Introduction

Avez-vous déjà rencontré une situation où, au sein d’un même lot de luminaires, différents échantillons présentent des différences significatives au niveau de paramètres tels que l’efficacité lumineuse, la température de couleur et la puissance ? Bien que ces différences existent objectivement, nous devons les maîtriser strictement ; à défaut, le produit est considéré comme non conforme. Par exemple, si la température de couleur des lampes industrielles UFO installées dans la même usine varie excessivement, les utilisateurs percevront ces différences, ce qui nuira à leur expérience. De même, si l’efficacité lumineuse et la puissance des lampadaires diffèrent significativement, le flux lumineux total émis variera inévitablement de manière considérable, ce qui entraînera un éclairage inégal (Comment améliorer un éclairage inégal ?) de la surface de la route et affectera la sécurité de la conduite. En tant que professionnels du secteur, nous devons comprendre l’origine de ces différences, et le binning des LED en est une cause majeure. Par conséquent, un tri précis des LED est une étape cruciale pour réduire les différences liées à la source lumineuse. Cet article se concentrera sur la définition du binning des LED, ses avantages, les paramètres clés sur lesquels il repose et la méthode de test efficace. Plongeons-nous dans le texte pour en savoir plus.

Qu’est-ce que le binning des LED ?

Le binning des LED est une méthode de gestion et de classification des puces LED basée sur des paramètres clés tels que la température de couleur, le flux lumineux et la tension directe. Cette méthode consiste à mesurer précisément les LED et à les répartir en plusieurs sous-niveaux (classes). Par exemple, le binning des LED selon leur température de couleur corrélée (CCT) permet de réduire considérablement les différences de couleur entre différentes puces ou lampes finies, garantissant ainsi une homogénéité chromatique. En matière de tri des couleurs, l’industrie se réfère généralement à la norme ANSI C78.377 pour la détection et le filtrage des coordonnées colorimétriques des LED. Cette norme est basée sur la théorie de l’ellipse de MacAdam, et les exigences courantes incluent le contrôle des différences de couleur à 4 ou 7 niveaux afin de garantir que les différences de couleur entre les puces LED soient imperceptibles à l’œil nu. Bien entendu, outre les normes industrielles, chaque fabricant de LED peut également développer ses propres normes de tri internes en fonction des spécifications de ses produits. Outre le tri par couleur, le binning des LED implique également le flux lumineux, la tension et l’IRC (IRC vs efficacité lumineuse), qui seront abordés en détail dans la section suivante.

Paramètres clés pour le binning des LED

Outre le collage de la puce, le câblage et l’encapsulation, la fabrication des LED comprend une étape cruciale : binning des LED. Ce tri repose principalement sur des paramètres photoélectriques, les normes courantes incluant la tolérance des coordonnées de couleur (par exemple, ±0,003), le tri du flux lumineux (par exemple, ±5 %) et le tri de la tension directe (par exemple, ±0,1 V). Après le tri, les LED sont catégorisées et conditionnées selon leur zone de couleur, leur flux lumineux et leurs codes de tension afin de garantir une grande homogénéité au sein d’un même lot. Par exemple, les spécifications des LED de Lumileds les catégorisent principalement selon le flux lumineux, la température de couleur corrélée (CCT), la tension, la tolérance de couleur et l’indice de rendu des couleurs (IRC).

Classification du flux lumineux : Le flux lumineux est un indicateur clé pour les utilisateurs de LED. Ce classement garantit l’uniformité et la constance de la luminosité des produits LED, répondant ainsi aux exigences spécifiques en la matière.

Classification par température de couleur corrélée : Pour les LED blanches (solution d’éclairage blanc variable), la température de couleur est un paramètre essentiel qui détermine si la teinte de la LED est chaude, froide ou blanche pure. La classification par température de couleur corrélée permet de catégoriser les produits LED selon des plages de température de couleur afin de répondre aux besoins de différentes applications.

Classification des coordonnées de chromaticité (x, y) : Les coordonnées de chromaticité (x, y) définissent la position précise de la LED sur le diagramme de chromaticité et constituent un indicateur quantitatif de la couleur. La classification des coordonnées de chromaticité garantit la précision et la cohérence des couleurs des produits LED par rapport à la source.

Classification de l’indice de rendu des couleurs (IRC) : L’indice de rendu des couleurs (IRC) est directement lié au degré de variation de couleur d’un objet éclairé. Pour les produits d’éclairage LED, l’IRC est un paramètre essentiel. La classification de l’IRC garantit la capacité du produit LED à reproduire les couleurs des objets dans différents contextes d’utilisation.

Quels sont les avantages du binning des LED ?

Étape centrale de la production de LED

Les diodes électroluminescentes (DEL) blanches produisent de la lumière blanche en émettant d’abord de la lumière bleue à partir d’une DEL, puis en dirigeant cette énergie sur un phosphore jaune pour créer d’autres couleurs, qui sont ensuite mélangées pour former de la lumière blanche (Comment obtenir des DEL blanches ?). Il est facile de constater que les variations de la DEL bleue et du phosphore affectent la lumière blanche émise. Par exemple, si la lumière bleue est légèrement plus proche de l’ultraviolet ou du cyan, la DEL émettra des couleurs différentes. De légères différences dans le rapport de mélange ou l’épaisseur du phosphore affecteront également la lumière émise. Par conséquent, le tri des puces DEL est essentiel. Ainsi, les puces DEL sont méticuleusement catégorisées à l’aide d’ordinateurs très performants qui effectuent rapidement des mesures photométriques et électroniques. Sans cela, les DEL provenant de différents fabricants, voire de différents lots d’un même fabricant, présenteraient des différences, ce qui empêcherait évidemment les fabricants de commercialiser leurs produits, car les entreprises en aval ne seraient pas certaines d’avoir sélectionné le bon produit.

Contrôle de la tolérance de couleur et d’efficacité

La température de couleur corrélée (TCC), la tolérance chromatique et l’efficacité lumineuse sont des paramètres clés sur lesquels se concentrent les fabricants d’éclairage LED. La sélection de LED avec le même binning des LED garantit que le rapport coût-efficacité de l’efficacité lumineuse se situe dans la plage de conception, évitant les situations où certaines lampes ont une faible efficacité lumineuse tandis que d’autres ont une efficacité lumineuse exceptionnellement élevée (Qu’est-ce que l’efficacité lumineuse ?). La TCC et la tolérance chromatique doivent être considérées conjointement. De nombreux acheteurs ont besoin de vérifier la température de couleur lors de la sélection de produits ; il suffit de choisir une température de couleur appropriée, et le vendeur fournira les produits avec les paramètres correspondants. La tolérance chromatique est un paramètre plus précis, car même parmi les LED 3000 K, leurs couleurs (c’est-à-dire leurs coordonnées chromatiques) peuvent présenter de légères différences. Le binning des LED garantit que la température de couleur (coordonnées chromatiques) est strictement contrôlée dans la plage de déviation admissible, empêchant ainsi ces différences de couleur d’être perceptibles par l’œil humain.

Adaptation de la tension pour une fiabilité accrue

Les LED sont des dispositifs commandés en courant, et leur luminosité est principalement déterminée par l’intensité du courant qui les traverse. Par exemple, dans les lampadaires H et Hevo (circuits parallèles), le courant alimente automatiquement le module présentant l’impédance la plus faible (caractérisée par la tension directe la plus basse). Sans binning des LED en fonction de la chute de tension, la ou les puces ayant la tension directe la plus basse au sein du module supporteront un courant excessif (plus la différence est grande, plus l’écart de courant est important), ce qui entraînera une augmentation de la température et une dégradation lumineuse accélérée (qu’est-ce que la dégradation lumineuse ?). Dans les cas les plus graves, cela peut même provoquer la destruction des puces LED par surcharge.

Comment fonctionne le binning des LED ?

Traditionnellement, les diodes électroluminescentes (LED) sont testées et triées à une température de jonction fixée à 25 °C. Cependant, les luminaires DEL fonctionnent à des températures bien plus élevées en conditions réelles (température de jonction des DEL – voir plus d’informations sur la température de fonctionnement des DEL et de leur pilote). Testées à 25 °C, les performances réelles d’une DEL en application réelle diffèrent souvent des performances nominales annoncées dans sa fiche technique. Comment réduire l’impact de la température sur les performances ? Lumileds effectue le binning des LED à haute température depuis plusieurs années. Par exemple, sa série LUXEON 3030 2D subit un test de température de couleur cible à chaud (Ta = 85 °C) afin de déterminer si la température de couleur de la DEL se situe dans la plage cible. Le tri à une température d’application typique de 85 °C (ciblage de la température de couleur à haute température) garantit l’absence de variation de couleur après installation. De plus, son procédé d’encapsulation en composé de moulage époxy (EMC) rend la Luxeon 3030 2D plus fiable dans les environnements difficiles. Bien entendu, outre la température de couleur corrélée (CCT), Lumileds effectue également un binning des LED en fonction de la tension, du flux lumineux et de l’IRC à 25 °C.

Prenons l’exemple des coordonnées colorimétriques (CCT). La méthode la plus couramment utilisée pour la classification des LED est celle de l’ellipse de MacAdam. Proposée par MacAdam dans les années 1940, cette méthode repose sur une découverte fondamentale : la capacité de l’œil humain à distinguer les couleurs n’est pas uniforme. L’ellipse de MacAdam divise l’espace colorimétrique en une série de régions elliptiques, chacune représentant une gamme de couleurs que l’œil humain ne peut pas distinguer. Plus l’ellipse est grande, plus la sensibilité de l’œil humain aux variations de couleur dans cette région est faible, et plus l’écart chromatique admissible est important ; inversement, plus l’ellipse est petite, plus l’œil humain est sensible, et plus l’écart admissible est faible. Pour un éclairage à lumière blanche, l’ellipse de MacAdam décrit la plage de tolérance chromatique autour d’une température de couleur donnée. Par exemple, les ellipses à 3, 5 et 7 étapes définissent différentes plages de tolérance chromatique. Par exemple, si le projet doit être réalisé en moins de 5 étapes, il faut sélectionner les puces LED dont les coordonnées de couleur se situent à l’intérieur de cette ellipse après le binning des LED. Voici les étapes du tri par ellipse de MacAdam.

Les coordonnées chromatiques d’une LED sont mesurées ; ces coordonnées décrivent la couleur de la lumière et sont généralement représentées sur un diagramme bidimensionnel appelé diagramme de chromaticité CIE. La région de l’ellipse de McAdam dans laquelle se situe la LED est déterminée, et la LED est classée dans la catégorie appropriée en fonction de la taille de cette ellipse. Les LED situées dans des ellipses plus petites sont considérées comme étant de meilleure qualité (tolérance de couleur plus faible), tandis que celles qui ne répondent pas aux exigences sont placées dans des catégories de qualité inférieure (tolérance de couleur plus faible) jusqu’à leur mise au rebut. Le flux lumineux, l’IRC et la tension (tension et courant de sortie du pilote de LED) peuvent également être classés selon une méthode similaire, mais au lieu de se baser sur les ellipses de McAdam, différentes normes sont utilisées.

Contrôle qualité et tests des lampes LED par ZGSM

Tests de puces LED

Pour produire des luminaires LED de qualité, une sélection rigoureuse des sources lumineuses LED est essentielle. Il faut d’abord sélectionner les puces LED répondant aux exigences du client. Par exemple, si un client spécifie une température de couleur de 4 000 K (avec une plage de réglage de 5 niveaux), un indice de rendu des couleurs (IRC) d’au moins 80 et une tension de 5,9 V (±0,1 V), nous pouvons nous procurer les puces LED correspondantes. À réception des puces, les produits sont inspectés et testés. Le test de la source lumineuse est principalement réalisé à l’aide d’une sphère d’intégration. Ce test normalisé utilise un appareil appelé « sphère d’intégration » en laboratoire pour mesurer avec précision et exhaustivité les principaux paramètres optiques des sources lumineuses LED ou des luminaires, tels que le flux lumineux total, l’efficacité lumineuse, la température de couleur et l’IRC. Les sphères d’intégration sont classées en deux catégories selon leur taille ; nous nous concentrerons ici sur les petites sphères. Le test des paramètres de tension est également indispensable. Par exemple, lors de la production du lampadaire de la série H (cliquez sur les photos ci-dessous pour plus de détails sur les produits LED ZGSM), nous devons contrôler les modules LED assemblés afin de confirmer que l’écart de tension se situe dans la plage de fonctionnement pour éviter que le luminaire ne subisse une dégradation lumineuse rapide, voire un dysfonctionnement dû à une surcharge.

Inspection par échantillonnage

Une fois les lampes assemblées, nous effectuons des contrôles aléatoires pour vérifier que les paramètres photoélectriques du produit LED fini (produits LED ZGSM) sont conformes aux spécifications. Contrairement à la petite sphère d’intégration utilisée pour tester les LED individuelles, une grande sphère d’intégration est utilisée pour tester la lampe entière. Lorsque la LED testée est allumée à l’intérieur de la sphère, la lumière qu’elle émet illumine la paroi interne de celle-ci. Le revêtement diffus hautement réfléchissant de cette paroi provoque de multiples réflexions et diffusions de la lumière. Après ces réflexions multiples, un champ d’éclairage uniformément réparti se forme sur toute la surface interne de la sphère. En mesurant l’intensité lumineuse à l’aide d’un spectroradiomètre fixé sur la paroi de la sphère et en analysant le spectre de cette lumière, nous pouvons calculer tous les paramètres colorimétriques. Dans ce processus, la forme de la lampe n’a pas d’incidence sur les données de test, car la grande sphère d’intégration utilise un étalonnage par auto-absorption ou par lampe auxiliaire pour éliminer les interférences. Grâce à des contrôles aléatoires, nous pouvons vérifier si la luminosité (flux lumineux) et la couleur (température de couleur, indice de rendu des couleurs) des LED produites dans différents lots répondent aux spécifications.

Tests effectués par des tiers

Au besoin, nous pouvons également faire réaliser des tests par un organisme tiers sur la lampe blanche. Les normes courantes incluent LM79, EN13032-4 et ENEC+ (IEC62717). Par exemple, la norme LM79 fournit des données sur l’efficacité lumineuse, l’IRC et la température de couleur corrélée (CCT). Cependant, concernant la tolérance chromatique, elle ne fournit des résultats que pour les valeurs comprises entre 7 Quad et 4000 K, sans spécifier de valeur numérique. En revanche, les normes EN13032-4 et ENEC+ (produits certifiés ZGSM ENEC+) fournissent des valeurs précises de tolérance chromatique, essentielles pour les projets exigeant une grande homogénéité des couleurs, mais leurs coûts de test sont également plus élevés. Il est important de noter que les tests effectués par un organisme tiers ne peuvent être utilisés que pour un contrôle par échantillonnage. Si vous testez des produits fabriqués en série, vous devez garantir l’aléatoire des échantillons soumis ; sinon, les résultats des tests pourraient ne pas refléter la conformité de l’ensemble du lot aux spécifications correspondantes. Vous trouverez ci-dessous les résultats de tolérance chromatique des tests EN13032-4 et ENEC+. Si votre projet nécessite ces rapports, veuillez contacter ZGSM pour plus d’informations.

Résumé

Le binning des LED est la pierre angulaire de la fabrication d’éclairage LED de haute qualité. Son objectif principal est de corriger les problèmes de dispersion des paramètres dus aux différences inhérentes aux procédés de fabrication des puces LED bleues et des phosphores. Comme le démontre cet article, sans une sélection précise par tri, ces différences se traduisent directement par des incohérences de couleur, de luminosité et de performances électriques des luminaires finaux, engendrant une série de problèmes tels qu’une couleur et une luminosité insuffisantes perceptibles à l’œil nu, ou des problèmes de qualité du produit (dégradation rapide de la luminosité). Prenant pour exemples la température de couleur corrélée (CCT) et les coordonnées colorimétriques, le processus de binning des LED mesure et classe ces dernières selon la norme ANSI C78.377 et la théorie de l’ellipse de McAdam. Bien entendu, des méthodes similaires peuvent également être utilisées pour classer des paramètres clés tels que le flux lumineux, la tension directe et l’IRC. Ce processus permet d’obtenir une homogénéité de la couleur et de l’efficacité lumineuse, ainsi qu’une meilleure fiabilité électrique du système (tri de la tension). La valeur du tri est omniprésente dans toute la chaîne de qualité. Depuis les tests initiaux des puces LED (Plus d’informations sur les puces LED) par sphère d’intégration jusqu’au contrôle par échantillonnage des luminaires finis, en passant par les certifications tierces reconnues telles que LM-79 et ENEC+, toutes les étapes de contrôle qualité ultérieures vérifient et renforcent les résultats du tri. Par conséquent, l’adoption et la mise en œuvre d’une stratégie de tri rigoureuse des LED constituent une décision essentielle pour les fabricants souhaitant maîtriser la qualité à la source et produire des luminaires performants et durables.

Questions fréquemment posées

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