Pourquoi et comment réduire les coûts et la consommation d’énergie dans les conceptions d’éclairage avec les DEL COB

Les DEL sont en concurrence avec les sources d'éclairage traditionnelles sur de nombreux points, y compris un rendement énergétique supérieur, une durée de vie étendue et un format plus compact. Toutefois, le seul inconvénient affectant de nombreux concepteurs d'éclairage est le coût, et c'est pourquoi les fabricants continuent à innover pour améliorer les économies d'échelle. Les modules de sources de lumière COB constituent l'une des nouvelles solutions de conditionnement destinées à réduire les coûts. Les puces DEL sont des puces à semi-conducteur qui ne sont ni en boîtier ni connectées mais montées directement sur une carte à circuit imprimé, ou plus généralement sur un substrat. Ce style de conditionnement fournit également plus avantages connexes, tels qu'une plus grande flexibilité de conception, une meilleure diffusion lumineuse et des processus de fabrication simplifiés.

Il existe d'autres raisons pour lesquelles les concepteurs pourront sérieusement envisager l'utilisation de DEL COB dans leurs prochaines conceptions. Dans un rapport récent de Research and Markets, les analystes remarquent que les DEL COB, qui sont des émetteurs de lumière à large couverture (pouvant donc être utilisés pour l'éclairage urbain et autoroutier), offrent trois avantages majeurs : meilleur mélange des couleurs, meilleur effet lumineux et faibles exigences de résistance thermique. De plus, ces DEL COB offrent une densité de puissance supérieure et une dissipation thermique plus efficace, et requièrent un espace carte inférieur. C'est pourquoi elles conviennent parfaitement pour de nombreuses applications d'éclairage général, selon les analystes du cabinet.

Prenons l'exemple de différentes DEL COB, notamment la série Vero™ de Bridgelux, la série Zenigata de Sharp et les produits CXA de Cree, pour démontrer comment ces dispositifs peuvent simplifier les conceptions d'éclairage tout en économisant l'énergie et en réduisant les coûts.

L'an dernier, Bridgelux (Livermore, CA) a lancé sa série Vero de matrices de DEL COB (Figure 1) présentant un rendement hautes performances : 120 lm/W nominal, 110 lm/W minimum en moyenne. Cette série améliorée offrirait des économies d'énergie d'environ 11 % par rapport à la génération précédente. Cette série est disponible en quatre configurations différentes de surface d'émission lumineuse (LES) et peut fonctionner sur une vaste plage de courants. De plus, les matrices Vero sont disponibles avec des options de contrôle couleur de deux et trois SDCM (Standard Deviation Color Match) afin d'offrir une précision de contrôle couleur élevée et un éclairage uniforme.


Figure 1 : La gamme Vero de Bridgelux offre des options d'indice de rendu des couleurs de 70, 80, 90 et 97 pour produits Décor. (Le spectre chromatique pour le blanc chaud est 3000 K IRC 80, 4000 K IRC 80 pour blanc neutre et 5000 K IRC 70 pour blanc froid. Informations fournies par Bridgelux).

Un contrôle couleur plus haute précision « permet d'améliorer la qualité de la lumière en offrant une meilleure uniformité entre les sources lumineuses adjacentes » selon Bridgelux. En outre, la série Vero dépasse les exigences California Energy Commission R9 pour les luminaires et les lampes.

La spécification de rendement 120 lm/W est une performance moyenne sur tous les formats basés sur les configurations d'indice de rendu des couleurs (IRC) 80, 3000 K, commandées à des courants nominaux, selon Bridgelux. Les concepteurs peuvent toutefois atteindre des rendements atteignant 140 lm/w avec des courants inférieurs.

La plateforme Vero permet une connectivité plug-and-play grâce à un port de connecteur intégré offrant des connexions électriques sans soudure et un montage aisé pour des processus de production simplifiés pour les fabricants d'éclairage. Les avantages sont des coûts inférieurs, des délais de commercialisation plus rapides et des exigences d'inventaire réduites.

Spécifications clés :

• Performances de sortie lumineuse s'étendant de 240 à 16 400 lumens
• Options de température de couleur proximale (CCT) de 2700 K à 5000 K
• Options IRC incluant IRC 70, 80, 90 et 97 pour produits Decor
• 3 SDCM standard pour CCT de 2700 K à 4000 K avec options 2 SDCM
• Fonctionnement fiable jusqu'à 2 fois le courant d'attaque nominal
• Configuration de puce radiale améliorant la densité lumineuse et le contrôle de faisceau
• Pastilles de soudure thermiquement isolées
• Port de connecteur sans soudure pour connectivité plug-and-play et mise à niveau sur le terrain
• Marquage supérieur des produits et code-barre 2D

Les autres avantages incluent la compatibilité avec de nombreux circuits d'attaque standard (incréments de 350 mA) et composants optiques, offrant une plus grande flexibilité de conception et davantage d'options, et contribuant à réduire les cycles de développement des produits, les coûts et les contraintes d'inventaire.

La technologie Zenigata COB de Sharp Electronics Corp permet également de simplifier les conceptions. La série de modules Zenigata est disponible en trois versions : Mega, Mini et Petite Zenigata. La conception Sharp utilise un substrat céramique au lieu de métal, ce qui selon la société offre une « dissipation thermique optimale sans décoloration ». Cela se traduit par un faible décalage couleur avec une sortie lumineuse régulière sur le temps. La surface d'émission lumineuse uniforme simplifie la conception optique tout en améliorant la qualité lumineuse dans de nombreuses applications.

Intéressons-nous plus précisément aux modules COB de Sharp.

Les modules Mega Zenigata 50 à 80 W ciblent les applications d'éclairage haute puissance avec leurs économies d'énergie. Les DEL haute luminosité éliminent les problèmes d'uniformité liés à l'utilisation de plusieurs DEL dans un luminaire. Ces modules permettent d'utiliser un seule DEL dans un luminaire, ce qui économise de l'espace en plus de régler les problèmes d'uniformité. Disponible en boîtiers de 20 mm × 24 mm, la gamme Mega Zenigata inclut des modules à IRC standard et élevé, avec des performances minimum d'IRC de 90 et 80, respectivement. Ces DEL COB peuvent être utilisées dans des applications d'éclairage intérieur et extérieur, y compris l'éclairage architectural, les projecteurs, les plafonniers, les éclairages encastrés, l'éclairage de zones ou d'objets, et l'éclairage haute densité.

Pour les applications de produits intermédiaires, Sharp propose la gamme COB Mini Zenigata de 15 W, qui simplifie la conception de lentilles et de réflecteurs grâce à la surface d'émission lumineuse circulaire de 8 mm. Les DEL Mini Zenigata, disponibles en boîtiers de 15 mm x 12 mm x 1,6 mm, présentent environ 1/3 de la surface des produits Mega, ainsi qu'une réduction de la zone d'émission, selon Sharp. Les applications incluent l'éclairage intérieur et extérieur, l'éclairage architectural, les lampes de lecture, les projecteurs, l'éclairage mobile, les suspensions, la signalisation lumineuse, et l'éclairage de zones ou d'objets.

Pour les produits à plus faible puissance, les DEL COB Petite Zenigata (Figure 2), s'étendant de 4 à 6 W, sont destinées aux applications exigeant des lentilles plus petites, y compris les petits luminaires à éclairage dirigé ou sur rail. Ces DEL sont disponibles en boîtier compact de 8 mm x 12 mm avec une surface d'émission lumineuse de 4 mm. Les produits 9,6 V permettent d'utiliser un convertisseur abaisseur CC/CC dans les lampes MR16 (qui requièrent normalement 12 V), tandis qu'un composant plus haute tension de 40 V simplifie la conception de circuit d'attaque pour les lampes GU10. Ces DEL peuvent être utilisées dans des conceptions exigeant des lentilles très compactes, notamment les lampes de remplacement MR16, les lampes de remplacement GU10, les petits rails d'éclairage, les petits projecteurs, les suspensions, les lampes de lecture et les éclairages d'appoint. La ligne IRC élevée (IRC minimum de 90) offre 300 à 395 lumens de luminosité.


Figure 2 : Les DEL COB Petite Zenigata de Sharp présentent un boîtier de 8 mm x 12 mm et une surface d'émission lumineuse de 4 mm. Les produits 9,6 V permettent d'utiliser un convertisseur abaisseur CC/CC dans les lampes MR16 (qui requièrent normalement 12 V), tandis qu'un composant plus haute tension de 40 V simplifie la conception de circuit d'attaque pour les lampes GU10 (informations fournies par Sharp).

Cree Inc. (Durham, NC) a récemment étendu sa gamme CXA avec les matrices de DEL CXA3070 qui offrent plus de 11 000 lumens à 85°C. Conçues pour simplifier la conception et réduire les coûts système globaux, les matrices de DEL à sortie lumineuse élevée délivrent jusqu'à 134 lumens par watt à 85°C et des options IRC 70-95. Les DEL, caractérisées et triées à 85°C, sont disponibles en températures de couleur EasyWhite et blancs ANSI (2700 K à 5000 K).

Offrant une sortie lumineuse élevée et un haut rendement, les matrices de DEL CXA3070 peuvent fournir des performances système de 8000 à plus de 10 000 lumens. Traduction : elles peuvent être utilisées dans les applications à sortie lumineuse très élevée telles que les lampes de remplacement aux halogénures (MH) céramique et haute densité.

Les valeurs de flux lumineux relatif données par le fournisseur pour la matrice CXA3070 (Figure 3 ci-dessous) sont le rapport de mesure du CXA3070 à fonctionnement constant selon les conditions données, divisés par le flux mesuré lors du tri (binning) (mesure impulsionnelle à 1925 mA à TJ = 85°C).

Par exemple, à fonctionnement constant de T_C = 25°C, I_F = 1300 mA, le taux de flux lumineux relatif est de 80 %, comme illustré dans le graphique. Une DEL CXA3070 LED mesurant 8500 lm durant le tri délivrera 6800 lm (8500 * 0,8) à fonctionnement constant de T_C = 25°C, I_F = 1300 mA.


Figure 3 : Les valeurs de flux lumineux relatif sont basées sur le rapport de mesure du CXA3070 à fonctionnement constant selon les conditions données, divisé par le flux mesuré lors du tri (binning) (mesure impulsionnelle à 1925 mA à TJ = 85°C) (informations fournies par Cree).

Spécifications clés pour la matrice CXA3070 de Cree :

• Disponible en tris EasyWhite 2 étapes et 4 étapes à une température de couleur proximale (CCT) de 2700 K, 3000 K, 3500 K, 4000 K et 5000 K
• Disponible en tris blancs ANSI à température de couleur proximale de 4000 K et 5000 K
• Options IRC de 70 et 80 minimum
• Tension directe : 38,5 V
• Tri et caractérisation à 85°C
• Courant d'attaque maximal de 2800 mA
• Angle de visualisation de 115°, profil de chromaticité uniforme
• Connexions de soudure sur la face supérieure

En résumé, les coûts constituent toujours un problème majeur pour les concepteurs d'éclairage. Toutefois, avec la baisse des prix de vente moyens des DEL, l'adoption des DEL COB devrait continuer à s'étendre, car ces dispositifs offrent une plus grande flexibilité de conception, une meilleure diffusion lumineuse et le potentiel de réaliser des économies d'énergie plus importantes, ce qui bénéficiera à la fois aux fabricants de systèmes d'éclairage et aux utilisateurs.