Le principal point de départ pour envisager l'éclairage extérieur est d'établir les principaux objectifs de conception. Traditionnellement, l'éclairage public a été un élément fondamental de l'éclairage extérieur. Cependant, dans les environnements urbains modernes, il s'agit principalement feux de poteau post top qui définit l'environnement visuel, fournit un éclairage humain, crée l'ambiance idéale, procure un sentiment de sécurité et est capable d'effectuer une variété de tâches extérieures la nuit. L'éclairage public est conçu pour fournir un environnement visuel amélioré permettant aux personnes d'utiliser le réseau routier en toute sécurité, tandis que l'éclairage de zone met l'accent sur la création de zones à l'intérieur de limites spécifiques, telles que les parkings, les rues piétonnes, les places du centre-ville, les immeubles de bureaux, les zones d'exposition, les zones résidentielles. , terrains de sport, terrains d'entreprises, campus, parcs, aéroports, postes de péage, gares de triage, quais de chargement et bâtiments environnants.
Dans de nombreux cas, les lampadaires peuvent être utilisés comme éclairages de zone tant que leurs modèles de distribution de lumière répondent aux exigences de l'éclairage de zone. Les éclairages de zone sont plus polyvalents en termes de rendement lumineux, de motif optique, de hauteur de montage, de style de luminaire, de caractéristiques esthétiques, de quantité et de qualité d'éclairage. Les systèmes d'éclairage de zone sont conçus de manière pratique pour l'éclairage extérieur des installations dans l'industrie, les transports, les sports, les parkings et les grands espaces ouverts. Ces systèmes d'éclairage doivent s'adapter à la circulation des véhicules et des piétons de la manière la plus économique, produire un flux lumineux suffisant et résister aux environnements d'exploitation difficiles. Les éclairages de zone pour les zones piétonnes offrent souvent une fonctionnalité tout en correspondant esthétiquement au thème architectural de l'espace. Leur aspect diurne insuffle une sensation organique à l'environnement urbain. Les hauteurs des mâts et les dimensions des luminaires doivent être dans des proportions parfaites pour un éclairage piéton efficace et esthétique. En plus de fournir un éclairage fonctionnel et de mettre en valeur l'environnement bâti des parcs, places et autres zones piétonnes ouvertes, ce type de luminaire assume également le rôle d'éclairage public pour les sentiers piétonniers, les pistes cyclables et les routes étroites dans les espaces privés.
Lumières de dessus de poteau
La lampe de dessus de poteau est une lampe réservée aux piétons et la hauteur d'installation de la lampe varie de 3 mètres à 9 mètres. En plus des performances d'éclairage et du contrôle optique, l'esthétique, la mise à l'échelle et le style sont d'autres priorités absolues dans la conception de chaque luminaire sur mât. Ces lampadaires se présentent sous une variété de formes traditionnelles et modernes et s'intègrent bien dans de nombreux scénarios, y compris les paysages de rue du centre-ville, les parcs urbains, les zones résidentielles, les trottoirs et les pistes cyclables. L'esthétique traditionnelle s'exprime dans des lampes de style gland et lanterne, qui sont montées sur des tiges encastrées et/ou effilées avec des bases décoratives. Le design contemporain utilise des lignes douces et des formes géométriques épurées pour assurer une apparence architecturale harmonieuse avec les structures environnantes. Un bon équilibre doit être placé entre le poteau et le luminaire pour s'assurer que l'ensemble du luminaire ne semble pas disproportionné et ne correspond pas.
Construction de luminaires
Compte tenu de l'efficacité énergétique, du contrôle optique, de la gestion du spectre et des avantages du cycle de vie des LED, les luminaires LED sont plus difficiles à concevoir et à concevoir que les systèmes d'éclairage traditionnels. Un système d'éclairage à LED robuste nécessite l'intégration pertinente de l'ingénierie thermique, optique, électrique et mécanique pour garantir que tous les composants fonctionnent dans des paramètres donnés. Une LED est un dispositif semi-conducteur dans lequel la lumière est générée par la recombinaison radiative d'électrons dans la bande de conduction de l'électrode chargée négativement et de trous dans la bande de valence de l'électrode chargée positivement dans une jonction pn (jonction positive et négative). Ces sources lumineuses à semi-conducteurs sont très sensibles à la température de fonctionnement et au courant de commande. De plus, les LED sont des sources lumineuses ponctuelles et leur flux est concentré dans une petite surface émettrice de lumière (LES), qui semble dure et ajoute au profil d'éblouissement du luminaire.
Ainsi, l'ingénierie des systèmes des luminaires à LED fournit un environnement étroitement contrôlé pour un fonctionnement optimal des LED, tout en modifiant esthétiquement l'apparence de la source lumineuse et en contrôlant la distribution de la lumière émise avec une perte optique minimale. Au minimum, un luminaire de zone à LED se compose d'un module LED, d'un pilote LED, d'un système de gestion thermique et d'optiques secondaires. Les modules LED intègrent généralement une lentille optique sur l'ensemble LED, mais des réflecteurs, des réfracteurs, des diffuseurs ou d'autres composants optiques peuvent également être utilisés pour contrôler la distribution de la lumière. Étant donné que les systèmes d'éclairage à LED nécessitent une dissipation thermique par convection avec l'air ambiant, les luminaires sont souvent intégrés de manière architecturale au dissipateur thermique du système de gestion thermique. Le pilote de LED régule la puissance de la LED et peut être configuré pour répondre à un signal de commande fourni par un capteur ou un contrôleur de lumière.
Source de lumière
Les LED produisent de la lumière blanche par conversion de phosphore, ce qui implique l'utilisation de revêtements de phosphore. Le luminophore convertit à la baisse une partie du rayonnement électromagnétique de la diode semi-conductrice en une lumière de longueur d'onde plus courte, qui se mélange à la lumière bleue non convertie pour produire une lumière blanche que l'œil humain peut percevoir. Ce processus est exécuté dans l'architecture du package. Le boîtier LED fournit également une interface permettant à la puce LED d'établir un contact thermique, électrique et mécanique avec l'environnement d'exploitation. Un troisième objectif de l'emballage LED est de protéger la matrice exposée des dommages physiques et de la contamination environnementale. Les performances, l'efficacité et la fiabilité des LED dépendent de la structure épitaxiale et du matériau de la tranche de la puce LED (puce semi-conductrice), ainsi que de la conception du boîtier et des matériaux d'emballage.
D'une manière générale, la grande majorité des fabricants de LED utilisent des moules semi-conducteurs de la même structure épitaxiale et du même matériau de plaquette pour fabriquer leurs produits. Seuls quelques fabricants de LED ont emprunté une voie différente. Les LED Cree, par exemple, sont emballées avec les puces semi-conductrices GaN-on-SiC propriétaires de la société, plutôt que les dispositifs GaN-on-Sapphire les plus courants, mais moins efficaces et moins fiables. Par conséquent, la qualité et les performances des LED sur le marché dépendent en grande partie de la conception de l'emballage et des matériaux d'emballage du produit.
Les LED haute puissance offrent une fiabilité que les LED PLCC moyenne puissance ne peuvent pas offrir. Les substrats céramiques métallisés fournissent un chemin thermique efficace et hautement fiable pour les opérations à haute densité de flux. La conception du boîtier élimine l'utilisation de matériaux plastiques et de grilles de connexion, ce qui réduit considérablement le facteur de défaillance des LED. Par rapport aux LED de moyenne puissance, les LED de haute puissance ont une efficacité lumineuse relativement faible, mais ont une durée de vie plus longue et une sortie plus stable. Cependant, les LED haute puissance ont du mal à rivaliser avec les LED moyenne puissance car tous les utilisateurs ne font pas passer leurs intérêts à long terme avant leurs intérêts immédiats.
Les LED Chip-on-Board (COB) ont des LES plus grandes et sont fournies par un réseau de puces semi-conductrices pour fournir un éclairage uniforme pour les applications à haute luminosité. La puce LED est directement montée sur un substrat en céramique ou une carte de circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB) afin que la chaleur extraite de la jonction LED puisse être efficacement dissipée. Les LED COB sont généralement utilisées dans les luminaires qui nécessitent une large source lumineuse avec une grande uniformité sur une petite zone de source lumineuse. Cependant, les LED COB ne sont pas couramment utilisées dans les applications d'éclairage de zone car elles nécessitent un composant optique très volumineux et coûteux pour contrôler l'angle du faisceau.
Gestion thermale
La longévité est un argument de vente clé pour les lampes LED. Mais sans gestion thermique, les LED peuvent avoir une durée de vie aussi courte que les ampoules à incandescence. Les diodes électroluminescentes sont un appareil de chauffage automatique, et plus de la moitié de l'énergie électrique qu'elles consomment est rejetée sous forme de chaleur perdue. Seule une petite fraction de l'énergie électrique est convertie en énergie lumineuse. La chaleur résiduelle doit être extraite de la jonction LED ou des mécanismes de défaillance liés à la matrice, au boîtier et à l'interconnexion seront déclenchés. Les problèmes typiques causés par la surchauffe des jonctions semi-conductrices et des structures environnantes comprennent la dégradation thermique du phosphore, la fissuration du moule, la fracture du fil de liaison, la fatigue des joints de soudure, la carbonisation de l'encapsulant, la décoloration des résines plastiques, l'électromigration des atomes métalliques dans les couches de métallisation, etc.
La gestion thermique des systèmes d'éclairage à LED est conçue pour minimiser la résistance thermique et améliorer l'efficacité de dissipation de la chaleur des composants le long du chemin thermique de la jonction semi-conductrice à l'environnement environnant. Pour les systèmes d'éclairage de zone, la fiabilité du chemin thermique est aussi importante que la capacité de transfert de chaleur. Ces systèmes sont soumis à des chocs et à des vibrations, qui peuvent solliciter mécaniquement l'écart thermique connecté entre le boîtier LED et les composants thermiques du système. Les produits d'extérieur nécessitent des considérations environnementales supplémentaires, et les cycles de température sont une cause majeure de défaillances d'interconnexion dans les systèmes d'éclairage extérieur. Par conséquent, l'adaptation d'un coefficient de dilatation thermique élevé entre les éléments thermiquement conducteurs est essentielle en génie thermique. L'intégrité du chemin thermique dans les systèmes d'éclairage utilisant des LED de moyenne puissance est une préoccupation majeure, car les joints de soudure entre le boîtier LED et le MCPCB sont particulièrement sensibles à la fatigue mécanique et thermique.
Alors que les luminaires à LED échouent rarement de manière catastrophique, un grand nombre de produits bon marché sont sujets à une dégradation accélérée du lumen. En effet, l'optimisation des coûts pour ces produits est très probablement obtenue en coupant les coins sur le dissipateur thermique. Le dissipateur thermique assure la conduction thermique, transférant la chaleur de la jonction LED à la limite, puis à l'air ambiant par convection. Par conséquent, la conception d'un dissipateur thermique typique considère maximiser la conductivité thermique du matériau et la surface effective du chemin thermique pour une conduction thermique efficace, et optimiser les conditions aux limites pour une convection thermique efficace en augmentant le débit d'air et en maximisant la surface totale de contact avec l'environnement. La plupart des dissipateurs thermiques des luminaires sont fabriqués en aluminium moulé sous pression, ce qui offre une bonne conductivité thermique et offre une flexibilité de conception à des fins esthétiques et de convection thermique. Méfiez-vous des produits avec des dissipateurs thermiques légers ou en plastique.
Pilote LED
Le pilote est un appareil électronique qui convertit le courant alternatif en courant continu pour activer les LED alimentées en courant. En plus de réguler la sortie CC sous la tension d'alimentation ou les changements de charge, le pilote de LED doit être configuré pour compenser les changements de tension directe de la LED. La tension directe de la LED est facilement affectée par la température de jonction de la LED elle-même, ce qui entraîne un changement important du courant direct et des fluctuations du flux lumineux. Les éclairages de zone à LED sont équipés de pilotes LED à courant constant. Plutôt que de réguler la tension, le pilote de LED contrôle le courant continu dans la LED et garantit que la LED ne reçoit pas plus de courant que son courant nominal. Une surcharge des performances nominales des LED peut entraîner un encombrement du courant et entraîner une forte probabilité de surchauffe localisée de l'épicouche et d'emballement thermique.
Comme l'efficacité de la source lumineuse, l'efficacité du pilote LED peut affecter de manière significative la consommation électrique totale du système. Les pilotes de LED modernes sont essentiellement basés sur des alimentations à découpage (SMPS), qui régulent la sortie des LED par des opérations de commutation à grande vitesse. Les pilotes LED basés sur smps sont très efficaces dans la conversion de puissance. Ils peuvent être conçus pour fournir une puissance de sortie CC isolée et régulée avec une bonne correction du facteur de puissance (PF) et une faible distorsion harmonique totale (THD). Cependant, les interférences électromagnétiques (EMI) générées par les régulateurs à découpage doivent être supprimées grâce à une conception, un blindage et un filtrage minutieux des circuits imprimés pour répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM). Des circuits de suppression EMI supplémentaires peuvent augmenter considérablement le coût global et ajouter du volume à un pilote de LED déjà encombrant et coûteux.
Les pilotes de LED utilisés dans les systèmes d'éclairage de rue et de zone doivent être capables de gérer les environnements transitoires difficiles auxquels ils sont exposés. Certains pilotes de LED ont une protection inhérente contre la foudre, offrant une immunité en mode différentiel et en mode commun aux modules LED connectés. Selon les conditions locales, l'entrée AC du luminaire ou du driver LED doit fournir une protection supplémentaire contre les surtensions transitoires excessives pour absorber l'énergie de surtension élevée. Les parafoudres peuvent être des varistances à oxyde métallique (MOV), des tubes à décharge gazeuse (GDT) ou des diodes de suppression de tension transitoire (TVS).
Contrôle d'éclairage
Les pilotes de LED jouent un rôle vital non seulement dans le fonctionnement des LED, mais également dans le contrôle de la puissance lumineuse des LED. Avec les pilotes LED avec modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou capacité de gradation à réduction de courant constant (CCR), une variété de stratégies de contrôle d'éclairage peut être mise en œuvre sur les luminaires extérieurs. Les éclairages de zone à LED peuvent être automatiquement basés sur le temps, la lumière ambiante et/ou la gradation et le contrôle marche-arrêt en fonction de l'occupation, à l'aide d'horloges, de cellules photoélectriques et/ou de détecteurs de mouvement. La commande d'éclairage en réseau via un système de gestion centralisé (CMS) permet de positionner et de contrôler les luminaires individuellement ou en groupe. L'ajout de capacités Internet des objets (IoT) aux luminaires de zone ouvre de nombreuses opportunités pour la gestion avancée de l'éclairage et les services de ville intelligente.
Répartition de la lumière
Les éclairages de zone ont une variété d'utilisations et ont des exigences différentes pour la distribution de la lumière. Ces systèmes doivent être conçus pour répartir la lumière sur une surface généralement répartie selon ses directions latérale (le long de la route) et latérale (traverse).
La distribution latérale de la lumière avec une émission maximale de candela se produit à des angles verticaux plus élevés permettant un espacement plus long des luminaires. Les luminaires qui produisent une distribution latérale, dont la distance est de 3,75 fois à moins de 6,0 fois la hauteur d'installation, appartiennent aux luminaires à distribution longue. La répartition lumineuse latérale de l'émission candela maximale avec un angle vertical inférieur a un espacement des luminaires plus court mais réduit considérablement l'éblouissement du système. Lorsque la longueur de distribution lumineuse horizontale de la lampe est de 1,0 à 2,25 fois la hauteur d'installation, il s'agit d'une configuration courte. Lorsque la longueur latérale de la répartition lumineuse du luminaire est de 2,25 fois à moins de 3,75 fois la hauteur d'installation, il appartient au luminaire à distribution moyenne.