LED, Watts, Lumen, Lux, Candela...

LEDs, Watts, Lumens, Lux, Candela, Footcandles, Température de couleur, Longueur d'onde, Distribution Lambertian, Vision scotopique et photopic... Vous vous y retrouvez, vous ?

Quelles correspondances entre ces unités ? Difficile parfois de faire des comparaisons avec les données fournies par les constructeurs de LEDs de puissance. A croire que certains n'ont pas tant intérêt que ça à ce que l'on puisse comparer les LEDs de puissance avec d'autres sources d'énergie lumineuse... Ce qui dit en passant, n'empêche pas mes enfants de jouer avec mes lampes à LEDs avant de s'endormir, sans se poser ce genre de questions.

Ce matin (22/02/2007), je lisais un article dans une revue spécialisée électronique, parlant de la commercialisation d'une nouvelle LED de puissance qui, je cite, "consomme un courant de 1000 mA et produit autant d'énergie lumineuse que deux LEDs consommant chacune 350 mA". J'ai dû relire l'article deux fois, car je ne comprenais pas sur quelle caractéristique de la LED, l'auteur de l'article voulait mettre l'accent. Aucune indication sur la dissipation de puissance, ni sur la puissance lumineuse elle-même. Surprenant tout de même. Mais nous en sommes là. Moi-même ayant grand peine à m'y retrouver dans les différentes unités relatives à la lumière, j'ai décidé de faire quelques recherches, et de compiler ce que je pouvais trouver sur le sujet. Pas seulement compiler les infos, mais les formuler pour que je les comprenne. Et là, c'est une autre histoire ;-).

LED = Light Emitting Diode, diode électroluminescente
DEL = Diode Électroluminescente
HB-LED ou HBLED = High Brightness LED, LEDs haute luminosité
HP-LED ou HPLED = High Power LED, LEDs haute puissance

Vous qui vous intéressez aux LEDs de puissance, avez sans doute constaté que l'unité utilisée pour ce type de LED était souvent le Watt ou le Lumen, alors que nous étions plutôt habitués au millicandela (mcd) pour les LEDs ordinaires, voire candelas (cd) pour les LEDs haute luminosité. Dans quelles mesures pouvons-nous comparer les 5W d'une LED avec les 5W d'une ampoule à incandescence ou les 5W d'un tube fluorescent ? Avant de pouvoir faire des comparaisons, une explication sommaire des unités s'impose. Ensuite, nous pourrons établir un petit tableau comparatif.

Lumière

La lumière est constituée de petits corps (particules) porteurs d'énergie, appelés photons. La lumière est également décrite comme étant une onde électromagnétique. Onde électromagnétique, tout comme les ondes utilisées pour la diffusion des programmes de radio ou de télé, sauf que les ondes "lumineuses" vibrent à une fréquence bien plus élevée. Chaque photon peut vibrer à une fréquence bien définie, et à une fréquence donnée correspond une certaine longueur d'onde. Pour passer d'une unité à l'autre (fréquence <-> longueur d'onde), il faut passer par une division ou par une multiplication avec un nombre représentant la vitesse de la lumière, qui est d'environ 300000 Km/s (299792,458 Km/s pour être plus précis). En fonction de la fréquence, et donc aussi en fonction de la longueur d'onde, le photon apparait rouge, vert, bleu ou d'une autre couleur. L'oeil présente une sensibilité à la lumière qui n'est pas la même en fonction des couleurs, et présente un pic de sensibilité pour la couleur verte : on perçoit plus facilement le vert que le rouge, pour une même énergie lumineuse transmise. La plage de longueur d'onde pour la lumière visible s'étend de quelques 380 nm à 780 nm (nm = nanomètre). A comparer au spectre électromagnétique du soleil, qui s'étend de 200 nm à 3000 nm, et au spectre électromagnétique utilisé pour la radio et la télé, de 1 mm (millimètre) à plusieurs mètres.

Watts par mètre carré (W/m2)

Unité de mesure utilisée pour spécifier la quantité de lumière reçue (l'éclairement) à un instant donné, sur une surface de 1 m2. Pour se faire une idée de l'unité, disons que le soleil au zénith présente un rayonnement global de l'ordre de 1 KW/m2 si le ciel est totalement dégagé. Avec quelques nuages, la puissance lumineuse reçue descend à 100 - 500 W/m2. Et si le ciel est totalement couvert, nous n'avons plus que 50 W/m2. L'unité W/m2 correspond à une valeur instantanée, l'unité Wh/m2.jour est plus utilisée quand on a besoin de connaitre une valeur d'éclairement globale sur une période donnée (donnée plus parlante quand on cherche à connaitre le type de panneau solaire à installer dans une région donnée, par exemple).

Candela (cd) et le milli-candela (mcd)

Le Candela est une unité de mesure utilisée pour représenter une quantité d'éclairage, autrement dit une intensité lumineuse. On peut lire ici où là que le candela est l’équivalent de l'intensité de lumière émise par une chandelle. Ceci est vrai, mais on peut avec raison se dire que cette seule affirmation n'est pas assez précise : quelle type de chandelle, quelle longueur de mèche, quelle type de cire ? Car vous l'avez peut-être constaté vous-même : deux chandelles de taille différentes n'éclairent pas de la même façon. La mesure en Candéla prend en compte la direction de la lumière émise : 1 Cd = 1 Lumen par stéradian. Le Candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source de couleur verte (longueur d'onde 555 nm) dont l'intensité énergétique dans ladite direction est de 1/683 W (1,46 mW) par stéradian.

Lumen (Lm)

Il s'agit la aussi d'une unité de mesure, qui quantifie un flux lumineux émis par une source. A quel endroit la mesure de luminosité est-elle réalisée ? Sur quelle surface ? Une petite recherche et hop, nous avons la réponse : une source de 1 candela produit environ 12,57 lumens dans toutes les directions (diffusion sphérique). Ce qui nous donne pour 1 lumen, la valeur de 0,0795 candela (candela aussi appelé Spherical CandlePower). Le lumen est également défini comme 1/683 W (1,46 mW) de puissance optique à 555 nm (couleur verte).

Lux (Lx)

Cette unité de mesure est plutôt utilisée pour les sources de lumière artificielles, et est directement en rapport avec la perception physiologique que l'on a de la lumière. Elle permet de quantifier la quantité de lumière visible (longueur d'onde comprise entre 380 nm à 780 nm et pas en deçà) reçue sur une surface donnée. 1 Lux = 1 Lumen sur une surface de 1 m². Sans doute avez-vous déjà vue cette unité dans des publicités pour des panneaux solaire, pour lesquels la puissance fournie dépend de la quantité de lumière perçue. Cette unité peut en effet aussi être utilisée pour déterminer la valeur du rayonnement solaire global. La mesure d'un éclairement en Lux est réalisée par un Luxmètre, dont l'élément de détection est une photodiode dont la sensibilité spectrale est la même que celle de l'oeil humain "moyen". A noter que le Lux peut aussi désigner une quantité d'émission lumineuse de 1 Lumen sur une surface de 1 m².

Footcandle (Fc)

Footcandle = Pied Bougie. Le Pied Bougie est l’unité de mesure du niveau d’illumination sur une surface donné.

1 Fc = 1 lumen 1pi²
1 Fc = 10,76 Lux (1 Lux = 0,0929 Fc)
A noter le rapport avec le Lumen per square root (lm/ft2) :
1 lm/ft2 = 10,76 Lux

Candlepower (Cp)

Le candlepower est l’unité de mesure de la quantité de lumière émise par une source mais dans une seule direction. 
Cp = Lux x Distance au carré.

Température de couleur (°K, Degrés Kelvin)

On utilise les degrés Kelvin comme unité de mesure pour évaluer la couleur d’une source. En chauffant un corps noir, celui ci change de couleur avec l’augmentation de la température. C’est la couleur du corps noir à une température donné qui détermine la référence de celle-ci. Une température de couleur inférieure à 5500 K correspond à un rendu plutôt jaune, rose ou rouge (éclairage d'intérieur par exemple), alors qu'une température de couleur de plus de 5500 °K correspond plutôt à un ton bleuté (éclairage soleil par exemple). Dans le domaine des LEDs blanches, les fabricants précisent parfois la température de couleur. Par exemple Star LED avec ses LEDs "blanc chaud" 3000 °K ou "blanc lumière du jour" 7000 °K.

Indice de rendu de couleur IRC ou CRI

Pourcentage du rendu de couleur en comparaison à une source de référence de température similaire. Une valeur IRC de 100 % défini un rendu parfait des couleurs. 

Remarque : le rendu des couleurs dépend en grande partie de la température de couleur de la source lumineuse. Cette température de couleur n'est pas la même si on fait varier le courant qui circule dans la source lumineuse. Ainsi un projecteur "classique" à lampe à filament passant par un gradateur (dimmer en anglais) ne diffuse pas la même température de couleur si on l'alimente à 25% de sa puissance totale. Par contre, un projecteur à LED dont on fait varier la puissance lumineuse apparente avec un signal de type PWM présentera toujours la même température de couleur quelque soit le taux de gradation.

Coefficient d’utilisation CU

Le coefficient d’utilisation représente dans une pièce le rapport de lumens reçu sur une surface donnée par rapport aux lumens émis par la ou les sources.

Voici deux tableaux de comparaison, un pour les taux d'éclairement et l'autre pour les intensités lumineuses. Pour le premier, pas trop de difficulté à l'établir, la doc ne manque pas. Pour le second tableau, j'ai du consulter pas mal de documents constructeur et faire du tri.

Éclairement

Remarque : la correspondance entre Lux et W/m2 ne peut pas être déterminée sans connaissance du spectre de la source lumineuse. Un flux lumineux de 1000 W/m2 composé uniquement d'infrarouge lointain n'est pas dans la zone visible 380 nm à 780 nm, et par conséquent correspond à un flux de 0 Lux. Si le flux lumineux de 1000 W/m2 provient du soleil (lumière visible), cela donne environ 100000 Lux.

Intensité lumineuse

Pour la lampe à incandescence, l'intensité lumineuse indiquée (en Lumen) se rapporte à la quantité de lumière globale émise dans la sphère qui entoure le filament. Pour les LEDs haute luminosité, l'intensité lumineuse indiquée correspond à la lumière reçue sur une zone donnée, à une certaine distance de la puce qui émet la lumière, au bout du cône de diffusion. Pour une même puissance rayonnée par la puce d'une LED (même consommation), il suffit de réduire le cône de diffusion (passer d'un angle de 70° à un angle de 10° par exemple) pour augmenter la valeur de l'intensité lumineuse. Ces façons de mesurer peuvent semer le trouble dans les esprits et n'aident certes pas à faire des comparaisons. Ainsi, certaines façons de mesurer peuvent conduire à afficher une efficacité lumineuse de 25 lm/W pour une LED qui au final, ne donnera pas une impression d'éclairage supérieure à une ampoule à incandescence affichant une efficacité lumineuse de 12 ml/W. Méfiance donc quant aux chiffres sans indication de la méthode de mesure. Vous voulez vous faire une idée pratique de ce qui vient d'être dit ? Allumez une LED HD de 1W dans votre salon, et placez-vous à une distance de quelques mètres de la LED. Vous aurez une impression de grande puissance lumineuse (et même un fort éblouissement), alors que le reste de la pièce est dans la pénombre. Faite de même avec une lampe à incandescence de 40W : l'impression de puissance lumineuse (dans l'oeil) est moindre, mais la pièce est mieux éclairée. On peut se demander si établir un tableau comparatif est vraiment utile, n'est-ce pas ?

Remarques : 

Il est intéressant de constater que la luminosité des LEDs annoncée de façon prévisionnelle en 2007 devait atteindre 600 lumens pour 2010 et 1500 lumens pour 2020. En 2010, on trouve des LEDs développant plus de 3700 lumens ! Il semblerait que les fabricants aient quelques années d'avance... Un marché motivant, peut-être ?

Chez certains constructeurs (comme LumiLED), l'intensité lumineuse de certaines LEDs est spécifiée en Lumens, et pour d'autres LEDs elle est spécifiée en Watts. C'est une habitude également prise pour les revendeurs, dont la plupart semble ne pas souhaiter voir apparaître de correspondance évidente entre les diverses unités (ou alors ils sont aussi perdus que moi dans les chiffres).

En Californie, une table de correspondance a été établie pour le remplacement des lampes à incandescence ou tubes fluorescent de petite puissance (norme d'efficacité lumineuse établie en 2005) :

2007 - Le coût de mise en oeuvre d'un éclairage à base de LED est encore plus élevé que le coût de mise en oeuvre d'un éclairage standard ou même très haute performance. Les LEDs de puissance, contrairement aux lampes à incandescence, ne dissipent pas la chaleur sous forme de rayonnements infrarouges, et il est plus difficile d'évacuer les calories. L'utilisation d'un système de refroidissement (passif avec radiateur par exemple) ajoute au coût de la LED seule. Et à cela s'ajoute le coût du système de commande : le maintien du courant circulant dans la LED à une valeur parfaitement définie est en effet nécessaire pour garantir une bonne fiabilité du composant. Actuellement, le coût de revient d'un système d'éclairage à base de LEDs est estimé à environ 10 cents d'euro par Lumen. Pour un éclairage traditionnel, le coût estimé est de 1 cent d'euro par Lumen, soit dix fois moins (sur le site de LumiLED / Philips, sont affichés des graphes montrant à combien de lumens on a droit pour 1 dollar). Si l'on regarde les prix sur ces dernières années, on constate que le prix des LEDs blanches haute luminosité a chuté de 20% par an. A mon avis, nous n'avons plus beaucoup de temps à attendre pour voir la bascule réellement s'opérer... Il suffit de regarder autour de soi : lampes frontales, lampes torches, flashes d'appareils photo, phares de véhicule (phares avants, c'est pour cette année)... ce n'est qu'un début, c'est évident.

Aujourd’hui plus de 30 milliards de lampes fonctionnent sur terre et chaque année l’industrie des sources d’éclairage produit 10 milliards de lampes. L’éclairage consomme plus de 15% de la production mondiale d’électricité et émet plus de 2000 millions de tonnes métriques de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. 

Dans un futur peut-être proche, le remplacement des solutions traditionnelles d'éclairage en place actuellement aux États-Unis par des LEDs capables de produire 150 lm/w permettraient à ce pays de réaliser une économie de 40 millions de gigawatts par an sur les 60 dépensés pour ces applications aujourd’hui, soit 20% de leur production annuelle de charbon.
Source : Conférence « Solid State Lighting Day », Eindhoven, novembre 2004.

En voyant la date de l'écriture de la page consacrée à l'éclairage (2007) et la conclusion (en substance: la LED en tant qu'éclairage c'est pour bientôt) j'ai été épaté de la justesse de cette prédiction (heu! tant qu'on y est, quel est votre prédiction pour décembre 2012? svp). Félicitations, donc. J'avais déjà fait pas mal de recherches et je suis en contact, professionnellement, avec des fabricants ou importateurs de LED. Hé ben on y est; vraiment! Les LED qui sortent maintenant ont une efficacité de 90 à 130 lm par watt (suivant la T° de couleur) et sont disponibles dans des puissance importantes: 10 W pour un chip de la taille d'un gros timbre postal... le tout pour environ 15 €HT (hors alim et hors dissipateur bien entendu). D'autres solutions d'éclairage applicables existent également comme par exemple la bande flexible autocollante de LED (IP55 pour ceux qui veulent la mettre dehors) pour 89 €HT les 3m et 14.4 W/m... Bon, je ne vais pas faire une liste exhaustive de ce qui se fait maintenant, mais je ne résiste pas au plaisir de la dernière: "la LED qui s'alimente directement en 230VAC" de chez "Séoul Semiconductor". Pas de doute, l'éclairage à LED est une réalité. Il faut juste un peu de temps afin qu'elles soient intégrées dans des luminaires, alors leur prix chutera et le monde deviendra lumineux... avant le retour aux ténèbres en décembre 2012, évidement. 

La LED puissante dont je parle, s'alimente avec une tension typique de 18.6 V et un courant nominal de 720 mA. Elle existe en 2 versions:

- blanc chaud 3000K, 900 lm, et un rendu de couleur de 85
- blanc froid 5000K, 1335 lm et un rendu de couleurs de 65 (mauvais, donc)

Les 2 types de LED "ouvrent" à 120°. J'ai eu le temps de tester le modèle blanc chaud (le blanc froid ne m'intéresse pas à cause de son mauvais Ra). J'ai vraiment été impressionné!!! "A l'oeil" elle équivaut à une ampoule 50 W basse tension (ampoule de phare de voiture sans réflecteur). Une mesure au luxmètre dans l'axe de la LED à 1 m donne 306 lux (pour 720 mA). La LED ne comporte pas d'optique !! La zone d'éclairage forme une hémisphère. Même à 180° de la source, la quantité de lumière émise est encore utilisable : environ 55 lux à 1 m. On peut donc imaginer ce que cela pourra donner avec une optique. J'ai reçu l'offre de prix, 16.40 €HT / pièce pour 200 pièces (sans alimentation et sans dissipateur évidemment). D'ors et déjà elle représente une alternative économique viable, et techniquement intéressante aux halogènes ET SURTOUT aux lampes à économie d'énergie qui sont, à mon humble avis, une pompe à fric qui n'apporte rien aux économies d'énergie (si on tient compte de la fabrication) ni à l'écologie. Ah oui ! je n'ai pas parlé de ses dimensions: 17.5 x 23 mm et 1.4 mm d'épaisseur.