent sur la durée de vie des LEDs. Le plus usité correspond à l’équation suivante : 100 .temps( h ) (%) e   (2) Le coefficient de la durée de vie  varie en fonction de la température. Les valeurs pour la courbe précédente peuvent être identifiées de façon simple par une fonction affine : 1 7 5 6 4 10 3 2 10 (h ) a T( C ) b . T .              (3) Un modèle polynomial de 3éme ordre de  aura évidemment une meilleure estimation que la fonction précédente. En effet, la durée de vie des LEDs est estimée avec des essais de 2000 h puis il y a une estimation pour connaitre leur durée de vie. La résistance thermique RTHJG des LEDs filaments est de 60°C/W. Par conséquent, en considérant qu’il n’y a pas d’interaction de chaleur en les LEDs, une augmentation de 60°C par filament sera provoquée pour 1 W nominal. Pour la lampe E27 « ballon », la résistance thermique RTHG.Amb entre le verre est la température ambiante est de 3.5°C/W. Le modèle thermique de l’ampoule est représenté sur la figure suivante : Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 48 fig 4:Modèle thermique d’une ampoule à LED 6 filaments Ce modèle permet de connaitre la température de jonction des LEDs. Exemple : Pour une température ambiante de 18°C, la température de jonction correspondra à l’équation suivante avec n le nombre de LEDs filaments : J JG GAmb amb T RTH P n P RTH T       (5) 60 1 6 1 3 5 18 99 J T ( C / W ) W W . ( C / W ) C           Sur la figure suivante, on peut observer la température du filament à l’air libre et celle de l’ampoule. fig 5: Mesure de la différence de température de LED filament pour une température ambiante de 18°C. Pour une lampe E14 « flamme », la résistance thermique RTHG.Amb est de 5.75°C/W. Donc dans un encombrement donné, plus il y aura de filaments de LEDs, plus la température sera importante et donc plus la durée de vie diminuera. Pour ampoule « bulle » E27, le nombre maximum de LEDs filaments 1W sera de 6 et pour une ampoule « flamme » seulement de 4 filaments. Le prix d’une lampe à LEDs filaments devrait être donné en fonction de sa puissance et donc en fonction du nombre de filaments. Le rapport puissance/prix ou lumen/prix devrait être constant. Cela n’est pas le cas pour les lampes halogènes : le prix d’une lampe de faible ou de grande puissance, n’est pas lié à la matière première. Le prix, dans ce cas, est sensiblement constant. Mais quelle est la rentabilité d’un éclairage à LEDs en fonction de son prix et de sa consommation d’énergie ? 3. Coût variable et rentabilité entre 2 éclairages (Total Cost of Ownership : TCO :) Le coût variable entre 2 éclairages différents correspond à l’équation suivante avec PF le prix de la fabrication, M la marge du vendeur et du constructeur, PW la puissance du produit, TJ le temps d’utilisation par jour, PE le prix de l’énergie électrique. Cout _Va(jours) PF M PW TJ PE Jours       (6) En France, le temps d'éclairage moyen chez les ménages est de 2 464 h par an, soit 6,7 h par jour. Chaque foyer possède en moyenne 25 points lumineux et consomme 450 kWh/an pour cet éclairage. Le prix de l’électricité en France est de 0.12 €/kW.h. Pour faire une comparaison du coût variable, une lampe 1300 lumens va être utilisée. Pour une LED de 10 Watt à 15€ et pour une lampe halogène de 100W à 1 €, le coût variable correspond à l’équation suivante pour l’éclairage à LEDs : 0.12 Cout _Va(jours) 15 10W 6.7h Jours 100 € € 0W.h      Sur la figure suivante, on peut observer qu’il faut 193 jours pour le seuil de rentabilité entre l’éclairage à LEDs et halogène malgré la différence de prix entre ces 2 technologies. fig 6: Coût variable entre un éclairage de 1300 lumen entre un halogène et un éclairage LED en 2016 Rappel pour un éclairage à 360°, donc isotrope, l’angle solide est de 4.π stéradians. La relation entre les lumens et les lux correspond à l’équation suivante et à la figure suivante 2 2 I(Cd ) (lm) E(lux ) distance( m ) 4 distance( m )       (8) Temps (heures) Prix et consommation halogéne Consommation et prix de la LED Seuil de rentabilité E27 6W utile 3P2S 806lm RTHJC TJ1 TAMB TG RTHGA Puissance (W) TJn TJ6 Nombre de filaments Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 49 fig 7: Relation entre les différentes unités pour un éclairage à 360°. Mais comment calculer le flux lumineux ou la puissance en Watt nécessaires pour une pièce d’une maison ? Suite à l’équation précédente, Pour avoir 125 lux (éclairement pour un couloir) à 1 m de la lampe, il faut 10 lumens. Mais à 2 m, il faudra 40 lumens, à 3 m 90 lumens et à 4 m 160 lumens. L’efficacité lumineuse des LEDs filaments ont un éclairement de 100 à 125 lumen/W nommé mathématiquement « lampe » dans l’équation suivante. Le nombre de lumens en fonction de la distance ne permet pas de déterminer la puissance qu’il faut pour la surface d’une pièce Le flux et la puissance correspondante sont plutôt définis par les équations suivantes : 2 (lm) E(lux ) Surface(m )    (9) 2 P(W ) E(lux ) Surface(m ) lampe     (lm/w) (10) Ainsi, pour les LEDs filaments il faut environ 1 W/m2 et pour un éclairage à halogène 10 W/m2 . Pour avoir 300 lux (cuisine, bureau), il faudra 3 fois plus de puissance par m2 . En éclairage direct (éclairage à 120°), il faut environ 2 fois moins de puissance mais il faut multiplier le nombre de points lumineux. Cela dépendra de la hauteur du plafond ainsi que de la hauteur de l’éclairage. Des logiciels de simulations existent (Relux, Calculux, DIALux…) avec des bases de données de différents fournisseurs de lampes. Pour valoriser certaines technologies d’éclairage, Il existe des sites web [5] et des applications qui déterminent le coût de la rentabilité. Or le consommateur ne sachant pas comment le calcul est effectué, cela ne permet d’avoir une confiance absolue et de faire un choix en toute confiance. Le prix d’un éclairage à LED va dépendre de la complexité de l’alimentation. Trois alimentations pour éclairage à LEDs vont être présentées et simulées pour démontrer leurs avantages et leurs inconvénients. 4. Alimentation redressée pour LEDs filaments Les LEDs filaments qui ont une tension de seuil de 80V peuvent utiliser tout simplement une alimentation redressée monophasée avec un pont de diodes double alternance surnommé PD2 [11] comme on peut l’observer sur le schéma électrique suivant. Le condensateur C1 permet de diminuer le taux d’ondulation. La résistance R2 permet de limiter le courant dans les LEDs filaments mais provoque aussi des pertes. fig 8: Alimentation redressée et filtrée pour lampe filament 4W 2P (parallèle) de 2S (série) Sans condensateur C1, on peut observer sur la figure suivante la tension et le courant LED qui présente une forte ondulation. Par conséquent, cela provoque une fluctuation à 100 Hz de la lumière. Or, l’œil humain ne perçoit pas cette fluctuation du scintillement à cause de sa persistance rétinienne qui est de 25 Hz. fig 9: Tension et courant sans condensateur 4 W Le courant max dans la LED peut être déterminé théoriquement par l’équation suivante : Tension aux bornes de R2 image du courant LED Tension en sortie du pont redresseur (V) 311V 180V/2200Ω=81mA (rad)=T(s)*π/10ms Temps (s) Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 50 F max 2 I (V 2 E ) / R   (11) Avec V, la tension efficace secteur, E la tension de seuil des LEDs en série, R2 la résistance de limitation de courant. Le courant moyen dans la LED correspond à l’équation suivante : F moy 2 2 I (V 2 cos E( )) R 2         (12) Avec l’angle  correspondant à l’angle pour lequel le courant commence à être passant ce qui correspond à l’équation suivante : Asin( E / V 2 )   (13) Remarque : une caractéristique importante des ponts redresseurs est l’ondulation relative du courant qui s’exprime de la manière suivante : ond F max F mini F moy (I I ) / I    (14) Normalement, il faut que IFmax ne soit pas trop grand par rapport au courant moyen sauf si la LED peut le supporter sans que sa durée de vie ne diminue. Quelle sera l’évolution de la résistance de limitation de courant et du facteur de puissance si la tension de seuil E augmente ? A partir des équations 12 et 13, la variation de la résistance de limitation de courant en fonction de la tension de seuil de la LED filament et pour une valeur de courant moyen donnée, correspond à la courbe suivante. On peut observer que plus E augmente, plus la résistance diminue et donc plus les pertes seront faibles. fig 10: Résistance en fonction de la tension seuil des LEDs séries et pour 2 courants moyens. Quelle sera la relation entre le courant efficace secteur et le courant moyen dans la LED ? Le courant efficace d’entrée correspond au courant efficace dans la LED ce qui correspond à l’équation suivante (15): 0.5 2 2 F eff 2 1 ( 2 )(V E ) 3VE 2 cos I R                 Le courant efficace est toujours plus grand que le courant moyen. D’ailleurs, on peut observer le rapport entre le courant moyen et le courant efficace en fonction de la tension E sur la figure suivante : fig 11: Rapport entre le courant moyen et le courant efficace en fonction de la tension de seuil Le pont de diodes provoque un facteur de puissance donc une puissance réactive qui correspond à l’équation suivante : F moy sortie entrée eff eff E I P (W ) Fp S (V.A) V I     (16) Le facteur de puissance est indépendant de la résistance de limitation à cause des rapports de courant. L’évolution du facteur de puissance en fonction de la tension E est représentée sur la figure suivante. fig 12: Facteur de puissance en fonction de la tension de seuil Par conséquent, pour ne pas avoir trop de perte dans la résistance de limitation de courant et un facteur de puissance honorable, la tension seuil E doit se situer entre 150 V et 200 V. Une autre caractéristique des ponts PD2 est le taux de distorsion harmonique qui rend compte de la Resistance R2 (Ω) Tension de seuil E (V) Pour IFmoy 35mA Pour IFmoy 15mA Facteur de puissance Tension de seuil E (V) Tension de seuil E (V) IFmoy / I LED RMS Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 51 pollution harmonique d’un signal. Il est caractérisé par l’équation suivante avec le courant efficace par rapport à la fondamentale qui est aussi appelé harmonique H1. entrée entrée entrée 2 2 0.5 eff eff H1 eff (I I ) THD I   (17) Avec H1 qui représente le courant d’harmonique 1. Plus le taux de distorsion est grand et plus il y aura des harmoniques qui peuvent provoquer des perturbations électromagnétiques. Mais étant donné que le courant est faible, les perturbations électromagnétiques dans l’installation électrique provoquée par une lampe LED seront faibles. Exemple : avec une tension secteur de 220 V avec une lampe de 2P de 2S (E=160V), une résistance R2 de 2200 Ω, alors les valeurs des équations précédentes seront : Asin( E / V 2 ) Asin(160 / 220 2 ) 0.54rad     , T=1.71ms, F max I 0.068A  , F moy I 0.029A  , avec un taux d’ondulation de 2.34. Est-ce que ce courant max peut être supporté par la LED sachant que l’on désire une valeur moyenne correspondant à un nombre de lumens ? Est-ce qu’il n’y aura pas une saturation de l’éclairement pour ce courant max ? Il n’y a pas d’informations dans les documentations constructeurs au sujet du courant maximum. Si l’on désire minimiser la fluctuation du courant dont le courant maximal par rapport au courant moyen désiré, une première solution est d’utiliser une inductance qui filtrera le courant. Cette inductance devrait être supérieure à 10 H. Cette valeur entrainerait un volume très important qui n’est possible d’installer dans le culot de la lampe. Une autre solution pour minimiser la fluctuation du courant est de placer un condensateur C1 pour filtrer la tension redressée. La valeur du condensateur C1 devra avoir une valeur supérieure à la valeur suivante avec dt égale à la période secteur divisée par 4 : 1 c Fmoy c dt 5ms C i (t ) I dU 220 2    (18) Pour un courant de moyen de 0.029A, il faudra une valeur de condensateur supérieure à 0.47F. D’ailleurs si l’on simule le montage avec un condensateur de 1F sur la figure suivante, on peut observer la fluctuation de tension dUC qui est divisée par 2. Le courant moyen augmente mais le courant max ne change pas. En effet, la tension filtrée va être proche de la tension maximale. Le courant moyen sera donc proche de la valeur maximale et il faudra augmenter la valeur de la résistance pour avoir le courant moyen désiré. Cette augmentation de résistance R2 entrainera une augmentation des pertes, donc une diminution du rendement. Malgré ceux-ci, l’éclairage aura une valeur quand même supérieure à 40 lm/W donc obtiendra la note A++. fig 13: Tension et courant (C1=1F) 4W 2P de 2S Le rendement de cette alimentation va dépendre des pertes dans la résistance R2 et correspondra à l’équation suivante (19) : utile utile resistance P P P    avec utile Fmoy 2 Resistance 2 Fmoy P E I P R I     Le tableau suivant fait un récapitulatif des performances d’une lampe à LEDs en fonction de sa puissance et du nombre en série de LEDs. On peut observer que le rendement va dépendre de l’écart entre la tension E et la tension maximum secteur car la différence est perdue dans la résistance. Il n’est pas possible de mettre 4 LEDs séries car la tension de seuil est supérieure à la tension d’alimentation maximale du secteur. Tableau 1 : Performance des différentes LEDs sans condensateur de filtrages sous 220V AC. Combinaison de filaments R2 (Ω) Puissance consommée Rendement 2 séries, 2 Watts 6300 3.1 W 0.66 % 3 séries, 3 Watts 2600 3.4 W 0.88 % 2 Séries 2 //, 4 W 3150 6 W 0.66 % Tension aux bornes de R2 image du courant LED Tension en sortie du pont redresseur (V) 311V 180V/2200Ω Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 52 Avec la tension redressée filtrée, on peut observer que sur le tableau suivant la résistance a augmenté alors le rendement diminue. Tableau 2 : Performance des différentes LEDs avec condensateur de filtrage sous 220 V AC. Combinaison R2 (Ω) Pconso Rendement 2 séries, 2 Watts 13.8k Ω 4.4 W 0.47% 3 séries, 3 Watts 7600 4.4W 0.70% Pour diminuer les pertes dans la résistance R2, une alimentation capacitive va être utilisée. 5. Alimentation capacitive redressée L’alimentation capacitive demande juste un condensateur C2 qui permet de diminuer la tension d’entrée du pont de diodes comme on peut l’observer sur le schéma électrique de figure suivante. En effet, le condensateur parfait n’a pas de pertes de puissance active. De plus, la puissance réactive capacitive permet de relever le facteur du réseau électrique. Cette tension en amont du pont redresseur étant plus faible, alors l’angle d’ouverture du courant est plus faible ce qui entraine un rapport courant max sur courant moyen plus important. A cause de la tolérance sur le condensateur C1 et sur les variateurs de la tension secteur, une résistance de limitation de courant LED R2 devra quand même utilisée. Par contre, cette résistance R2 sera bien plus faible que celle retenue pour l’alimentation redressée. La valeur de la capacité C2 est déterminée par l’équation suivante :   entrée RMS 2 0.5 2 2 secteur RMS redress RMS I C V V 2 50Hz       (20) fig 14: Alimentation capacitive pour 2 LEDs filament 4W 2P (parallèle) de 2S (série) La tension redressée RMS doit être déterminée en fonction de la résistance R2 (inférieure à 100 Ω) et le courant moyen désiré. Exemple : pour une tension LED de 160 V, courant moyen de 31 mA, R2 à 100 Ω, à partir de l’équation (12), il faudra une tension redressée RMS de 125 V et un angle =1.13 rad. A partir de l’équation (15), le courant efficace traversant le condensateur sera de 65 mA et il faudra un condensateur C2 de 1.1 F pour une tension secteur de 220 V. On peut observer que la tension redressée est plus faible que la valeur précédente, donc la résistance de limitation de courant sera plus faible et il y aura moins de perte. fig 15: Alimentation capacitive pour LED filament 4W avec condensateur C2 de 1 µF sans C2. Le courant moyen dans la LED correspondra à l’équation suivante (21) : F F RMS F led 2 2 I 1 I V 2 2 / V 2 F C R                        Donc RMS F led F 2 2 2 (V 2 2 / V ) I moy R (1 / F C )          (22) Etant donné que R2 est négligeable devant l’impédance du condensateur alors le courant dans la LED sera proportionnel à la valeur du condensateur C2. Exemple : avec une tension secteur de 220 V et 2 LEDs série, avec un condensateur de C2 1 F alors le courant moyen sera de 17 mA. Mais avec le courant max théorique du 81mA que l’on peut observer sur la figure précédente : L’angle d’ouverture du courant est plus faible que pour le redressement non filtré mais il n’y a pas d’effet de papillonnement de l’éclairage à 100 Hz Comme pour l’alimentation redressée, un condensateur de filtrage peut être mis pour minimiser l’ondulation du courant. Avec un condensateur C1 de 10 µF, l’ondulation est de 50 mA pour courant moyen de 27 mA. Avec un condensateur C1 de 47 uF, l’ondulation passe à 14 mA pour un courant moyen Tension en sortie du pont redresseur (V) Tension aux bornes de R2 image du courant LED 180V 0.09A IFmoy=18mA Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 53 de 27 mA comme on peut l’observer sur les 2 figures suivantes. On peut observer aussi que la tension en sortie du redresseur est relativement faible. Le condensateur « film polyester » C2 devra supporter la tension secteur et doit donc être de classe X2 150 V alternatifs norme IEC664 [7] donc moins encombrant que le condensateur C1 qui doit supporter 250 V. Les condensateurs de classe X ne doivent pas au cours d’un mode de défaillance provoquer de court-circuit. fig 16: Alimentation capacitive pour LED filament 4 W avec condensateur C1 de 47 µF, IFmoy=18 mA Une résistance R3 très grande (470kΩ) permet de décharger le Condensateur C2 lorsque l’alimentation est arrêtée. En effet sans cette résistance, si une personne manipule les fils électriques le condensateur se déchargera dans l’impédance de la personne (environ 1500 Ω). Il existe des circuits intégrés tel que le MAX 610 qui réalise des alimentations très faibles puissances en utilisant une capacité C2 série et qui régule le courant. La capacité d’entrée C2 ont un volume important. Mais, ils peuvent est installé dans un culot E14 ou un culot E27 comme on peut l’observer sur la photo suivante sans gêner l’éclairage à 360°. fig 17: Alimentation dans un culot E27 et E14 Si l’alimentation des LEDs filaments est à l’intérieur du culot, ce n’est pas le cas pour les alimentations de LED SMD. Car ces LEDs ont besoins de plus de composants comme nous allons le presenté. 6. Alimentation lampe à LEDs SMD Les LEDs SMD ont des puissances plus importantes que les filaments de LEDs. D’ailleurs, les LEDs SMD ont une tension de seuil de 3 V avec des courants de 0.3 À 1 A. Exemple pour une lampe de 5 W, 5 LEDs série SMD, une tension de 15 V et un courant de 0.33 A doivent être utilisés. Si l’on utilisait l’alimentation redressée de la figure 7, le rendement serait seulement de 7%, avec une résistance de limitation de 523Ω/64W ce qui serait idiot. Par conséquent, un hacheur doit fortement baisser la tension secteur et réguler le courant comme on peut l’observer sur la figure suivante : fig 18: Alimentation de 5 LEDs SMD, convertisseur basse tension 220V/15V, 0.35 A [8] Le flux lumineux est indépendant de la fluctuation de la tension secteur car le courant dans la LED est régulé. Cependant, la complexité du circuit augmente le coût de l’éclairage. De plus, cette complexité diminue la durée de vie et la fiabilité. Mais comment calculer la durée de vie de l’électronique ? Tension aux bornes de R2 image du courant LED Tension en sortie du pont redresseur (V) E27 6W E14 3.3W 180V 0.031A Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 54 7. Durée de vie de l’électronique Le condensateur est considéré comme le maillon le plus faible pour la durée de fonctionnement de l’électronique. Les condensateurs électrolytiques (1 F à 1000 F de 16 V à 500 V) sont polarisés donc sont pour le filtrage de la tension en sortie du redresseur C1. Mais leur durée de vie est faible par rapport aux condensateurs film. De plus, il ne faut surtout pas que la tension maximum des électrolytiques soit dépassée. Pour une alimentation capacitive non polarisée, la technologie du condensateur film est donc plus appropriée (100 pF à 1 F pour 63V à 1 kV) La durée de vie des condensateurs diminue en fonction de la température et de la tension en fonction de l’équation suivante [8] (23) : ref max 0 0 0 0 T Tc U Uc T U T U T U Lyfecapa Lo e Lo e             Avec Lo, la durée de vie (environ 5 kh à 100 kh à la température de référence de 25°C et pour la tension max). Tc est la température de fonctionnement du condensateur et Uc la tension d’utilisation. To (14 à 25°C) et Uo (200 à 64) sont les constantes de la durée de vie du condensateur film qui vont dépendre des techniques de fabrications et donc du constructeur. Le choix d’une énergie volumique plus élevée avec des champs électriques plus élevés entrainera une dégradation plus accélérée du condensateur. Sur la figure suivante, la durée de vie peut être observée pour une tension de 150 V. La durée de vie est de 6000 h à 50°C. Elle est donc supérieure à celle des LEDs. fig 19: Durée de vie d’un condensateur film pour une durée de vie de 50 kh à 25°C avec Umax 160 V. Le courant d'ondulation (ripple current) crée de l'effet Joule dans le condensateur ce qui le conduit à s'échauffer. En effet, le condensateur a son propre échauffement correspondant à l’équation suivante : 2 RMS TH Tc I ESR R Tamb     (24) Avec RTH résistance thermique du condensateur et ESR la résistance série équivalente du condensateur correspondant théoriquement à l’équation suivante avec φ angle de perte du condensateur : ESR tan / (C )     (25) Exemple pour un condensateur de filtrage de l’alimentation redressée précédente de 1 F, les données constructeurs donnent des valeurs à 100 Hz de ESR de 10 mΩ pour une taille 6054 (15x13.5mm) pour une tension max de 250 V [8]. La puissance perdue dans le condensateur avec une ondulation de 150 V correspondra donc à l’équation suivante : 2 RMS Pertejoule ESR (C U )      (25) 6 2 joule Perte 0.01 (1 10 2 100Hz (150V ) ) 40 W            Cette puissance est négligeable puisqu’un boitier CMS (2010) peut dissiper 0.5 W à 80°C. Après avoir déterminé la durée de vie de l’alimentation capacitive, quelle est la fiabilité des éclairages à LED ? 8. Fiabilité, durée de vie, norme Il ne faut pas confondre, en général, fiabilité et durée de vie d’un produit. En effet, la fiabilité est selon la norme EN 13306, l’aptitude d’un bien à accomplir une fonction requise, dans des conditions données, durant un intervalle de temps donné. Plus simplement, la fiabilité est l’aptitude du produit à être le moins possible défaillant avec une étude statistique. Pour un produit comme une ampoule qui n’est généralement pas réparable, la fiabilité et la durée de vie peuvent être rapprochées (même tendance) sans être confondues. Les études de fiabilité donnent le temps moyen entre deux défaillances (MTBF : Mean Time Between Failures). Les fabricants de lampes ne donnent pas le taux de défaillance de leurs éclairages. Mais, il peut être déduit facilement de la MTBF (taux de défaillance = 1/MTBF). Tension AC Uc (V) Durée de vie (heure) à 50°C à 25°C Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 55 Le taux de défaillance pourrait aussi être estimé en prenant en compte le nombre de retours de garantie et le nombre de produits traités en recyclage mais il faudrait alors connaitre le temps d’utilisation. Ce type d’expérimentation pourrait aussi se faire par échantillonnage avec une clientèle associée aux essais. De toute manière, les modifications de fabrication sont tellement fréquentes que la fiabilité est malheureusement mal prise en compte dans le matériel d’éclairage. Si nous avons pu estimer la durée de vie en fonction du matériel électrique dans cet article. La fiabilité d’une lampe peut être faible comme, par exemple, juste à cause d’un silicone de mauvaise qualité ne supportant pas une chaleur de 80°C. La qualité de construction est donc un facteur très important en ce qui concerne la fiabilité. Les industrielles peuvent se rassembler pour créer une norme et améliore la qualité d’un produit. Ainsi, un label de certifications a vu le jour tel que ENEC+. Mais elles ne sont pas connues du grand public [1]. La grande distribution, quant à elle, vend de l’éclairage sous son nom d’enseigne et n’a généralement pas de certification produit. 9. Tests et Exploitations Pédagogiques. Les lampes à LEDs filaments sont des produits qui permettent de montrer l’utilité des ponts redresseurs monophasés et de faire un bilan de puissance de d’un convertisseur à moindre coût. La difficulté reste la mesure des courants faibles avec des pinces Ampères-métriques qui ne sont pas prévus pour cela. Par conséquent, 50 spires ont été réalisées pour mesurer les courants avec des pinces watt-métrique de mesure. La réalisation de petits boitiers avec câble double puits a permis de s’affranchir des problèmes de sécurité liés à la tension secteur. Pour vérifier le modèle théorique, nous allons montrer, par quelques courbes obtenues avec un oscilloscope, la validité des résultats expérimentaux pour une lampe 3P2S Sur la figure suivante, on peut observer le courant dans la LED ainsi que la tension fig 20: Courant LED et tension en sortie du redresseur sans Filtrage R2=2350 Ω . L’angle ou le courant LED correspondent bien à la valeur suivante Asin(160 / 230 2 ) 0.51rad    Le courant moyen mesuré est de 29.5 mA avec un courant max de 65 mA. Une étude de la CEM peut être effectuée assez facilement en Travaux Pratique. En effet, une étude en 2011 disait qu’une ampoule à LED sur trois ne respectait pas la norme CEM en vigueur, norme 2004/108/EC [12]. On peut observer la FFT (Fast Fourier Transform) du courant dans la LED. L’harmonique du courant 1 est bien à la fréquence de 100 Hz avec 21dB, sachant que la référence de l’oscilloscope est réglée pour une amplitude de 0.707 V. fig 21: Mesure de la FFT du courant LED pour l’alimentation redressée. Avec le condensateur C1 de filtrage de 1 F, Le courant moyen a augmenté à 35 mA mais le courant max reste à 65 mA. Comme prévue si l’on filtre plus, il faudra utiliser une plus grande valeur de résistance qui entrainera des pertes. Tension secteur redressée CH2 Courant LED*2350Ω CH1 0dB 21dB 312V 0.065A Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 56 fig 22: Courant LED et tension en sortie du redresseur C1=1F R2=2350Ω Sur la figure suivante, le courant moyen est toujours de 37 mA mais avec une valeur max de 138 mA car l’angle d’ouverture des diodes a diminué sans que cela ne provoque de problème. Par contre, grâce à la capacité C2, la résistance R2 a fortement diminuée et sa valeur est passée à 100 Ω. fig 23: Courant LED et tension en sortie du redresseur pour l’alimentation capacitive avec C2=1.1µF et R2=100Ω avec Vsecteur de 230V. On peut observer le bilan de puissance pour les 2 alimentations précédentes. On peut remarquer que le rendement est bien meilleur pour l’alimentation capacitive. Tableau 3 : performance de LEDs 6 leds filaments avec 3 Séries et 3 parallèles convertisseur R2 (Ω) Capacitor URMS secteur (V) IRMS secteur (I) Power secteur (W) Factor Power U redressé RMS (V) I redresse RMS (A) Tension LED average I LED average (A) Power LED (W) Rendement (%) Alimentation redressée 2350 Ω C1=--F 223V 40mA 8 W 0.94 222V 38mA 128V 27mA 4.24 W 53% Alimentation redressée 2350 Ω C1=1F 210V 51.6mA 8 W 0.77 capa 226V 36mA 152V 31mA 4.52 W 56% Alimentation capacitive 100 Ω C1=1.1F 240V 66mA 8 W 0.55 capa 152V 63mA 151V 42mA 7.2W 90% Quelle est la sensibilité de l’éclairage LEDs filaments en fonction des variations de la tension d’alimentation, du courant ? En effet, la tension EDF peut varier de 207 V à 253 V donc de 10% autour de 230 V. Sur la figure suivante, on peut comparer l’évolution du courant moyen dans la LED en fonction de la variation de la tension pour l’alimentation capacitive et redressée avec une puissance absorbée de 8W pour 230V. L’alimentation capacitive est petit moins sensible et à une variation de la tension qui est de 3.25mA/V. En fonction de la tension, la puissance utile de la LED pour l’alimentation capacitive varie de 4.76W à 7W (56mW/V) alors que pour l’alimentation redressée est 3.4W à 5.46W (51mW/V). fig 24: Variation du courant dans la LED en fonction de la tension secteur. De plus, la mesure de l’éclairage au luxmètre à 30 cm a été effectuée pour observer l’influence du courant sur l’éclairage. Sur la figure suivante, on peut observer que le flux lumineux correspond bien à l’équation théorique suivant provenant de l’équation (8) avec k (200 lm/W) correspondant à l’efficacité énergétique de la LED. Fmoy 2 E I E(lux ) k distance 4      (26) Tension secteur redressée et filtrée Courant LED*2350Ω Tension secteur redressée 0.047A moy 300V 0.06A Courant DC LED (A) Courant avec alimentation capacitive R=100 Ω et C=1.1µF courant avec alimentation redresée R=2350Ω Tension secteur (V) Courant LED*100Ω 0.114A 178V Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 57 fig 25: Variation de l’éclairement en fonction du courant moyen dans la LED à 30cm. Pour caractériser l’éclairage, une mesure avec le luxmètre en fonction de la distance a été effectuée entre 0.1 et 2 m correspondant à l’éclairement d’une pièce pour une puissance consommée de 8 W avec l’alimentation redressée (4.4 W utile) et capacitive (6.84 W utile). Sur la figure suivante, on peut aussi observer que la tendance de l’équation (8) est bien vérifiée mais avec un nombre de lumens de 1700 (248lm/w) pour l’alimentation capacitive et de 942 lumen (214lm/w) pour l’alimentation redressée à la place de 150 lumen/W théorique. fig 26: Lux en fonction de la distance pour 230 V pour un éclairage 3S2P et les 2 alimentations. Un smartphone peut être utilisé comme luxmètre. Une étude de différentes applications sur de nombreux smartphones a été effectuée et publiée [15]. L’exploitation pédagogique de la variation de la lumière peut être effectuée avec un gradateur [14] à angle de phases. En effet, un autre avantage des LEDs filaments, est de pouvoir faire varier leur puissance lumineuse avec le montage simple d’un gradateur monophasé. En revanche, les LEDs filaments utilisant une alimentation capacitive ne fonctionneront pas avec le gradateur alors que celles utilisant une alimentation redressée fonctionnera parfaitement. Les éclairages à LEDs SMD qui ont un régulateur interne ne peuvent pas avoir une variation d’éclairement. Par contre, elles peuvent fonctionner sur une plage de tension secteur allant de 100 V à 250 V. 10. Conclusions Cet article a présenté l’exploitation pédagogique de LEDs filaments pour étudier leurs caractéristiques mais aussi de redresseurs pour pouvoir faire un bilan de puissance de ces éclairages. Cette étude a prouvé qu’il était possible d’améliorer le rendement de ce type de lampes avec quelques composants supplémentaires qui seraient vite rentabilisés par la diminution du coût énergétique. Par ailleurs l’article montre comment déterminer un seuil de rentabilité en fonction de la durée de vie de l’éclairage à LED. Dans les essais effectués, nous avons mis un compteur de fonctionnement ??? pour savoir si la durée de vie allait diminuer en fonction du courant max et des caractéristiques de l’alimentation capacitive. 300 heures de tests sur des LEDs filaments ont été effectuées sans voir d’effets sur l’éclairement. Cette étude a été réalisée par 2 étudiants d’IUT au semestre 3 en Travaux de Réalisation (40 heures) à partir d’un cahier des charges. Le plus dure pour les étudiants est de choisir une bonne méthodologie d’essais et de créer des tableaux adaptés pour obtenir des conclusions exploitables. La création et la validation du modèle Spice de la LED pour ISIS a été problématique à cause de l’absence de bases mathématiques des étudiants. Cependant, malgré des difficultés, la mise en équations a permis de connaitre le bon compromis pour le choix de la tension E et donc le calcul du nombre de LEDs à mettre en série. La simulation a permis aux étudiants de comprendre le fonctionnement d’une alimentation capacitive. Une autre difficulté est la maitrise de la technologie des condensateurs et des LEDs. Une autre embuche qui peut se présenter aux étudiants, est de privilégier la recherche d’informations sur internet au sujet des redresseurs au lieu de prendre du temps pour de démontrer les équations. distance (m) Eclairement avec alimentation capacitive Eclairement avec alimentation redressée Eclairement théorique Eclairement (lux) Eclairement (lux) Courant DC LED (A) Courant avec alimentation capacitive R=100 Ωet C=1.1µF Eclairement avec alimentation redressée Eclairement théorique equation (26) Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 58 Pour finir, une question d’ordre sociétale se présente : Est-ce que l’éclairage à LED permettra réellement d’économiser de l’énergie ? Ce n’est pas si sûr : car si l’éclairage à LED a une consommation plus faible que les lampes halogènes. L’appétit humain de consommation d’éclairage sera peut-être sans frein. En conséquence, la « production de lumens » devrait continuer à s’accroitre dans le futur et la consommation de l’éclairage dépendra surtout de l’évolution du coût de l’énergie électrique en fonction du coût de la vie. 11. Références [1] Organisme de certification LED http://www.lcie.fr/1069-europeenne/marque-enec-.html [2] Magazine « Que choisir » octobre 2016 et de Mai 2014 https://www.quechoisir.org/comparatif-ampoules-LED- n22469/ http://velorizontal.bbfr.net/t16874p175-eclairage-a-del- pour-velo-LED-light-for-bike-light-electro-diode [3] Magazine « 60 millions de consommateurs» N°22 janvier 2017, Lampes basse consommation janvier 2010 http://www.60millions-mag.com/kiosque/les-lampes-qu-il-vous-faut [4] http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/ jun/abcs-of-LED-thermal-management [5] http://www.megaman.fr/tableau-de-rentabilite-declairage.html [6] http://www.edison-opto.com/files/doc/Edison%20Opto_Filament%2068V_Eng_V2.pdf http://www.edison-opto.com.tw/files/product/2014102116512456.pdf [7] http://www.farnell.com/datasheets/1674204.pdf?_ga=1.1347057 18.655824972.1486237744 http://www.vishay.com/capacitors/film/rfi-xy/ [8] http://ele-tech.com/html/powerintlnk457dg7wb10LED-light- power-scheme-der324.html [9] Maawad MAKDESSI thèse « Modélisation, vieillissement et surveillance de l’état de santé des condensateurs films utilisés dans des applications avioniques » 04/2014 UNIVERSITE DE LYON https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01058227/document [10] M. Yazdan Mehr, “Accelerated life time testing and optical degradation of remote phosphor plates” journal Microelectronics Reliability 02/2014 http://www.LEDsmagazine.com/articles/2012/11/the-elusive-life-of-LEDs-how-tm-21-contributes-to-the-solution-magazine.html http://www.climateactionprogramme.org/images/uploads/documents/Philips_Understanding-Power-LED-Lifetime-Analysis.pdf [11] Cours sur les redresseurs http://geii.iut-nimes.fr/sites/default/files/u60/conversion_AC_DC_facteur_puissance_0.pdf [12] Cours CEM (Compatibilité electromagnétique) http://perso.crans.org/gherault/Cours/CEM/Cours_DEA_Complet.pdf [13] https://www.mesampoulesgratuites.fr/ [14] http://sitelec.org/cours/abati/flash/gradateur_mono.htm http://pedagogie.ac-toulouse.fr/BTS_electrotechnique-tarbes/download/GRADATEUR.pdf [15] Etude luxemetre pour differentes applications et smarthphnones http://velorizontal.bbfr.net/t16874-eclairage-a-del-pour-velo-LED-light-for-bike-light-electro-diode Lampe LEDs filament : alimentation, durée de vie, éclairage (Partie 1) La Revue 3EI n°90 Octobre 2017 Hors Thème 59 Evaluation rapide 45minutes 1) Quelles sont les caractéristiques de leds filaments étudiés ? nombre de leds série : puissance nominale, tension de seuil : courant nominale : lumen nominal lux à 30 cm température nominale température max Durée de vie : 2) Pourquoi faut-il au minimum un redresseur et une résistance pour alimenter des leds filaments à partir de la tension secteur alternatif 230V AC 50Hz ? 3) Dessiner le chronogramme de la tension et du courant en fonction du temps pour 2 led série qui ont une tension de seuil de 65V (une résistance de 2350Ω) alimenté par la tension secteur. 4) Déterminer le courant max et l’angle d’ouverture  ou la led va devenir passant (une résistance de 2350Ω). 5) Déterminer le courant moyen à partir de l’équation suivante : F moy 2 2 I (V 2 cos E( )) R 2         = 6) Calculer les pertes dans la résistance 7) Calculer le rendement électrique de cette lampe Que peut ont faire pour améliorer ce rendement ? 8) Dessiner le chronogramme et la tension et du courant en fonction du temps de 2 leds séries alimenter par un gradateur qui a un angle 9) Quel est le problème de l’angle d’ouverture de la diode sur l’émission de la lumière ? Que peut ont faire pour minimiser ce problème ? 10) Pour une température ambiante de 20°C, Calculer la température de jonction de chaque 4 led filaments traverser par une puissance de 1W qui ont 60°C/W avec une résistance thermique de 3.5°C/W entre les leds filament et l’ampoule Comment mesure-t-on cette température de jonction ?