Introduction

La technologie LED a été découverte au début du XXe siècle et était initialement utilisée comme voyants lumineux dans les produits électroniques. À la fin du XXe siècle, les scientifiques ont utilisé des LED rouges, vertes et bleues pour produire une lumière blanche, progressivement appliquée à l’industrie de l’éclairage. Comparées aux sources lumineuses traditionnelles, les lampes LED sont largement utilisées dans l’éclairage industriel, commercial et extérieur en raison de leur haute efficacité énergétique, de leur longue durée de vie et de leur indice de rendu des couleurs élevé (comparé aux lampes à vapeur de sodium haute pression et à certaines lampes halogènes). Face à la demande croissante en matière d’éclairage de qualité, les consommateurs ne se préoccupent plus uniquement de la qualité de l’éclairage, mais accordent également une attention accrue à sa qualité, notamment son uniformité, son effet anti-éblouissement (qu’est-ce que l’éblouissement et comment le réduire ?), son IRC et son efficacité énergétique. Cet article se concentre sur l’IRC et l’efficacité énergétique de l’éclairage LED. Dans cet article, nous aborderons la notion d’IRC et d’efficacité lumineuse, ainsi que les moyens de l’améliorer. Nous aborderons également la relation entre IRC et efficacité lumineuse. En effet, il existe souvent un conflit entre un IRC élevé et une efficacité lumineuse élevée. Par exemple, améliorer l’IRC se fait souvent au détriment de l’efficacité lumineuse, tandis qu’à l’inverse, rechercher une efficacité lumineuse élevée peut entraîner une baisse de l’IRC. Nous détaillerons ensuite ces éléments un par un.

Qu’est-ce que l’IRC ?

L’indice de rendu des couleurs (Ra/IRC) mesure la capacité d’une source lumineuse à reproduire fidèlement les couleurs d’un objet. Sa valeur varie de 0 à 100. Plus la valeur est élevée, plus la reproduction des couleurs est précise. La Commission internationale de l’éclairage (CIE) fixe l’indice de rendu des couleurs de la lumière solaire (spectre de la lumière naturelle) à 100 et spécifie 15 couleurs d’essai, les valeurs R1 à R15 représentant respectivement l’indice d’affichage de ces 15 couleurs. En comparant une source lumineuse à une source lumineuse de référence (lumière solaire), on peut calculer la différence de coordonnées chromatiques entre les 8 échantillons de couleurs standard (R1 à R8) sous la source lumineuse à tester et la source lumineuse de référence. Une formule spécifique permet ensuite de calculer l’indice de rendu des couleurs (Ri) spécifique à chaque échantillon. L’IRC (Ra) est la moyenne arithmétique des indices de rendu des couleurs de ces 8 échantillons. Les indices de rendu des couleurs étendus (R9-R15) sont parfois utilisés pour évaluer l’efficacité d’une source lumineuse à restituer les couleurs saturées (par exemple, les rouges et les bleus). Certains scénarios d’application peuvent nécessiter des exigences spécifiques. Des valeurs d’IRC supérieures à 90 offrent un excellent rendu des couleurs pour les applications haut de gamme, tandis que des IRC de 80 à 89 conviennent à la plupart des usages résidentiels et commerciaux. En dessous de 80, le luminaire présente un rendu des couleurs médiocre et est généralement utilisé pour l’éclairage industriel ou routier (à quoi bon l’éclairage public ?), où la précision des couleurs n’est pas requise.

L’explication ci-dessus peut paraître un peu abstraite, c’est pourquoi nous l’illustrerons ci-dessous à l’aide d’images. On estime généralement que l’IRC de la lumière naturelle extérieure atteint 100 points. L’IRC est donc utilisé pour tester et comparer la lumière artificielle (Éclairage LED – En savoir plus sur les éclairages LED ZGSM) et la lumière du soleil. Par exemple, si vous observez un pamplemousse orange en plein jour, vous verrez un pamplemousse aux couleurs vives. En effet, le spectre de la lumière naturelle contient toutes les couleurs ; lorsque la lumière frappe le pamplemousse, la lumière, à l’exception du jaune, est absorbée et ce que vous voyez est le jaune réfléchi. Ce même pamplemousse orange, observé sous une LED à faible indice de rendu des couleurs, n’apparaîtra pas orange vif à l’œil nu en raison de l’absence ou de la faible proportion de jaune dans le spectre. Au contraire, avec une LED de haute qualité (dont le spectre est aussi proche que possible de la lumière naturelle avec un IRC élevé), vous verrez un pamplemousse orange vif.

Comment obtenir une lumière LED avec un IRC élevé ?

Il existe actuellement trois solutions courantes pour améliorer l’indice de rendu des couleurs des lampes LED. La première consiste à utiliser différents ratios de phosphore ; la deuxième consiste à réduire la température de jonction PN et à améliorer l’adaptabilité des phosphores aux températures élevées ; la troisième consiste à utiliser la technologie de compensation des couleurs (utilisation de LED rouges ou ambrées pour compenser l’indice de rendu des couleurs des LED). Examinons-les une par une.

Utiliser différents ratios de phosphore

La méthode la plus directe et la plus efficace pour améliorer l’IRC des sources lumineuses LED consiste à rapprocher le spectre de la lumière blanche de celui de la lumière solaire. Autrement dit, plus le spectre est proche de la source lumineuse de référence, plus l’IRC est élevé. Autrement dit, plus le spectre lumineux émis par la source LED dans le visible est complet, plus l’IRC est élevé et proche de 100. Aux débuts du développement des LED, il était difficile d’améliorer l’IRC des sources LED blanches, principalement en raison de l’absence de la partie rouge saturée (R9) et de la partie cyan à proximité de 490 nm dans le schéma d’implémentation classique et efficace de la lumière blanche, associé à une puce LED bleue et à un phosphore jaune (YAG), et de l’absence de la partie cyan à proximité de 490 nm, ce qui entraînait une augmentation du spectre manquant pour l’ensemble de la LED. Avec le développement technologique, notamment celui rapide de la technologie du phosphore, l’application de la technologie du phosphore rouge a gagné en maturité. Aujourd’hui, l’IRC des sources LED à lumière blanche avec ajout de phosphore rouge peut dépasser 90, voire approcher 100. Dans la pratique, il est souvent nécessaire de trouver des puces LED à IRC élevé, ce qui est relativement facile à réaliser pour la plupart des fournisseurs. Cependant, lorsque les clients ont des exigences en matière d’efficacité lumineuse, il faut choisir entre un IRC élevé (un IRC élevé peut parfois entraîner un TLCI élevé ; en savoir plus sur les différences entre IRC et TLCI) et une efficacité lumineuse élevée. Si les deux sont nécessaires, il faut investir davantage pour obtenir des puces LED de haute qualité (IRC élevé + efficacité lumineuse élevée).

Réduire la température de la jonction PN

Théoriquement, la lumière blanche produite par la puce LED bleue combinée au phosphore est proche de la lumière naturelle. Cependant, la pratique diffère de la théorie. Cette différence est principalement due à la chaleur. Celle-ci a un effet évident sur le phosphore. Comme chacun sait, les LED haute puissance des éclairages extérieurs (lampadaires, projecteurs LED, luminaires sportifs) génèrent constamment de la chaleur pendant leur fonctionnement, tandis que le système de refroidissement la rejette en permanence. Avec l’augmentation de la température, l’activité du phosphore dans les puces LED diminue, notamment dans la partie rouge, ce qui entraîne une modification de la distribution spectrale des puces LED, c’est-à-dire une baisse de l’IRC. À l’inverse, avec la baisse de température, l’activité du phosphore augmente, ce qui améliore la distribution spectrale dans la partie rouge et augmente l’indice de rendu des couleurs (IRC). Par conséquent, dans les applications pratiques, il est nécessaire de prêter attention à la dissipation thermique des lampes afin de garantir que les puces LED fonctionnent à basse température, ce qui réduit l’impact négatif des températures élevées sur le phosphore. De plus, si l’on examine le rapport de test LM82, on constate également que des températures élevées entraînent une baisse de l’efficacité lumineuse des lampes LED, pour les raisons expliquées précédemment, à savoir une diminution de l’activité du phosphore.

Utiliser la technologie de compensation des couleurs

La technologie de mélange des couleurs améliore considérablement l’indice de rendu des couleurs (IRC) des LED en combinant des puces LED de différentes longueurs d’onde (rouge, vert, bleu, etc.) ou en optimisant les phosphores afin d’élargir la gamme spectrale de la source lumineuse et de la rapprocher de la distribution spectrale de la lumière naturelle. Cette méthode permet de compenser les déficiences des lumières rouge et verte du spectre LED traditionnel et d’améliorer la reproduction des couleurs. Cependant, cette technologie présente de nombreux défis en termes de coût et de complexité du processus. Cette technologie est similaire aux solutions d’éclairage RVB (borne lumineuse ZGSM RVB), qui nécessitent généralement davantage de puces LED pour obtenir un éclairage blanc. Pour améliorer l’indice de rendu des couleurs, le flux lumineux des LED de différentes couleurs doit être ajusté avec précision afin de simuler le spectre continu de la lumière naturelle, ce qui augmente inévitablement les coûts et complexifie les techniques.

Qu’est-ce que l’efficacité lumineuse ?

L’efficacité lumineuse est définie comme le rapport entre le flux lumineux et la puissance électrique absorbée (lm/W), c’est-à-dire le flux lumineux généré par watt électrique consommé. La formule de calcul est la suivante : efficacité lumineuse = flux lumineux / puissance du luminaire. On sait ainsi que l’efficacité lumineuse est déterminée par deux facteurs : le flux lumineux et la puissance absorbée. L’unité de mesure du flux lumineux est le lumen (lm). Plus cette valeur est élevée, plus la source lumineuse émet de lumière. Cependant, la génération d’un flux lumineux nécessite une puissance électrique en watts (W). Plus le rapport entre le flux lumineux et la puissance de la lampe est élevé, plus la source lumineuse convertit efficacement l’énergie électrique en énergie lumineuse. Cela signifie que la consommation d’énergie électrique est moindre à luminosité égale et que l’efficacité lumineuse de la lampe est meilleure. L’efficacité lumineuse des différentes sources lumineuses (telles que les lampes à incandescence, les lampes fluorescentes et les LED) varie considérablement. L’efficacité lumineuse actuelle des LED courantes peut atteindre 230 lm/W. Cependant, les différentes longueurs d’onde lumineuses (différents spectres) ont des efficacités lumineuses différentes. Cela s’explique par la sensibilité variable de l’œil humain aux différentes longueurs d’onde lumineuses. Il est particulièrement sensible à la lumière verte (longueur d’onde d’environ 555 nm), tandis qu’il est moins sensible aux lumières bleue et rouge. Dans la section précédente, nous avons mentionné que modifier la proportion des différentes couleurs de lumière dans la lampe peut améliorer l’IRC. C’est pourquoi une augmentation excessive de la lumière rouge pour améliorer l’IRC entraînera inévitablement une diminution de l’efficacité lumineuse.

Comment améliorer l’efficacité lumineuse ?

L’amélioration de l’efficacité lumineuse est l’objectif principal de la conception et de la fabrication des systèmes d’éclairage, impliquant l’optimisation de multiples facteurs clés. La formule de calcul permet d’identifier les deux principaux axes d’amélioration. La première consiste à maximiser le flux lumineux émis par les puces LED (à puissance égale) et la seconde à minimiser la consommation de la lampe. Pour ce faire, il est nécessaire de choisir des puces LED à haute efficacité lumineuse tout en réduisant les pertes lumineuses, notamment la lumière piégée à l’intérieur du luminaire par la lentille, le réflecteur et la structure de la lampe. Pour ce qui est du second point, il est nécessaire de réduire la consommation électrique hors puces LED, principalement due à l’alimentation. Il est donc nécessaire d’optimiser la conception des paramètres électriques et de sélectionner des drivers LED de haute qualité (technologie PFC à correction du facteur de puissance). De plus, il est important de prêter attention à la dissipation thermique de la lampe. En règle générale, plus la température de fonctionnement (Tj) de la lampe est élevée, plus son efficacité est faible, ce qui est conforme aux exigences de l’IRC. Parallèlement, une bonne dissipation thermique contribue également à ralentir la dégradation lumineuse et donc à prolonger la durée de vie de la lampe. Pour en savoir plus sur l’amélioration de l’efficacité lumineuse des lampes, consultez le blog « Comment améliorer l’efficacité lumineuse ? ».

Quelle est la relation entre l’IRC et l’efficacité lumineuse ?

En tant qu’êtres humains, nous percevons la lumière grâce à nos yeux. Ces capteurs biologiques spécifiques sont dotés de nombreux composants fonctionnels. L’iris contrôle la quantité de lumière qui pénètre dans l’œil en ajustant la taille de la pupille, qui peut s’élargir d’un diamètre minimum de 2 mm (en conditions de forte luminosité) à un diamètre maximum de 8 mm (dans l’obscurité). En cas d’abondance de lumière, elle se ferme pour protéger les cellules sensibles de l’œil ; en cas de manque de lumière, l’iris contrôle la dilatation de la pupille pour laisser entrer davantage de lumière. Nos yeux contiennent des millions de minuscules cellules sensorielles appelées bâtonnets et cônes. Les bâtonnets sont responsables de la perception de la lumière en conditions de faible luminosité (vision scotopique), tandis que les cônes sont plus performants en conditions de forte luminosité (comme la lumière du jour) et sont responsables de la perception des couleurs (vision photopique). Il existe trois types de cônes, chacun sensible à une longueur d’onde lumineuse spécifique : les cônes sensibles aux ondes courtes (cônes S, environ 420-440 nanomètres, détectant la lumière bleue), les cônes sensibles aux ondes moyennes (cônes M, environ 530-540 nanomètres, détectant la lumière verte) et les cônes sensibles aux ondes longues (cônes L, environ 560-580 nanomètres, détectant la lumière rouge). La figure ci-dessous représente la fonction d’efficacité lumineuse spectrale photopique. On peut y voir que les cônes atteignent un pic à 555 nanomètres, ce qui indique que les cellules coniques de l’œil sont particulièrement sensibles à la lumière jaune-verte à une longueur d’onde de 555 nanomètres. Comparée aux autres longueurs d’onde lumineuses, cette longueur d’onde produit la plus grande luminosité.

Grâce aux informations pertinentes présentées dans la section « Comment améliorer l’IRC des LED », nous comprenons que l’ajout de phosphores aux puces LED peut améliorer l’IRC. L’éclairage LED à lumière blanche présente généralement un faible IRC en raison de l’absence de composantes rouges saturées (R9) et de composantes cyan proches de 490 nm. L’ajout de phosphores rouges permet d’améliorer l’indice de rendu des couleurs des LED jusqu’à 80-90, voire plus. Cependant, il existe une contradiction : les différentes longueurs d’onde lumineuses ont des efficacités lumineuses différentes. Bien qu’un ajout excessif de phosphores rouges puisse améliorer l’IRC, il réduit l’efficacité lumineuse. De plus, de nombreux pays commencent à limiter la composante bleue (Découvrez la lumière bleue dans les LED) dans les LED (par exemple, en encourageant l’utilisation de LED basse température de couleur 1800 K). Comme le montre la figure ci-dessous, cet ajustement a entraîné une modification significative de la composition spectrale : la proportion de lumière verte a été fortement réduite, ce qui a entraîné une baisse de l’efficacité lumineuse globale de la lampe. Parallèlement, la réduction de la proportion de lumière bleue a également eu un impact négatif sur l’IRC. C’est précisément en raison des contraintes complexes entre ces paramètres que le développement de la technologie LED reste confronté à de nombreux défis et qu’il reste encore beaucoup à faire.

La température a également un impact sur l’IRC et l’efficacité lumineuse. Dans la section consacrée à l’amélioration de l’IRC et de l’efficacité, nous avons constaté que des températures plus basses sont meilleures pour l’IRC et l’efficacité. ZGSM s’est toujours engagé à optimiser la dissipation thermique des luminaires à cet égard. De la conception structurelle au test de température au point Ts, en passant par le rapport de test indépendant, ZGSM impose des exigences strictes pour garantir que la température du luminaire se situe dans la plage appropriée. De même, une température raisonnable est très favorable pour ralentir la décroissance lumineuse du luminaire. Pour plus d’informations, vous pouvez consulter le blog « Qu’est-ce que la décroissance lumineuse ? ».

En résumé, plus l’IRC est faible, plus le flux lumineux est élevé. La fiche technique des LED Lumileds 3030 montre que, lorsque l’IRC passe de 70 à 80, le flux lumineux diminue d’environ 6 %. Lorsque l’indice de rendu des couleurs passe de 80 à 90, il diminue d’environ 14 à 15 %. Il est donc essentiel de choisir entre IRC et luminosité : si l’on recherche un IRC élevé, il faut réduire les exigences en matière d’efficacité lumineuse. L’amélioration de l’IRC et de l’efficacité lumineuse est du ressort exclusif des fabricants de LED. L’une des solutions consiste à mélanger les phosphores et l’autre à réduire l’accumulation de chaleur dans les puces LED (plus d’informations sur la température de fonctionnement des LED et des pilotes LED). En tant que fabricant de luminaires, nous nous devons d’informer honnêtement nos clients de ce fait et, parallèlement, de concevoir nos luminaires de manière rationnelle afin d’éviter les effets néfastes des températures élevées sur l’IRC et la luminosité. ZGSM a optimisé ses solutions techniques pour maintenir un équilibre entre efficacité et spectre IRC élevé, et a développé différentes solutions. Vous trouverez ci-dessous les différents produits LED de ZGSM. Si vous êtes intéressé, vous pouvez en savoir plus.

Résumé

Cet article présente principalement deux facteurs clés dans le domaine de l’éclairage LED : l’indice de rendu des couleurs (IRC) et l’efficacité lumineuse. Le premier mesure la capacité d’une lampe à reproduire la vraie couleur d’un objet. On sait que l’IRC d’une lampe peut être amélioré en utilisant différents ratios de phosphore et en optimisant la dissipation thermique. Le second mesure l’efficacité de la lampe à convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse. L’utilisation de puces LED performantes et de pilotes LED à haut rendement de conversion permet d’améliorer l’efficacité lumineuse de la lampe. Cependant, les utilisateurs doivent souvent choisir entre un IRC élevé et une efficacité lumineuse élevée. Si une lampe avec un IRC élevé est requise, son efficacité sera faible. Si une solution à haut rendement est requise, il faut souvent faire des concessions sur l’IRC. Bien sûr, il est également possible d’opter pour une solution à IRC élevé et à haut rendement, mais le prix est souvent plus élevé. Les solutions d’éclairage LED de ZGSM permettent d’obtenir des lampes LED à indice de rendu des couleurs élevé (selon les exigences du projet) et à haut rendement grâce à des ampoules à indice de rendu des couleurs élevé et à une conception optimisée, comme un IRC de 80 et une efficacité lumineuse supérieure à 160 lm/W. Ces solutions sont adaptées à l’éclairage routier, à l’éclairage des stades (en savoir plus sur les solutions d’éclairage sportif ZGSM), à l’éclairage des parkings et à l’éclairage industriel. Si nos solutions vous intéressent, n’hésitez pas à nous contacter pour plus d’informations.

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