Maîtrise des caractéristiques des diodes électroluminescentes : un enjeu majeur en éclairage général - Caractérisation et tri des LEDs blanches

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Paragraphes de l'article

Partie 0 : Résumé
Partie 1 : Introduction
Partie 2 : Les LEDs
Partie 3 : Caractérisation et tri des LEDs blanches
Partie 4 : Conclusion
Partie 5 : Références bibliographiques

3. Caractérisation et tri des LEDs blanches

3.1. Caractérisation des LEDs blanches par les fabricants

Les LEDs sont testées et caractérisées à leur courant nominal par les fabricants suivant les paramètres suivants :

• Sa quantité de flux [lumen]

• Ses coordonnées colorimétriques, ou teinte

• Sa tension inverse Vf [volt]

« Binning and labeling » est le processus qui vise à caractériser les LEDs et à leur assigner un code spéc ifique.

Les valeurs déterminées lors de la caractérisation sont traduites en un code propre à chaque fabricant. La lecture de ce dernier permet de connaitre les caractéristiques d’une LED.

Les constructeurs de LEDs publient un document, intitulé « binning and labeling », qui présente leur politique de caractérisation [LUMILEDS B&L 2007], [SEOUL B&L 2008] et [CREE B&L 2008].

3.2. Tri en fonction du flux lumineux

Pour le flux lumineux, les performances des LEDs sont classées au sein d’une échelle. Les intervalles de cette échelle, les tris, appelés « bin », sont généralement dénommés par des lettres et sont propres à chaque fabricant. Concrètement, une LED blanche Lumileds émettant 100 lumen appartient au « bin U ».

3.3. Tri en fonction des coordonnées chromatiques

Chaque fabricant possède son propre quadrillage de l’espace colorimétrique. Ce dernier couvre une large gamme de teintes de blanc, allant des teintes froides aux teintes chaudes.

Initialement, les fabricants proposaient des LEDs dont la température de couleur n’était pas contrôlée, du fait des technologies employées, notamment lors de la phase du dépôt de phosphore sur la puce [MASSOL 2007b].

Afin de répondre aux besoins des clients, les fabricants ont mis en place des quadrillages de l’espace colorimétrique. Ce quadrillage est réalisé de telle sorte qu’un tri, appelé « bin », contienne moins de trois ellipses de MacAdam. Une ellipse de MacAdam est une zone de l’espace colorimétrique, de forme elliptique, à l’intérieur de laquelle on ne perçoit absolument pas de variation de teinte du blanc à l’œil nu [MAC ADAM 1942, 1943].

3.3.1. Augmentation de la densité du maillage

Originellement, le nombre de tris a eu tendance à augmenter alors que la surface globale du quadrillage restait globalement inchangée. Ceci se traduisit par un affinage du quadrillage [LUMILEDS B&L 2004, 2007].

Sur les figures ci-dessus, les tris X1, V1 et WA ont été subdivisés tandis que deux nouveaux tris sont apparus : U0 et VP.

3.3.2. Diminution du nombre de tris (ou de "bin")

En 2007, chez Lumileds, le quadrillage de l’espace colorimétrique était le suivant [LUMILEDS B&L 2007] :

Du fait de l’amélioration des processus de fabrication, les caractéristiques colorimétriques des LEDs sont mieux anticipées [LUMILEDS PR 2008]. Ceci explique que des tris du quadrillage soient progressivement supprimés. Dès à présent, une rangée de tris (de « bin ») est supprimée pour les teintes chaudes de la Luxeon Rebel [LUMILEDS REBEL 2008]. Ceci aboutit au quadrillage suivant :

Le mouvement va se poursuivre dans le futur. Ainsi, à terme, les seuls tris restants seront ceux proches de la courbe de Planck [LUMILEDS PR 2008], (Cf. Fig. N°11).

3.3.3. Diversité des espaces colorimétriques

L’évolution constante du quadrillage chez les fabricants peut rendre des références obsolètes. Ceci est le cas pour les tris (ou « bin ») QM, PM, NM et MM sur la Rebel de Lumileds [LUMILEDS REBEL 2007, 2008] (Cf. Fig. N°10).

Chaque fabricant possède son propre espace colorimétrique (ou de « binning »). Ceci a plusieurs conséquences, dont notamment la difficulté de substituer une LED blanche d’une marque par celle d’une autre facilement (Cf. Fig. N°12). A la rigueur il peut être possible de substituer un tri (ou « bin ») d’un fabricant par celui d’un autre, tant que les deux possèdent une zone de recoupement assez importante. Mais dans les faits, cela n’est pas possible. En effet, typiquement, on commande des LEDs appartenant à plusieurs tris (ou « bin ») voisins afin de réduire les problèmes d’approvisionnement. Ceci induit des zones de recoupement trop peu précises pour assurer une variation de teinte imperceptible d’une LED à l’autre.

Dans le cadre du service après-vente, il est nécessaire de pouvoir échanger un luminaire défaillant par un nouveau, tant que court la période de garantie prévue par le contrat.

Du fait de la myriade de fabricants de LEDs présents sur le marché, de leur évolution mais aussi de la densité de maillage des espaces colorimétriques, il est statistiquement peu probable qu’un  nouveau luminaire propose une colorimétrie équivalente au produit initial s’il n’a pas été intégré à la politique de tri des contraintes en termes de pérennité de l’approvisionnement.

Parallèlement, il conviendra également de spécifier une garantie de service après vente qui soit en accord avec la politique de tri de la société. Il semble peu probable de pouvoir échanger des LEDs d’aujourd’hui par celles qui existeront dans dix ans. Cela n’est pas rédhibitoire mais il est nécessaire d’en avoir conscience et de communiquer l’information en toute transparence.

3.4. Tri en fonction de la caractéristique électrique

Il est possible de demander aux distributeurs des lots de LEDs triés en fonction de leur tension inverse Vf.

L’intérêt de ce tri est généralement lié aux caractéristiques de l’alimentation lorsque cette dernière est dimensionnée au plus juste. En effet, si une alimentation fonctionne proche de sa limite (la tension qu’elle peut supporter est proche de la tension de l’ensemble des LEDs), l’intégration d’un lot de LEDs possédant un Vf élevé aura pour effet de dépasser la tension maximale et d’endommager le système.

Un autre cas dans lequel le tri est nécessaire est lorsque l’architecture prévoit des LEDs disposées en parallèle. Dans ce cas, il faut veiller à ce que les LEDs aient un Vf homogène [PHILIPS XITANIUM 2006].

3.5. Nécessité de mise en place d'une politique de tri

3.5.1. Tri et quantités éligibles

La caractérisation des LEDs par les fabricants leur permet de procéder à des tris, plus ou moins fins en fonction des demandes qu’ils reçoivent. Si l’on représente la production par un cube dont trois faces sont visibles (Cf. Fig. N°13), un tri suivant n’importe quel paramètre (le flux, la teinte ou le Vf), réduire l’offre. Et ce d’autant plus que le tri est fin.

Même sur un stock constitué de quantités très importantes de LEDs, il n’est pas possible d’opter pour certaines combinaisons de tris. En effet, des incompatibilités existent. Par exemple, les LEDs blanc chaud ne sont pas disponibles dans les flux maximum.

Il en résulte que plus les caractéristiques des LEDs demandées seront situées sur des intervalles réduits et plus les quantités éligibles seront faibles.

3.5.2. Impacts d'une politique de tri inadaptée

Un tri trop large entraine une augmentation du taux de produits jugés comme étant de mauvaise qualité. Ceci du fait de différences plus marquées en termes de teintes de blanc.

Si le tri est trop fin, les conditions d’approvisionnement sont moins favorables : en moyenne, les délais sont plus longs et les prix sont plus élevés sans que l’on crée de valeur ajoutée supplémentaire.

3.5.3. Mise en place et optimisation de la politique de tri

Il est primordial de mettre en perspective, dès la phase de conception, les besoins en termes de finesse de tri et les impacts que cela occasionne.

L’optimisation de la politique de tri permet de parvenir au « juste tri », véritable équilibre entre les différents facteurs que sont les contraintes techniques, la pérennité du produit, les délais et les coûts (Cf. Fig. N°14).

Concevoir un produit qui nécessite des LEDs triées très finement n’est pas inenvisageable. Le tout est d’intégrer dès le départ du processus de conception les caractéristiques souhaitées des LEDs ainsi que les incidences des choix.

3.6. Apports de la définitions de standards

Une standardisation du quadrillage de l’espace colorimétrique (du « binning ») chez tous les constructeurs de LEDs serait d’une aide précieuse. En effet, cela permettrait d’être plus flexibles en termes de choix des composants. Il serait alors possible de changer de modèle voire même de marque sans impacts en termes de colorimétrie. Aux Etats Unis, l’ANSI C78.377A propose un maillage de l’espace colorimétrique [DOE 2007].

Parallèlement, le recours aux brevets partagés est une pratique très commune chez les constructeurs de LEDs [TG&CREE 2008], [TG&NEUMARK 2008], [TG&OSRAM 2007], [TG&LUMILEDS 2006] et [GE&NICHIA 2006]. Ceci tend à uniformiser la production mondiale. Il en résulte un mouvement de convergence naturelle.