Lorsque l’on prend en compte les facteurs de maintenance du flux lumineux des lampes LED pour l’éclairage public, intégrer correctement la dépréciation du flux lumineux est un élément déterminant pour garantir qu’une conception d’éclairage respecte les exigences en fin de vie. Mais les professionnels de l’éclairage posent-ils les bonnes questions à leurs fournisseurs ?
Il est communément admis que la sortie lumineuse d’une LED diminue au fil du temps : c’est ce que l’on appelle la dépréciation du flux lumineux. Afin de garantir qu’une conception d’éclairage reste conforme aux exigences même en fin de vie, nous devons donc tenir compte de cette dépréciation sur toute la durée de vie du luminaire.
Ce faisant, nous nous retrouvons soit avec plus de lumière que nécessaire en début de vie, soit nous utilisons une méthode de sortie lumineuse constante (CLO) pour maintenir des niveaux homogènes sur la période, en démarrant l’unité en mode atténué et en augmentant progressivement jusqu’à la puissance maximale sur la durée de fonctionnement.
Jusqu’ici, rien de nouveau. Deux choix s’offrent clairement à nous pour gérer la dépréciation du flux lumineux, et ils sont proposés par tous les grands fabricants d’éclairage.
Choisir le bon profil CLO
Une considération qui peut facilement être négligée est toutefois d’adapter l’algorithme CLO à la durée de vie du projet conçu.
Si la durée de vie du projet est, par exemple, de 100 000 heures et que nous savons qu’après ce délai, la sortie LED d’une unité sera à 80 % de sa valeur initiale, alors, lors de l’installation des luminaires, nous devrions démarrer à 80 % de la sortie et augmenter la puissance de sorte qu’elle atteigne 100 % après 100 000 heures.
De même, si la durée de vie d’un projet est de 60 000 heures et que ce même produit conserve 88 % de sa sortie après cette période, l’algorithme CLO devrait démarrer à 88 % de la sortie et augmenter jusqu’à 100 % sur la période de 60 000 heures.
Ainsi, pour un luminaire LED typique avec un L80 de 100 000 heures, la CLO pourrait permettre d’économiser 10 % des coûts énergétiques sur toute la durée de vie.
Il est courant pour les fabricants de luminaires de définir un algorithme CLO par défaut en supposant que la durée de vie du projet est égale à la durée de vie du produit. Il est cependant important d’en être conscient afin que le profil CLO puisse être correctement adapté à l’installation.
N’oubliez pas non plus que, lors de l’utilisation de programmes CLO intégrés dans le pilote LED, si un remplacement de pilote s’avère nécessaire, à moins d’une reprogrammation unité par unité, l’algorithme CLO se réinitialisera et repartira depuis le «début de vie» ! Cela entraînera un projet sous-éclairé et donc non conforme.
Comprendre les durées de vie des LED et les facteurs de maintenance pour l’éclairage public LED
Comment savoir quelle sera la sortie de la LED à la fin du projet ?
Plusieurs modèles peuvent être utilisés pour projeter la sortie lumineuse et prédire le flux lumineux après une période de fonctionnement donnée. Ces méthodes s’appuient sur des données mesurées, puis utilisent des modèles mathématiques pour projeter les performances futures des LED sur la base des performances observées pendant la période d’essai.
La norme TM-21[1] est l’un de ces calculs et est couramment utilisée dans le secteur de l’éclairage. Le calcul est basé sur les données collectées conformément aux résultats LM-80[2] des LED.
LM-80 = Tests
LM-80 est une norme d’essai qui définit la manière dont un package, un réseau ou un module LED doit être testé, ainsi que la façon dont les résultats doivent être recueillis.
La méthode consiste à monter l’échantillon de LED dans une chambre d’essai avec des conditions ambiantes et des entrées électriques soigneusement contrôlées, puis à effectuer des mesures périodiques du flux lumineux et de la chromaticité des appareils.
La durée de l’essai doit être d’au moins 6 000 heures et est généralement prolongée bien au-delà pour améliorer la précision et la validité des projections. Les essais sont réalisés à une température de boîtier LED de 55 degrés, 85 degrés et à une troisième température choisie par le fabricant. Les données doivent être collectées au moins toutes les 1 000 heures à 25 degrés.
LM-80 est une source d’information fiable permettant aux clients d’évaluer et de comparer les facteurs de maintenance du flux lumineux des luminaires LED d’éclairage public de différents fabricants. Cependant, ce n’est pas une mesure complète des performances ou de la fiabilité d’un système LED.
Il convient de noter que si la durée de vie du pilote est inférieure à celle du module, un remplacement du pilote peut être nécessaire avant la fin du cycle de vie du luminaire. Cela signifie qu’il n’est pas possible d’avoir une valeur unique déclarant la durée de vie totale du luminaire. Les valeurs du module et du pilote doivent être déclarées séparément et non combinées.
TM-21 = Projections
La norme TM-21 a été développée pour extrapoler ces données d’essais à court terme des composants LED afin de prédire les durées de vie futures et d’assurer la fiabilité de la technologie.
Pour la prédiction de la dépréciation du flux lumineux, TM-21 nécessite simplement que la sortie lumineuse moyenne (en pourcentage de la sortie lumineuse initiale) des LED testées soit enregistrée à intervalles réguliers et équidistants pendant l’essai.
La méthode de projection peut ensuite être utilisée pour prédire la dépréciation du flux lumineux après une période donnée, ou pour prédire le nombre d’heures de fonctionnement qui s’écouleront avant que la sortie lumineuse atteigne un niveau de dépréciation défini.
Le tableau ci-dessus (Figure 1) montre un exemple de la façon dont les résultats LM-80 sont collectés et lesquels sont utilisés dans le calcul TM-21.
Le résultat est une durée de vie de maintenance du flux lumineux notée Lx, qui représente le temps de fonctionnement écoulé pendant lequel la source lumineuse LED maintiendra le pourcentage x de sa sortie lumineuse initiale. Par exemple : L70 (heures) = temps pour atteindre 70 % de maintenance du flux lumineux.
Puisque TM-21 définit un calcul basé sur la maintenance moyenne du flux lumineux à chaque point de mesure, le résultat est, par définition, la maintenance moyenne du flux lumineux d’un échantillon d’unités après la durée de vie de maintenance du flux lumineux notée. Autrement dit, après les heures indiquées, la moyenne arithmétique des maintenances du flux lumineux de l’échantillon sera la valeur Lx. La maintenance du flux lumineux suivant approximativement une distribution normale, nous pouvons également affirmer que pour un échantillon de LED, on s’attendrait à ce que la moitié des unités présente une maintenance du flux lumineux supérieure à celle prédite, et l’autre moitié une maintenance inférieure (voir Figure 3 ci-dessous).
Nous constatons ainsi que la méthode couramment spécifiée dans les appels d’offres d’éclairage public, TM-21, ne peut projeter que des valeurs de maintenance du flux lumineux moyennes (pour une distribution normale, moyenne = médiane = mode) et, en notation LxBy, représenterait LxB50.
Quel est l’impact de la valeur B ?
Niveaux d’éclairage et consommation d’énergie
Certains appels d’offres d’éclairage public demandent des projections de valeurs « B » ne représentant pas la performance moyenne de maintenance du flux lumineux. Par exemple, LxB10, c’est-à-dire le nombre d’heures de fonctionnement avant que plus de 10 % des LED ne fournissent moins de x % de la sortie lumineuse initiale.
La Figure 2 montre que, pour des LED dont la dégradation suit une distribution normale, B10 serait la valeur de maintenance du flux lumineux pour laquelle 10 % sont en dessous de la cible Lx et 90 % sont au-dessus du seuil.
Pour une LED donnée, le nombre d’heures correspondant à une valeur By inférieure sera toujours moindre que le nombre d’heures jusqu’à B50. La différence dépendrait de la variation de maintenance du flux lumineux mesurée entre les échantillons testés. Une valeur B10 est donc plus conservative que B50. En pratique, cela signifie que B10 est atteint plus tôt dans la durée de vie d’un ensemble de modules LED par rapport à B50.
À titre d’exemple, pour une LED avec L80B50 de 100 000 heures, on peut s’attendre à ce que la valeur L80B10 soit de l’ordre de 70 000 heures. À ce stade, on peut affirmer que 10 % des LED auront moins de 80 % de la sortie lumineuse. Cependant, comme le montre la Figure 3, la sortie lumineuse moyenne pour cet exemple après 70 000 heures est en réalité de 87,5 %.
Ainsi, si une installation d’éclairage public LED est conçue avec une durée de vie de 70 000 heures, la question pour le concepteur est de savoir s’il faut utiliser L80B10 = 70 000 heures et prendre le facteur de maintenance à 0,8, ou utiliser L87,5B50 = 70 000 heures et prendre le facteur de maintenance à 0,875. Cette dernière option entraîne clairement une consommation d’énergie moindre.
Pour déterminer le facteur de maintenance, la valeur de maintenance moyenne du flux lumineux est sans doute plus appropriée, car nous souhaitons éviter un projet sous-éclairé ou sur-éclairé. En reprenant l’exemple ci-dessus, si L80B10 est utilisé, le projet sera sur-éclairé de 7,5 % en moyenne, ce qui n’est pas le cas avec L87,5B50 (les deux correspondant à 70 000 heures).
N’oubliez pas qu’un luminaire LED contient généralement plusieurs LED. Les puces LED se dégradant à des rythmes différents, la dépréciation du flux lumineux du luminaire correspond déjà à une moyenne des dépréciations des puces LED individuelles au sein de l’unité.
Précision des comparaisons de luminaires
Outre le risque de sur-éclairage, un autre problème lié à l’utilisation des valeurs « B » concerne la façon dont elles sont calculées. TM-21 est une méthode de calcul définie pour la maintenance moyenne du flux lumineux et exige que les LED soient testées selon la norme LM-80. Cependant, TM-21 ne fournit aucune indication sur la manière de calculer les valeurs « B ».
Ainsi, tout chiffre fourni est calculé selon une méthode choisie par le fabricant. Cela est problématique, car l’absence d’approche normalisée signifie que les résultats ne peuvent pas être comparés sur une base équivalente, ce qui, au mieux, brouille le processus de décision entre luminaires.
Interprétation des normes britanniques
L’annexe C de la norme BS 5489-1 décrit le processus de calcul des facteurs de maintenance pour l’éclairage public LED à utiliser dans les conceptions d’éclairage.
Ce document fait uniquement référence à la maintenance du flux lumineux en tant que valeur Lx sans méthode pour intégrer les valeurs By dans le calcul. Ce qui signifie que l’utilisation de toute valeur autre que B50 pourrait être considérée comme trompeuse.
Appréhender les valeurs BY : Variation de la dépréciation du flux lumineux
L’un des facteurs clés que la valeur « B » tente d’éclairer est la variation de la maintenance du flux lumineux entre les échantillons LED pendant les essais.
Par exemple, si nous disposons d’un échantillon de 10 LED et que nous les avons fait fonctionner pendant 100 000 heures, il serait préférable que les résultats de maintenance du flux lumineux ressemblent à ceux de l’«Exemple 1» de la Figure 3 ci-dessous plutôt qu’à ceux de l’«Exemple 2».
Figure 3. Variation de la maintenance du flux lumineux entre les échantillons
La raison en est que, bien que présentant la même dépréciation moyenne du flux lumineux (et donc des figures L80B50 identiques), l’Exemple 1 offre une plus grande cohérence de maintenance du flux lumineux. Cela signifierait que toutes les LED se dégraderaient de façon beaucoup plus régulière, délivrant ainsi une sortie lumineuse plus homogène dans le temps.
Si nous pouvions être certains que les mêmes méthodes ont été utilisées pour calculer les valeurs B10 dans les deux exemples, la qualité de l’exemple 1 serait mise en évidence par la demande de L80B10. En réalité, comme nous le savons, il n’existe aucune normalisation pour le calcul de cette métrique, ce qui rend les comparaisons pas toujours pertinentes.
Une autre façon dont les clients peuvent obtenir des informations sur la variabilité est de vérifier la variance ou l’écart-type des résultats du rapport d’essai LM-80 d’une unité. Comme LM-80 est une procédure d’essai normalisée par l’industrie, cela garantirait une comparaison équitable et fiable entre des luminaires équivalents.
Cela pourrait même être intégré dans les documents d’appel d’offres en précisant simplement un écart-type maximal admissible (une mesure de la variation des résultats par rapport à la moyenne) à partir de tout point de mesure de la maintenance du flux lumineux pendant le processus d’essai LM-80.
Synthèse
L’utilisation de valeurs « B » alternatives par rapport aux projections TM-21 standard peut :
- Engendrer un projet sur-éclairé et donc des coûts sur la durée de vie plus élevés
- Brouiller le jugement entre différents luminaires, faute de norme garantissant que les fabricants utilisent le même calcul. À titre de comparaison, TM-21 est identique chez tous les fabricants
L’utilisation de B50 est la mesure la plus précise et la plus appropriée pour garantir la cohérence avec les principes des facteurs de maintenance pour l’éclairage public LED, tout en maximisant la durée de vie et l’efficacité de l’installation.
Cependant, les choses ne sont bien sûr jamais aussi simples !
Bien que les avantages de TM-21 soient évidents et que l’on soit tenté d’ignorer toute revendication liée aux valeurs « B », le problème avec TM-21 est qu’une LED présentant un degré élevé de variation de maintenance du flux lumineux entre les échantillons est traitée de la même manière qu’une LED dont la maintenance du flux lumineux est très homogène entre les échantillons.
Il est donc souhaitable de spécifier une source LED présentant le moins de variation possible dans les performances de maintenance du flux lumineux. Cela peut être fait de manière cohérente et comparable en spécifiant des variations minimales observées dans les résultats des essais LM-80 (voir la ligne Écart-type mise en évidence en beige dans la Figure 2).
En définitive, consommer plus d’énergie que nécessaire pour respecter les normes n’est clairement pas souhaitable. Se fixer un objectif de performance tel que L80B10 non seulement génère cet excès et est susceptible d’être manipulé, mais nuit également à la capacité de comparer précisément les luminaires.
Lawrence Baynham MEng est directeur technique chez INDO Lighting. Ses conclusions ont été publiées dans l’ILP Lighting Journal de novembre/décembre 2017 sous le titre «Diminishing Returns», et présentées lors de son webinaire «To B50 or not to B50».
[1] TM-21-11 Projecting Long-Term Lumen Maintenance of LED Light Sources – Illuminating Engineering Society of North America (IESNA)
[2] LM-80-08 Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources – IESNA
