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Faire toute la lumière sur la fiabilité des LEDs

Publié le : 10/01/2018 15:03:17

Les LEDs ont tant promis qu’elles semblent avoir quelque peu déçu. Dix ans après l’apparition des LEDs de puissance qui devaient rapidement remplacer les éclairages traditionnels à incandescence, faisons le point sur cette technologie et sur la transition qui s’avère plus difficile que prévue.

Les LEDs (Light Emitting Diode) ou Diode Electroluminescente sont des semis-conducteurs mis au point dès les années 60 mais longtemps limités à des fonctions de voyant rouge ou vert. Ce n’est qu’à partir des années 90 que l’évolution de la technologie et l’utilisation du Nitrure de Gallium ont permis de produire des LED émettant un lumière bleue puis blanche d’une puissance lumineuse inégalée.

Les LEDs de puissance (Power Led) ont de quoi séduire car elles présentent de nombreux avantages sur les éclairages à incandescence et fluo compacts :

  • Compacité

Contrairement au lampe à incandescence les LEDs ne nécessite pas une ampoule de gaz nécessairement volumineuse et son rayonnement directif (120° en général) permet de s’affranchir de système optique souvent encombrant.

Dans le domaine de la piscine cette compacité a permis l’émergence de projecteurs beaucoup plus compacts et s’insérant par exemple dans les refoulements.

  • Solidité mécanique

Les LEDs sont des composants monoblocs, sans aucune partie mobile et sont pratiquement insensibles aux chocs et aux vibrations. Cet avantage est évidemment plus déterminant pour l’automobile qu’en piscine.

  • Richesse chromatique

Suivant les composés chimiques utilisés dans leur fabrication, les LEDs peuvent émettre un rayonnement lumineux dans pratiquement toutes les longueurs d’onde ou couleur du spectre visible et même au-delà (Infrarouge et ultraviolet). L’utilisation du phosphore déposé à la surface des LEDs bleues permet de produire par fluorescence de la lumière blanche plus ou moins chaude et même du rouge ou du vert qui combinés offrent un choix quasi infinis de couleurs.

  • Sécurité

Il suffit d’une tension continue de 3V pour qu’une LED fonctionne à plein régime et cette très basse tension de fonctionnement est un gage de sécurité électrique et formidable avantage pour les éclairages alimentées par batteries et bien sûr aussi dans les applications subaquatiques.

  • Efficacité énergétique

L’efficacité énergétique est mesurée en Lumens par Watt où le lumen (Lm) est l’unité du flux lumineux qui désigne la quantité de lumière émise par une source tandis que le Watt est la puissance absorbée par la LED.

En constante augmentation, l’efficacité lumineuse des LED blanches dépasse aujourd’hui 100 Lm/W et quelques fabricants annoncent déjà avoir atteint 300 Lm/W soit 30 fois plus qu’une ampoule à incandescence classique. L’ampoule PAR-56 de 300W qui était le standard des ampoules de piscine en Europe pendant des décennies délivrait entre 3000 et 6000 lumens soit une efficacité de 10 à 20 Lm/W.

Les LED permettent déjà de diviser par 10 l’énergie consommée et le  coût d’éclairage d’une piscine.

  • Durée de vie

La durée de vie des LEDs affichée par les fabricants est généralement de l’ordre de 100’000 heures ce qui laisse penser à un propriétaire de piscine raisonnable que son projecteur de piscine à LED ne devrait pas tomber en panne avant des décennies.

L’expérience a montré qu’on était, bien souvent, loin du compte et nombre d’installateurs de piscines ont du faire face à la déception et au mécontentement de leurs clients qui ont du changer leurs ampoules après parfois moins d’un an.

Comment expliquer un tel décalage ?

Tout d’abord il existe un malentendu entre durée de vie et fiabilité. En effet la durée de vie est une estimation du temps moyen avant que le flux lumineux d’un large échantillonnage de LEDs ne tombe en dessous d’un certain seuil, en général 70% de sa valeur initiale (On appelle cette valeur L70).

Il s’agit donc d’une moyenne qui dissimule une forte disparité et une mortalité infantile importante due à la complexité du processus de fabrication de ces LEDs. Ainsi dans un lot de 1000 LEDs données pour une durée de vie L70 de 50’000 heures, il se peut que 10% d’entre elles ne dépassent pas 10’000 heures. Sachant que les LEDs sont très souvent utilisées en série, il peut suffir que l’une d’entre elles défaille pour que le dispositif d’éclairage tombe en panne.

Cette mise en série des LEDs n’est cependant qu’un aspect de la chaine qui détermine la fiabilité d’un dispositif d’éclairage et d’un projecteur de piscine en particulier. Dans cette chaine, c’est bien sûr le maillon le plus faible qui détermine la fiabilité de l’ensemble.

Pour ne rien arranger, chacun de ces maillons à une influence sur le bon fonctionnement et la durée de vie du maillon suivant. En effet, si le condensateur de filtrage de l’alimentation est moins efficace, cela affecte le driver et peut précipiter sa défaillance ce qui accélèrera inévitablement la fin de vie des LEDs..  

En comparaison, une ampoule à incandescence n’est constituée que d’un filament de tungstène qui se consume, certes, inexorablement mais reste pratiquement l’unique source de panne.

En piscine, l’utilisation d’une tension alternative 12V AC oblige à embarquer dans chaque projecteur un convertisseur AC/DC qui contient des condensateurs électrolytiques dont la durée de vie dépasse rarement 10’000 h et qui sont très sensibles à l’élévation de température. L’utilisation du courant continue (24VDC) pour alimenter les éclairages de piscine permettrait d’accroître significativement leur fiabilité et les pisciniers allemands ont déjà engagé cette transition dans leurs bassins.

Analyse des pannes

L’analyse de l’origine des défaillances des éclairages permet de prendre la mesure de l’importance de chacune des étapes du processus de fabrication mais aussi d’intégrer les objectifs de fiabilité à chaque phase de la conception des projecteurs.

Comment améliorer la fiabilité des éclairages à LEDs ?

La fiabilisation des éclairages de piscine passe par une meilleure prise en compte des contraintes spécifiques de leur environnement.  

  • Résistance des matériaux

Les ampoules PAR-56 à incandescence étaient et sont encore des bulbes de verre épais résistant mal aux choc mais très bien à l’oxydation et aux produits chimiques les plus corrosifs. Les matières plastiques utilisées pour réaliser le corps des projecteurs à LEDs doivent répondre à d’autres contraintes mais n’ont pas la même résistance à la corrosion et la durée de vie des projecteurs est désormais tributaire de l’équilibre de l’eau.

  • Contraintes mécaniques

Les projecteurs à LEDs sont des assemblages complexes qui doivent être installés avec soin et dans un respect rigoureux des instructions fournies par le fabricant. Un nombre important des défaillances provient de détérioration du corps du projecteur lié à de torsion ou de serrage excessifs lors du montage.

  • Dissipation thermique

Les LEDs et les composants électroniques de puissances utilisés pour les piloter produisent de la chaleur, beaucoup de chaleur et cette chaleur doit être évacuée pour éviter qu’elle ne provoque une élévation de température qui conduirait les composants à produire encore plus de chaleur et par un phénomène d’emballement à s’auto-détruire. La piscine offre une source illimitée de refroidissement pour les LEDs mais pour être efficace il faut que le projecteur soit installé de façon à ce qu’une quantité d’eau suffisante puisse circuler autour des éléments dissipateurs.

  • Etanchéité

Le défaut d’étanchéité est souvent une cause secondaire de la défaillance d’un projecteur. En effet, l’entrée d’eau dans un projecteur peut provenir d’un échauffement excessif causé par un défaut de refroidissement et ayant provoqué une dilatation des joints, voire une fissuration des pièces plastiques. La corrosion des plastiques par des agents chimiques agressifs (phmb, chlore trop concentré, etc...)  ou des pH trop bas peut aussi provoquer des fissurations qui causent ensuite des entrées d’eau.

Conclusion

La durée de vie réelle est difficile à établir car, au delà de la période de garantie, une part sans doute faible des projecteurs en panne nous est retournée et la durée de fonctionnement peut rarement être déterminée. Malgré une amélioration constante, on peut cependant estimer que cette durée de vie ne dépasse pas aujourd’hui quelques milliers d’heures, en moyenne.

Mais les progrès réalisés dans la conception des circuits, la simulation des contraintes, la fiabilisation du processus de production et le durcissement des tests nous permettent de prévoir un accroissement rapide de fiabilité des projecteurs.

Néanmoins, quelle qu’en soit l’amélioration, les installateurs et les clients finaux doivent accepter l’inéluctable usure des éclairages à LEDs qui offrent de nombreux avantages sur leurs prédécesseurs à incandescence sans pour autant faire des miracles.

Références :

  • Reliability and Lifetime of LEDs - Application Note - OSRAM - Décembre 2013
  • Lifetime and Reliability - SSL Fact Sheet - US Dpt of Energy - Août 2013
  • Degradation of High Power LEDs in Outdoor Environment - Preetpal Singh & Cher Ming Tan - Scientific Reports - Nature - Avril 2016
  • Solid State Lighting Reliability - Components to Systems - W. Dirk van Driel, Xuejun Fan, Guo Qi Zhang