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Les économies d’énergie dans l’éclairage

Actuellement la manière la plus connue d’économiser de l’éclairage consiste à utiliser des ampoules à économie d’énergie. Pour les petits éclairages les Led commencent à être connues. Mais il y a moyen de préciser un peu les choses car ces techniques sont mises en œuvre par les fabricants avec plus ou moins de succès selon les produits.
Les différents rendements des ampoules :
Les ampoules à incandescence

ont un rendement de 10 à 16 lumen par watt, parfois moins notamment certaines ampoules de voitures ont des rendements moins élevé tout simplement pour diminuer la fragilité du filament qui est soumis à des vibrations.
Les ampoules halogènes ont un rendement de 15 à 20 lumen par watt ; il faut cependant noter que ces ampoules sont souvent montées sur des variateurs de lumière ; plus on baisse l’éclairage d’une ampoule halogène, plus son rendement diminue ; ce qui veut dire qu’une ampoule halogène, si elle n’est pas utilisée à pleine puissance, aura dans la plupart des cas un rendement inférieur à une ampoule à incandescence. Evidemment si c’est l’hiver et qu’on a besoin de chaleur il ne s’agit pas d’une perte dans tous les sens car ce qui n’est pas transformé en lumière est transformé en chaleur ; la lumière elle -même rayonnée dans la pièce au contact des objets est absorbée (quelquefois après plusieurs réflexions) et redevient de la chaleur. Dans l’absolu une ampoule qui a un rendement de 10 lumen par watt transforme à peine 1,5 pour cent de l’énergie qu’elle consomme en lumière ! Les meilleurs ampoules on des rendements de 15% loin derrière le... ver luisant qui frise les 100% de rendement avec une faible puissance il est vrai !
Les ampoules à économie d’énergie

ou ampoules fluorescentes, ont un rendement de 45 à 80 lumen par watt. Inconvénient : leur lumière est plus agressive, car moins bien répartie dans le spectre que la lumière des lampes à incandescence ou halogènes ; d’autre part elles émettent un rayonnement électromagnétique à cause de leur convertisseur.
Choix des ampoules : Toutes les ampoules à économie d’énergie n’ont pas les mêmes rendements. Celui-ci est donné sur la boîte ; l’éclairage est exprimé en lumen. Les ampoules de grandes marques ont en général de bons rendements comme celles de Osram, mais on trouve aussi des lampes à bon rendement dans des marques secondaires et à des prix promotionnels, soit à moins de 5 Euro la lampe. Par exemple une ampoule de 11 watt qui a un bon rendement va donner environ 800 lumen et sera suffisante pour éclairer une pièce. Les valeurs les plus courantes pour ces ampoules sont des 15 watts mais on voit ainsi qu’en choisissant bien on arrive à économiser un peu d’énergie. Bien entendu les ampoules qui consomment moins génèrent aussi moins de pollution électromagnétique.
Les lampes à LED

(diodes électroluminescentes.) On trouve des diodes luminescentes de tous les rendements et à tous les prix ; les rendements varient de 10 lumen par watt à 80 lumen par watt car elles sont plutôt destinées aux petits éclairages (lampes portatives ou spots.)
Il n’est pas pour l’instant rentable d’utiliser des diodes Led dans un éclairage principal de pièces car une diode de 3 watts coûte environ 10 Euro ; donc pour obtenir le même éclairage qu’une ampoule à économie d’énergie il en faudrait 3 à 4, soit un prix de revient de 40 à 50 Euro en comptant le refroidisseur pour un rendement qui ne dépassera pas celui de la lampe à économie d’énergie. Par compte il y a deux avantages : La lumière est un tout petit peu mieux répartie dans le spectre, ces lampes sont avantageuses si on a besoin de focaliser la lumière dans une direction, enfin absence de rayonnement électromagnétique de la Led. (dernier point à relativiser car les transformateurs qui alimentent les Led sont à découpage ; par contre ils sont plus faciles à blinder.
On distingue principalement deux types de diode luminescente
- La diode classique de 5 mm de diamètre, qui a une puissance maximale de 0,1 watt et qui était à l’origine destinée à réaliser des voyants, mais qu’on utilise maintenant dans de petits systèmes d’éclairage : lampe de poche, lampe de porte-clés, lampe de jardin et petits spots. Les diodes que j’ai vu couramment utilisées dans les lampes de jardin et les porte-clés ont des rendements de 20 à 40 lumen par watt. Les meilleures diodes ont aujourd’hui des rendements de l’ordre de 80 lumen par watt ou 40 candela à 15° (par exemple Nichia NSPW500GL, en vente sur www.shoplight.de s’en rapproche, avec un prix de revient unitaire de 1,20 Euro environ.ou moins cher un modèle annoncé « 55000 mcd » sur Ebay dans la boutique Jeledhk ; les dernières sont vendues par 50 pour un prix de 10 Euros soit environ 20 centimes pièce.)

 La diode de puissance qui a une puissance la plupart du temps comprise entre 1 et 5 watt. (ceci étant on trouve néanmoins une gamme intermédiaire avec par exemple des diodes de 0,5 watt.
Il y actuellement deux diodes de puissance qui donnent les meilleurs résultats en rendement :

 Seoul Z-Led P4 Rank-U qui atteint 220 lumen à 3 watts ; en vente encore sur shoplight à 8,50 Euro ou sur Luxleds sensiblement au même prix.

 Cree-Xlamp Q4 qui atteint 240 lumen à 3 watts, soit un rendement de 80 lumen par watt.
Le rendement n’est pas proportionnel à la puissance, à un watt il dépasse les 100 lumen par watt. (Attention il existe des modèles antérieurs de Cree-Xlamp qui ont de moins bons rendements comme le Q5 à 225 lumen, boutiques Ebay : Luxleds ; ou Kiml led lighting compagny.) Prix : de 5 à 10 euro selon le fournisseur.
Pensez à acheter la colle conductrice, le refroidisseur, l’optique (plusieurs angles de diffusion existent au choix pour l’optique.)
Les indications que je donne sont faites en avril 2008 ; les choses évoluent assez rapidement : prix, rendements…
Il existe d’autre marques plus connues comme Luxeon avec toutefois des rendements qui apparaissent maintenant en-deçà des autres.
Il est assez facile de vérifier avant l’achat la qualité d’une diode de puissance, en effet leur éclairage est donné en lumen. Pour les diodes 5 mm c’est plus difficile car l’éclairage est exprimer en millicandela qui est non pas le rayonnement total mais l’intensité lumineuse, relativement à une surface. Le candela est le flux lumineux d’une source d’un lumen qui éclaire un mètre carré. Mieux vaut se fier pour l’achat de diodes Led à des sites qui donnent les caractéristiques et les références des diodes vendues pour ne pas avoir de surprise sur la luminosité. (shoplight, ledtech.de par exemple ; ou encore certaines boutiques Ebay comme Jeledhk ; sinon il vaut mieux acheter de petites quantités et tester la qualité.)
Le calcul de luminosité
Il ne faut pas croire qu’une diode annoncée 120000 mcd éclairera plus qu’une annoncée 55000 car cette valeur n’a de sens qu’en fonction de l’angle du flux lumineux.
Prenons un exemple même diode 5 mm ; si elle est pourvue d’une optique pour être focalisée sur 15 degrés, va donner un flux lumineux de 40000 mcd (C’est le maximum à l’heure actuelle). Si elle est pourvue d’une optique pour être focalisée sur 30 degrés elle produira un flux lumineux de 10000 mcd. (Etant donné qu’on éclaire une surface le flux diminue proportionnellement au carré de l’angle.) Pourtant bien sûr l’éclairage global sera le même car si on recule la diode focalisée à 15 degrés pour éclairer la même zone que celle de 30 degrés les deux éclairages seront parfaitement identiques.
On produit actuellement des diodes Led de puissance jusqu’à 5 Watts ; pour les puissances supérieures on combine tout simplement plusieurs modules luminescents dans le même boîtier ; c’est la technique « multichips » qui permet d’obtenir des diodes de 15 watts par exemple ; elles ont un intérêt dans les dispositifs qui nécessitent de focaliser fortement la lumière comme les projecteurs vidéo par exemple.
Le montage pratique des diodes

Les diodes ne conduisent le courant que dans un seul sens ; par conséquent il faut veiller à les brancher dans le bon sens.
La limitation de courant
D’autre part la diode nécessite une limitation de courant, par exemple à l’aide d’une résistance.
Par exemple une diode blanche a une tension directe de 3,5 volt environ. Si on veut le brancher sous 12 volts sachant que le courant dans la diode ne doit pas dépasser 20 milliampères la résistance devra suivre la formule suivante : R : U / I
Soit R = 12 - 3,5 / 0,02 soit environ 370 ohms.
Bien sûr il faut autant que possible s’approcher de la tension de l’alimentation sinon on a une perte de rendement dans la résistance. Ainsi sous 12 volts il vaudra mieux utiliser trois diodes Led en série ce qui fera une tension directe de 10, 5 volt. Pour aller à 12 volt la résistance devra produire une chute de tension de 1,5 volt seulement soit R = 1,5 / 0,02 soit environ 75 ohms. A noter que si la tension d’alimentation variait légèrement le montage s’autorégule un peu car quand l’intensité dans une diode augmente, sa tension directe augmente un peu.
S’il y a des variations assez importantes de tension comme dans une voiture on peut aussi utiliser un régulateur électronique très facile à réaliser avec un circuit intégré réducteur de tension.
L’utilisation d’une réduction de tension avec une résistance ou un régulateur électronique en montage « résistif » produit une perte de rendement en proportion de la chute de tension qu’on réalise. Ainsi une diode de 3 volts branchée sous douze volts possède un système résistif qui occasionne un perte des 9/12e soit une perte de 75% autrement dit un rendement de 25% !
Il s’agit d’un oscillateur qui découpe la tension à une fréquence de l’ordre de plusieurs centaines de Khz puis qui lisse le courant en sortie à l’aide d’un condensateur. On obtient une réduction de tension avec un très bon rendement. Les circuits intégrés permettent de remplir cette mission avec un minimum de composants.
Si la diode doit être alimentée par un potentiel très différent de sa tension directe mieux vaut utiliser un circuit intégré « hacheur » appelé aussi « converter » ou « inverter » en anglais qui possède un rendement de 80 à 90 %.

Bien sûr ce système électronique marche aussi en sens inverse et permet de faire remonter une tension insuffisante ; on peut ainsi alimenter une diode normale ou une diode de puissance avec, par exemple, seulement une ou deux batteries de 1,5 volts. Il n’y a pas de miracle cependant, si on veut obtenir par exemple 1 ampère sous 3 volts et qu’on est alimenté par une batterie de 1,5 volts compte tenu du rapport de transformation le circuit consommera 2 ampères, plus les pertes de rendement soit environ 2,4 ampères.
Ce circuit est un convertisseur-élévateur (Step-up converter.) Il est employé dans la plupart des accessoires électroniques d’aujourd’hui, pour les éclairages d’écrans d’ordinateurs, d’appareils photos, d’alimentation de flashs, alimentation de téléviseurs, etc.
Le refroidissement

Les diodes de 5 mm ne demandent pas d’autre précaution ; pour les diodes de puissance de plus d’un watt il faut en outre prévoir un refroidisseur qui est généralement vendu dans les mêmes boutiques. Pour fixer la diode sur le refroidisseur on utilise soit une feuille thermoconductrice autocollante (environ 0,50 Euro) soit une colle thermoconductrice.
Les diodes de 5 mm possèdent une optique moulée alors que, avec les diodes de puissance, plusieurs optiques sont disponibles au choix ; l’optique d’une diode de puissance avec son support revient à environ 4 Euro.
Quelques réalisations pratiques

Avec trois diodes de 5 mm en série (à condition encore une fois d’utiliser des diodes de forte luminosité) on atteint une luminosité voisine d’une lampe navette de voiture. La consommation n’a rien à voir : 0,3 watt au lieu de 5 watt. Il n’y a aucun inconvénient je pense à utiliser cet éclairage pour un coffre, une boite à gants ou un plafonnier (aucun risque de décharger la batterie s’il restait allumé) par contre pour l’éclairage extérieur de la voiture (veilleuses, plaques...) celui-ci doit être homologué.
On peut avantageusement remplacer une ampoule de lampe de poche si elle fonctionne avec 4 piles ( en effet si on ne prévoit pas d’électronique il faut que la tension d’alimentation dépasse 3,5 volts ; or avec des éléments rechargeables qui font 1,2 volts on est un peu juste avec trois éléments.) La résistance en série pour 4 éléments est très faible ; dans notre essai pour alimenter une diode de 3 watts nous avons pris 1,5 ohm.