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La lampe électroluminescente, dite lampe LED[alpha 1] ou lampe DEL[alpha 2], est un type de lampe électrique qui utilise des diodes électroluminescentes, lesquelles mettent en œuvre le phénomène d'électroluminescence.

Lampe à LED GU4.
Lampe à LED CEI GU10.
Lampes à LED à culot à vis Edison E27 (27 mm).
Lampes à LED.
Une ampoule LED à « filaments » 230 volts avec un culot à vis E27 Edison. Les filaments sont les parties « verticales » en jaune pale.
Une ampoule LED équivalente allumée vue au travers d'un filtre.

Historique

Historiquement, l’électroluminescence a d’abord permis l’essor des diodes électroluminescentes pour constituer des voyants lumineux en raison de leur tension d'alimentation adaptée à l'électronique et de leur longue durée de vie (témoins de veille ou de fonctionnement d'appareils électriques, signalisation, etc.). Puis, à la suite des avancées technologiques et de l'augmentation des puissances et du rendement lumineux, des lampes basées sur cette technologie ont été développées et produites de façon industrielle.

À la suite de l'interdiction en Europe des lampes à incandescence classiques en 2012, puis des lampes à incandescence halogènes en 2018, et du fait d'une meilleure durée de vie, d'une consommation plus faible et de prix en baisse, la part de marché des lampes à LED ne cesse d'augmenter, dans le domaine de l'éclairage domestique mais aussi dans des lieux publics comme le métro parisien[1],[2].

Chronologie

  • 1907 : Henry Round est le premier à mettre en évidence un phénomène d'électroluminescence[3].
  • 1927 : Oleg Lossev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente.
  • 1962 : Nick Holonyak Jr., consultant chez General Electric invente la première LED à spectre visible utilisable.
  • Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création de LED bleues[4].
  • Le , les trois chercheurs japonais Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano à l'origine de la première LED bleue à forte puissance[5] lumineuse ont reçu le prix Nobel de physique[6].

Points forts et faiblesses

Comparatif d'efficacités lumineuses et de durées de vie
Technologie Efficacité lumineuse
en lumen/watt		 Durée de vie moyenne
(heures)
Lampe à incandescence 5 à 15 lm/W[7] 1 000 à 2 000 h[8],[9],[10]
Lampe halogène 10 à 25 lm/W[7] 2 000 à 3 000 h[10]
Lampe fluorescente 70 à 120 lm/W[7] 6 000 à 15 000 h[10]
Lampe électroluminescente 20 à 250 lm/W[7] 15 000 à 50 000 h[9],[10],[11]

Avantages

Économies d'émissions de gaz à effet de serre associées à différents changements de mode de vie (en kg équivalent CO2 par an)[12]. L'utilisation d'ampoules LEDs à faible consommation électrique a permis de réduire l'empreinte carbone de l'humanité de 1,5 % en 2017[13].
  • Durée de vie plus longue qu'une lampe à incandescence ou fluorescente, la fin de vie se déclarant par une baisse de rendement progressive. Après 30 000 h de fonctionnement, le rendement aura baissé en moyenne de 30 %[14], à condition que les composants électroniques de l'alimentation restent fonctionnels.
  • Faible consommation électrique due à une bonne efficacité lumineuse[15]. Le bon rendement des LED permet par exemple le fonctionnement à partir d'une énergie potentielle gravitationnelle faible comme pour la GravityLight, une lampe sans batterie[16].
  • Sécurité de fonctionnement en très basse tension pour certaines (GU4), directement en 230 volts pour les autres (GU10).
  • Faible production de chaleur[11].
  • Pas de production d’UV[15].
  • Possibilité de produire une grande variété de couleurs par addition de LED de couleurs différentes (souvent rouge, verte et bleue) et par variation des courants alimentant les différentes LED[15].
  • Grand choix de la température de couleur pour les LED blanches allant des blancs chauds aux blancs froids.
  • Possibilité d'alternances allumage/extinction rapides et fréquents sans endommager la lampe.
  • Pleine puissance lumineuse (généralement moins d'une seconde) après l'allumage, contrairement aux ampoules fluocompactes dites « basse consommation » qui affichent généralement 60 % de la puissance lumineuse au bout de 3 à 60 secondes.
  • Impact environnemental plus faible que les lampes fluorescentes, lié notamment à l'absence de polluants comme le mercure. Cependant, l'amélioration de la puissance des LED repose fréquemment sur l'utilisation d'indium, un métal dont les dérivés sont dangereux pour la santé des ouvriers qui le manipulent[17].

Inconvénients

Spectre du rayonnement émis par une lampe à LED blanche de température de couleur 3 135 K en 2015.
Indice de rendu de couleur (IRC) vers l'an 2000
Le rendu de couleur des lampes électroluminescentes (comme celui des lampes fluocompactes) est moins bon que celui des lampes à incandescence (traditionnelles et halogènes) dont l’IRC est proche de 100. Au début du siècle, les LED blanches étaient des LED bleues dont une partie de la lumière produite était transformée par fluorescence en lumière jaune[18] donnant un spectre moins régulier que celui d'une lampe halogène. Dans de plus rares applications le blanc était reproduit par trois diodes de couleurs complémentaires ; dans ce cas, l'indice de rendu des couleurs était pire, mais la couleur s'ajustait dans un large gamut pour des effets décoratifs.

On peut douter que les lampes LED blanches n'émettent encore, avant transformation, que de la lumière bleue. L'examen visuel du spectre lumineux d'ampoules achetées en 2020 montre un spectre très régulier allant du rouge au vert herbe (vers 520 nm), une forte baisse de luminosité dans le vers sapin (vers 500 nm), une large bande de bleu et pas de violet. Le diagramme d'émission ci-contre montre la répartition spectrale sur une LED de 2015.

Effet de la « lumière bleue »
Le spectre du rayonnement des lampes électroluminescentes se composait d'une fine raie bleue et d'un ensemble jaune-orangé réparti sur une large plage obtenu par fluorescence. Ce principe permet d'obtenir une température de couleur à partir de 2 700 K, ressemblant à celle d'une lampe à incandescence, jusqu'à 6 500 K, ressemblant à la lumière du jour. Ces dernières ont l'avantage d'aviver les couleurs, et ont rencontré un certain succès. Mais, d'une part, un éclairage similaire à la lumière du jour à tout heure du jour et de la nuit a des effets sur le rythme circadien, et d'autre part, la puissance du rayonnement bleu dans une bande étroite, par opposition aux sources où cette puissance est répartie sur une plus large plage, peut avoir, selon certains médecins ophtalmologues, des effets néfastes sur la rétine[19]. L'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (ANSES, France) « recommande de limiter l'usage des lampes électroluminescentes les plus riches en lumière bleue »[20], c'est-à-dire celles qui se rapprochent le plus de la lumière du jour (« blanc froid »). Ce conseil coïncide avec les résultats de la recherche ancienne, d'Arie Andries Kruithof (en) qui estimait que les éclairements faibles sont plus agréables avec des températures de couleur relativement basses (« blanc chaud »)[21].
Le physicien Sébastien Point met en cause la méthodologie des articles retenus pour affirmer la toxicité des LED[22],[23]. Il considère que les travaux pour une meilleure compréhension des effets sanitaires des LED doivent continuer mais qu'en l'état actuel des connaissances, le risque est « bien encadré par les normes photobiologiques »[24], sauf en cas d'une maitrise insuffisante des paramètres d'exposition, par exemple dans le cas des lampes torches ou des jouets pour enfants (l’œil de l'enfant collectant plus de lumière que l'œil adulte)[25], ou dans le cadre de certaines pseudo-thérapies comme la chromathérapie[26],[27]. L'affirmation que le spectre des lampes à DEL est plus dangereux pour les enfants que les spectres des technologies plus anciennes (lampes à filament et fluorescentes), plus riche en ultraviolets, est également discutée[28]. De plus, la brillance des ampoules LED étant supérieure à celle d'autres ampoules, il est plus désagréable de les regarder directement, ce qui selon Serge Picaud[alpha 3] « limite probablement leur toxicité »[29].
Les lampes électroluminescentes de forte puissance doivent être refroidies
Les jonctions de semi-conducteur fonctionnent à une température maximale de 120 à 130 °C, au-delà de laquelle elles peuvent être détruites, si un circuit disjoncteur n'intervient pas. Environ la moitié de l'énergie est dissipée en chaleur, à comparer aux 9⁄10 pour les lampes à incandescence. Une lampe de 10 W, équivalent à peu près à 80 W en lampe à incandescence, doit donc évacuer environ 5 W, sans que la diode elle-même ne dépasse la limite de température. Une enveloppe bien conçue permet de le faire pour les faibles puissances, mais pour les fortes puissances, un radiateur encombrant et une ventilation forcée peuvent être nécessaires.
La compatibilité électromagnétique (CEM)
Les diodes électroluminescentes fonctionnent à très basse tension. Certains circuits des lampes réduisent la tension d'alimentation par découpage. Certaines lampes « bas de gamme » laissent ces commutations à haute fréquence perturber d'autres appareils, malgré la directive 2004/108/CE sur la compatibilité électromagnétique[30], en particulier, ceux qui fonctionnent par courants porteurs en ligne[31], des récepteurs de radio[32], etc.

Compatibilité avec les variateurs

Seules les lampes compatibles (dites « dimmable » en anglais) peuvent être utilisées avec un variateur d'intensité.

Technologies

  • Composant monté en surface (CMS) : chaque LED de la lampe se trouve sous forme d'un composant indépendant brasé sur la carte électronique[33].
  • Chip-on-board (COB) : les LED sont directement brasées sur la carte électronique, ce qui permet un meilleur rendement et diminue le coût de production[33].
  • Types de leds
  • Lampe avec LED SMD
    Lampe avec LED SMD
  • Lampe avec LED COB sous-alimentée, montrant les LED intégrées
    Lampe avec LED COB sous-alimentée, montrant les LED intégrées
  • module LED dans culot
    Module de pilotage d'une ampoule LED E27 220 volts, le tout logé dans une résine dans le culot a vis.


Comparaison avec les anciennes technologies

Les ampoules à incandescence utilisent 95% de l’énergie qu’elles consomment pour produire de la chaleur. Elles ne nous restituent que 5% de cette énergie sous forme de lumière. À l’inverse, les LED permettent de produire de la lumière sans émettre de chaleur. Jusqu’à 50% de l’énergie utilisée pour un éclairage LED nous parvient sous forme lumineuse.

Coûts comparés (équivalent ampoule à incandescence 60 watt (au tarif réglementé de l'électricité EDF 2023 0,2062€/kWh)
LED lampe
fluo
compacte[34]		 Halogène[35] incan
descence[36]
Philips
ultra
efficient
(2023)[37]		 EcoSmart
clear
(2018)[38]		 V-TAC
(2018)[39]		 Philips
(2017)[40]		 Cree
(2019)[41]
Coût unitaire 7.19 3.29 1.79 2.54 3.93 1.54 1.17 0.41
Watts 4 6.5 9 8.5 9.5 14 43 60
lumens 840 800 806 800 815 775[42] 750 860
lumens/watt 210 123,1 89,6 94,1 85,8 55,4 17,4 14,3
température de couleur (kelvin) 3000 2700 2700 2700 2700 2700 2920 2700
Indice de rendu de couleur 80 80 80+ 80 85 82 100 100
Durée de vie (heures) 50000 15000 20000 10000 25000 10000 1000 1000
Durée de vie (années) @ 6 h/jour 22,8 6,8 9,1 4,6 11,4 4,6 0,46 0,46
Coût énergétique sur 20 ans 20 cents/kWh 36 59 81 77 86 126 388 542
Coût d'une ampoule sur 20 ans 7 10 5 13 8 8 51 18
Coût total sur 20 ans $35 $56 $69 $73 $75 $106 $355 $441
Comparaison basée sur une utilisation moyenne de 6 h/jour (43800 h sur 20 ans)

Notes et références

Notes

  1. ↑ Abréviation de l'anglais Light-Emitting Diode.
  2. ↑ Abréviation de « diode électroluminescente ».
  3. ↑ Directeur de recherche à l'Institut national de la santé et de la recherche médicale, docteur en neurosciences, membre de l'Institut de la vision et du comité scientifique de la Fédération des aveugles et handicapés visuels de France.

Références

  1. ↑ « L'ascension sans fin des ampoules à LED », sur Futura, .
  2. ↑ « Éclairage led : 5 points-clés et 4 nouveautés », Le Moniteur,‎ (lire en ligne).
  3. ↑ (en) Nikolay Zheludev, « The life and times of the LED — a 100-year history » (consulté le ).
  4. ↑ « LED / DEL », originedeschoses.com, consulté en janvier 2017.
  5. ↑ « Le prix Nobel de physique attribué aux inventeurs de la LED bleue », Le Monde, .
  6. ↑ (en) « New light to illuminate the world », sur nobelprize.org, (consulté le ).
  7. 1 2 3 4 [PDF] Voir Efficacité lumineuse page 7, sur europole.net, consulté le 21 mai 2019.
  8. ↑ « La véritable histoire de l'ampoule de Livermore », drgoulu.com, .
  9. 1 2 « Quelle durée de vie réelle pour les ampoules LED ? », sur Natura Sciences (consulté le ).
  10. 1 2 3 4 « Quelle est la durée de vie des ampoules ? Au moins 110 ans ! », sur abavala.com (consulté le ).
  11. 1 2 « Connaissances de base sur les LED », sur osram.fr (version du 8 juin 2014 sur Internet Archive).
  12. ↑ (en) Philipp Cerny et Martin Keim, European Mobility Atlas 2021. Facts and Figures about Transport and Mobility in Europe, Heinrich-Böll-Stiftung European Union, , p. 14.
  13. ↑ Sophie Amsili, « L'utilisation des LED a permis d'économiser 162 centrales à charbon en 2017 », Les Échos, .
  14. ↑ Article sur les bases de la technologie LED, sur le site leclubled.fr.
  15. 1 2 3 « Connaissances de base », sur osram.fr (consulté le ).
  16. ↑ (en) Oliver Wainwright, « GravityLight: the low-cost lamp powered by sand and gravity », The Guardian,‎ (lire en ligne, consulté le ).
  17. ↑ « L'objet du jour : l'ampoule à LED, par Terra Eco », Le Monde, (consulté le ).
  18. ↑ Nicolas Grandjean, « Les LED blanches », Pour la science, no 421,‎ , p. 32-38.
  19. ↑ Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail, « Effets sur la santé humaine et sur l’environnement (faune et flore) des diodes électroluminescentes (LED) » [PDF], .
  20. ↑ « LED : les recommandations de l’Anses pour limiter l’exposition à la lumière bleue », sur anses.fr, .
  21. ↑ (en) Steven Weintraub, « The Color of White: Is there a "preferred" color temperature for the exhibition of works of art? », (consulté le ).
  22. ↑ Sébastien Point, « LED toxiques : la France ignore-t-elle l’expertise européenne ? », sur European Scientist.
  23. ↑ Sébastien Point, « Lumière bleue et valeur limite d’exposition : réponse à l’Anses », sur filière-3e.
  24. ↑ « Faut-il craindre la lumière bleue des LED ? », sur pseudo-sciences.org, (consulté le )
  25. ↑ (en) S. Point, Blue light hazard: are exposure limite values protective enough for newborn infants, Radioprotection, 2018.
  26. ↑ Sébastien Point, « Exemple d'utilisation inappropriée des lampes à LED : la chromothérapie » [PDF], sur sfrp.asso.fr, (consulté le ).
  27. ↑ (en) S. Point, the danger of chromotherapy, Skeptical Inquirer, juillet-aout 2017
  28. ↑ Sébastien Point, « Lumière bleue et jeunes enfants : les LEDs sont-elles plus nocives que les autres technologies de lampes ? », sur European Scientist, .
  29. ↑ « Le côté obscur des LED », sur sante.lefigaro.fr, (consulté le ).
  30. ↑ Directive 2004/108/CE du Parlement européen et du Conseil du relative … concernant la compatibilité électromagnétique…, legifrance.gouv.fr, consulté le 21 juillet 2019
  31. ↑ Quand j’allume mes ampoules à LED le CPL (courant porteur en ligne) ne fonctionne plus !, sur deled.pro
  32. ↑ Lampes à LED et perturbation radio, sur sonelec-musique.com
  33. 1 2 (en) Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths : Including Actinides, Elsevier, , 480 p. (ISBN 978-0-444-63705-5, lire en ligne), p. 89
  34. ↑ « EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack) » [archive du ]
  35. ↑ « EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack) » [archive du ], Home Depot (consulté le )
  36. ↑ « HomeDepot.com: Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb » [archive du ]
  37. ↑ « Philips LED Ultra Efficient Light Bulb 2 Pack [White 3000K - E27 Edison Screw] 60W A60 Frosted », sur Amazon UK (consulté le )
  38. ↑ « 60-Watt Equivalent A15 Dimmable Filament Classic Glass LED Light Bulb, Soft White (3-Pack) » [archive du ], Home Depot (consulté le )
  39. ↑ (en-GB) « LED Bulbs: LED Bulb – 9W E27 A60 Thermoplastic Warm White » [archive du ], sur v-tac.eu (consulté le )
  40. ↑ « 60W Equivalent Soft White A19 LED Light Bulb (2-Pack) » [archive du ], Home Depot (consulté le )
  41. ↑ « Cree 60W Equivalent Soft White (2700K) A19 Dimmable LED Light Bulb (4-Pack) » [archive du ], Home Depot
  42. ↑ « Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings » [archive du ], ConsumerReports, (consulté le )

Annexes

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

  • Sébastien Point, Lumière bleue : éclairage à LED et écrans menacent-ils notre santé?, Bookebook, coll. « Une chandelle dans les ténèbres », .
  • Laurent Massol, Les LED pour l'éclairage, Dunod, coll. « Technique et ingénierie », .