L'efficacité lumineuse d'une LED

• L'efficacité lumineuse d'une LED dépend majoritairement de :
• La température de couleur de la LED (CCT en Anglais pour "Correlated Colour Temperature" , exprimé en °K)
• Le courant d'alimentation (I, exprimé en ampère).
• La température au niveau de la puce (température de jonction Tj, exprimée en °C).

Influence de la température de couleur (CCT)

Les fabricants de LEDs trient les LEDs (on dit qu'ils font du binning) en fonction de leur température de couleur. Trois grands tris, dits "bin", existent pour les LEDs blanches :

• Cool white : blanc froid, de teinte bleutée.
• Neutral white : blanc neutre.
• Warm white : blanc chaud, sa teinte est jaunâtre et se rapproche de celle d'un lampe incandescente.

Ce tableau montre l'impact de la température de couleur d'un LED (sa teinte) sur le flux nominal de la LED XP-E, mise sur le marché fin 2008 / début 2009 par le constructeur Américain CREE.

Les flux nominaux moyens (mesurés pour un courant de 350mA à une température de jonction Tj=25°C, sont :

• Blanc froid : 100,5 lumen
• Blanc neutre : 90,5 lumen
• Blanc chaud : 77,3 lumen

Les LEDs sont d'autant plus efficaces que leur teinte est froide. Ceci explique pourquoi la plupart des lampes à LEDs qui mettent en avant leur puissance lumineuse ont une teinte très bleutée, désagréable.

Pourquoi le flux diminue-t-il lorsque la teinte est plus chaude ?

Ceci s'explique par le spectre des LEDs.

Une LED de teinte froide (trait bleu), possède un pic important dans le bleu et une petite part dans les longueurs d'onde plus grandes (le mélange des longueurs d'onde du spectre conduit à une teinte bleutée). Tandis qu'une LED de teinte chaude (trait rouge) possède un petit pic dans le bleu et une grande "bosse" dans les rouges, il en résulte une teinte jaunâtre. Les LEDs blanc neutre possèdent un spectre intermédiaire qui génère un blanc neutre, ni bleuté, ni jaunâtre.

Une LED blanche est généralement composée d'une LED bleue dont la puce est recouverte d'une couche de phosphore, qui transforme une part du rayonnement bleu en rayonnement jaune. C'est le mélange bleu + jaune qui donne la lumière blanche. La proportion de jaune et de bleu conduit à des blancs allant de la teinte bleutée à jaunâtre.

Les phosphores qui transforment les photons bleus en photons jaunes possèdent une efficacité inférieure à 100%. Par conséquent, la production de photons jaunes engendre des pertes. Les LEDs blanches sont donc d'autant plus efficaces qu'elles possèdent une grande part de bleu dans leur rayonnement.

Influence du courant d'alimentation (I)

Le flux lumineux dépend directement du courant d'alimentation d'un LED.

La relation flux(courant) est concave et non linéaire. Il en résulte que :

• Une augmentation du courant augmente le flux lumineux.

• Une multiplication par deux du courant engendre une augmentation du flux lumineux d'un facteur inférieur à deux. Typiquement, en passant le courant de 350mA à 700mA, le flux lumineux est multiplié par 1,5 environ en condition réelle.

Certaines LEDs acceptent des courant plus importants que la CREE XP-E. Notamment la P4 de Seoul Semiconductors [DS P4 2009] et la K2 de chez Lumileds [DS K2 2009], qui acceptent officiellement plus d'un ampère, et officieusement, plus de deux ampères !. Néanmoins, attention, du fait de la concavité de la relation flux(courant), une augmentation du courant n'est souvent pas la meilleure solution.

La non linéarité de la relation entre le flux et le courant entraine une baisse de l'efficacité d'une LED lorsque le courant qui la parcourt augmente. L'efficacité lumineuse, exprimée en lumen par Watt, décroit avec l'augmentation du courant.

Influence de la température

Comme tout composant électronique, la température impacte les performances d'une LED blanche.

La LED est d'autant plus efficace que sa température de jonction est faible. Par conséquent, une même LED sera plus efficace à basse température (elle accepte jusqu'à -40°C) qu'à haute température.

Corrélation des trois paramètres

Les trois paramètres sont corrélés, mais volontairement, nous ne rentreront pas dans les détails.

Je vous propose une simulation à l'aide de l'Usable Light Tool (ULT) de Future Lighing Solutions [FLS ULT 2009].

LXML-PWW1-0050 : Luxeon Rebel de teinte chaude, 55 lumen typique, alimentée à 700mA à 90°C.
LXML-PWC1-0100 : Luxeon Rebel de teinte froide, 105 lumen typique, alimentée à 350mA à 25°C.

Les chiffres sont sans appel : le rapport des deux efficacités lumineuses est supérieur à deux.

Conclusion

Une LED aura une efficacité lumineuse qui dépendra largement de trois paramètres : la teinte, le courant d'alimentation et la température d'utilisation. Le premier, la teinte, est intrinsèque à la LED et dépend de sa constitutions. Les deux autres, le courant d'alimentation et la température d'utilisation, sont liés à l'intégration de la LED dans un système.

Une LED de teinte chaude utilisée avec un fort courant à des températures élevées aura une efficacité lumineuse très inférieure à celle d'une LED de même modèle de teinte froide utilisée à faible courant et à basse température.

Il n'est pas possible de fournir une valeur précise de l'efficacité lumineuse d'une LED dans le cas général. Nous pouvons seulement dire que cette valeur varie typiquement entre une dizaine de lumen par Watt à plus de cent, ceci dépend de la LED mais surtout de sa mise en œuvre.

Sources

[DS XP-E 2009] Datasheet de la Cree XP-E, version 2 (Réf. CLD-DS18.002).

[DS K2 2009] Datasheet de la Lumileds K2 classique et K2 TFFC.

[DS P4 2009] Datasheet de la Seoul Semiconductors P4

[FLS ULT 2009] Outil Usable Light Tool, édité par Future Lighting Solutions.