Le pilote ou driver, un élément déterminant pour optimiser le rendement des luminaires LED

Les pilotes de LED utilisent des techniques à découpage de tension et à modulation de largeur d’impulsions. Les dispositifs abaisseurs de tension fournissent le niveau de tension nécessaire à l’éclairage des LED reliées en série. Ces dispositifs disposent d’une self mémoire de courant ; en hachant la tension d’entrée on obtient la tension voulue pour l’activation des LED.

Les LED nécessitent une alimentation capable de convertir le courant alternatif en tension continue, de réguler le courant traversant la LED pendant le fonctionnement et de protéger les LED des fluctuations de tension de ligne, telles que le ballast utilisé pour une lampe fluorescente. Les pilotes de LED peuvent être des types à tension constante ou des types à courant constant. Avec l'utilisation de ces pilotes électroniques, une variété de fonctions supplémentaires peut être intégrées dans le luminaire, l'intégration de tous les composants électroniques est une tendance contre l'utilisation de

composants discrets pour simplifier l'application. Les pilotes dotés d'une capacité de gradation peuvent modifier le flux lumineux sur toute la plage de 100 % à 5 à 10 %. Les pilotes dimmables peuvent tamiser les LED en réduisant le courant direct (réduction de courant constant CCR), par modulation de largeur d'impulsion (PWM) via une commande numérique ou par des méthodes plus sophistiquées comme DALI. La plupart des pilotes de gradation fonctionnent en utilisant la méthode PWM. Avec cette méthode, la fréquence peut atteindre quelques centaines de Hz à kHz, de sorte que la lumière LED semble être continue sans scintillement. L'électronique sensible du pilote est directement exposée aux effets de l'environnement, ce luminaire doit résister à tout moment. Il est donc important de connaître tous les facteurs qui peuvent influencer la fiabilité.

Les exigences critiques pour les pilotes de LED sont en partie liées aux performances, en partie à la fiabilité :

Attentes liées au rendement :

• Haute efficacité - Critique pour les économies d'énergie
• Fonction de gradation - Améliore considérablement la fonction d'économie d'énergie
• Autres caractéristiques électriques (PFC, THD, Ripple)

Attentes liées à la fiabilité :

• Haute fiabilité - Fondamentale pour minimiser les coûts de maintenance
• Longue durée de vie - Compatible avec la durée de vie prévue des LED

Mesure de la performance

Le pilote LED joue un rôle crucial dans le contrôle des performances de l'ensemble de l'appareil d'éclairage. La diversité des pilotes disponibles rend difficile le choix de la bonne solution, notamment en raison du fait que les fabricants fournissent des informations techniques de qualité différente. Les pilotes qui semblent parfaitement adaptés à première vue peuvent fonctionner de manière complètement différente dans des conditions particulières, donc sans connaître le comportement exact dans toutes les circonstances, il est difficile de comparer les produits. Pour pouvoir poser les bonnes questions au fabricant, il faut savoir comment spécifier les disques avec plus de précision pour obtenir les bonnes performances.

Fiabilité : Durée de vie (LifeSpan) versus MTBF

Par définition, la fiabilité est une probabilité que le produit remplisse la fonction attendue dans certaines conditions de fonctionnement pendant une période définie. La fiabilité est dépend du fonctionnement, des conditions et du temps attendus. Les exigences critiques pour les performances des pilotes LED sont le rendement élevé pour fournir suffisamment d'économies d'énergie, la fiabilité pour minimiser les coûts de maintenance, la longue durée de vie mesurable avec la durée de vie des puces LED et la fonction de gradation pour des économies d'énergie et de durée de vie supplémentaires. Habituellement, la fiabilité est quantifiée avec le MTBF, mais une compréhension correcte du MTBF est indispensable. En théorie, l'hypothèse selon laquelle un MTBF plus élevé signifie une fiabilité plus élevée est vraie, mais il n'y a pas de proportionnalité directe entre les deux nombres.

Le temps moyen entre les pannes (MTBF) représente l'approximation statistique des heures cumulées pendant lesquelles un certain nombre d'unités doivent fonctionner avant qu'une panne puisse être attendue. Il ne représente pas la durée de vie prévue d'une unité donnée.

La durée de vie d'un produit indique combien de temps un produit devrait survivre dans des conditions de fonctionnement normales.

Si cette durée de vie est de 50 000 heures, la fiabilité des différentes solutions de pilotes MTBF peut être calculée :

Il est bien visible que l'augmentation de 400 % ou du MTBF n'entraîne qu'une augmentation de 30 % de la fiabilité avec les mêmes attentes de durée de vie.

Au début de la période de service, les défauts de production peuvent entraîner de défaillances précoces élevées, Le nombre de pannes commence à diminuer considérablement par la suite. L'intégrité de la conception, les tests de résistance et l'assurance qualité adéquate ont tendance à diminuer le nombre de défaillances précoces. Au cours de la période de vie utile, les défaillances se produisent dans un ordre aléatoire, mais le taux de défaillance est presque constant. C'est la période entre le début d'utilisation de l'appareil et le début de la phase d'usure. Ceci est déterminé par l'espérance de vie des composants utilisés dans l'assemblage de l'unité.

Au fur et à mesure que les composants commencent à se dégrader, des problèmes surviennent à des taux croissants, principalement causés par la panne des composants électroniques soumis au vieillissement, aux contraintes électriques et thermiques. C'est la période où le MTBF calculé ne s'applique plus. Le MTBF n'est applicable que pendant la durée de vie normale du produit. Il peut arriver qu'un appareil avec 10 ans de MTBF s'use en 3 ans, personne ne peut prédire l'usure des composants de manière fiable. En général, les fabricants de composants de qualité ainsi que d'alimentations visent à avoir une durée de vie utile dépassant la durée de vie de conception.

Mesures de fiabilité

Température de fonctionnement

La température à laquelle le pilote fonctionne affecte fortement sa durée de vie, c'est pourquoi une gestion efficace de la température est un point clé de la conception du luminaire.

Habituellement, la température maximale du boîtier Tcmax est la limite pour donner une durée de vie garantie au pilote LED. Même s'il y a une protection thermique intégrée, elle est déclenchée bien au-delà de cette limite, par conséquent la durée de vie attendue du pilote chute considérablement, à moins que le concepteur du luminaire n'installe une protection de température externe.

Condensateurs électrolytiques et autres composants critiques

Le composant le plus faible avec l'espérance de vie la plus courte détermine la durée de vie de l'ensemble du produit. Pour les alimentations, les condensateurs électrolytiques ont généralement la durée de vie la plus courte, de sorte que la durée de vie du pilote de LED AC/DC est normalement déterminée par la durée de vie des condensateurs en aluminium utilisés. Des capuchons longue durée doivent être utilisés pour assurer une longue durée de vie des pilotes de LED. Étant donné que la durée de vie des capuchons en aluminium double pour chaque diminution de 10 °C de la température de fonctionnement (règle d'Arrhenius), il est essentiel de minimiser la température de fonctionnement des condensateurs électrolytiques. Malgré ce fait, les taux de défaillance des pilotes de LED sont dominés par les dispositifs à semi-conducteurs, qui comprennent les principaux MOSFET, diodes, circuits intégrés de commande et optocoupleurs. En raison des règles de conception appliquées, les condensateurs en aluminium ne contribuent aujourd'hui qu'à une petite partie des taux de défaillance des pilotes, qui dépendent largement de la température de fonctionnement. En règle générale, le taux de défaillance d'un pilote de LED augmente de 25 à 40 % pour chaque augmentation de 10 °C de la température du boîtier.

Efficacité

Comme écrit précédemment, l'efficacité a un impact énorme sur la durée de vie. Moins l'auto- échauffement se produit dans le conducteur en raison des pertes thermiques, les composants sont moins soumis à des contraintes thermiques. La durée de vie typique d'un pilote de 150 W est augmentée d'environ 2,5 fois à mesure que l'efficacité du pilote passe de 85 % à 93 %.

Le MTBF calculé d'un driver de 150 W augmente d'environ 90 % à mesure que l'efficacité du driver passe de 85 % à 94 %.

Les soudures de jonction

La fiabilité des soudures peut causer des problèmes en raison du cycle de température, qui provoque une dilatation thermique différente des matériaux à souder, donc un risque de fissures dans la soudure de jonction. Les contraintes mécaniques peuvent également provenir de l'utilisation de composants lourds ou de vibrations.

Résumé des actions pour maximiser la fiabilité :

• Sélectionnez des composants de qualité, en particulier les principaux dispositifs à semi-conducteurs
• Réduire la température de fonctionnement en améliorant l'efficacité
• Fournir suffisamment de marges de conception à tous les composants
• Suivre des procédures de conception strictes

Considérations financières

En plus de fournir des performances et une fiabilité élevée, les attentes financières doivent également être prises en compte et des fonctionnalités techniques supplémentaires doivent être impliquées ici.

Le fait de pouvoir utiliser des pilotes connectés au même disjoncteur permet de réaliser des économies sur les coûts d'installation. Le nombre de pilotes LED est limité par des disjoncteurs à courant de déclenchement. Si tous les pilotes ont un courant d'appel optimisé, plusieurs peuvent être connectés en même temps sans problème au démarrage.

Lors du démarrage d'un système d'éclairage à LED, un fort courant transitoire initial peut être maintenu, qui peut être plusieurs fois supérieur au courant nominal en fonctionnement normal.

Typiquement, ces courants d'appel durent moins de 10 ms mais ils peuvent néanmoins déclencher le disjoncteur. Le courant d'appel est causé par la charge des condensateurs dans les alimentations des pilotes de LED ou parce que le flux magnétique ne s'est pas encore accumulé dans le transformateur de l'alimentation. La sélection de pilotes à régulation d’appels de charges est un moyen rentable, en particulier pour les solutions de modernisation simplifiant le câblage.

Conclusion

Pour sélectionner le meilleur pilote LED en termes de durée de vie, de fiabilité, de performance et d'aspects financiers, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Il est difficile de comparer les spécifications des pilotes entre les fabricants, et il n'est pas conseillé de baser la décision sur le coût d'achat pur, car cela élimine trop de facteurs de décision, qui peuvent avoir un rôle important sur les performances réelles. Nous espérons qu'en clarifiant les facteurs ci-dessus, le concepteur aura une meilleure chance de faire une sélection exacte. MeanWell, Philips, Inventronics, Osram, Turful, Sosen, Moso… proposent une vaste gamme de pilotes LED intérieurs et extérieurs. Comme la plupart des applications d'éclairage LED sont justifiées sur la base d'économies d'énergie et de coûts de maintenance réduits, nous nous concentrons en conséquence sur la fourniture de produits à haute efficacité et longue durée de vie. Ces marque leader proposent des Pilotes LED avec un rendement jusqu'à 95 %, un facteur de puissance jusqu'à 0,99, une protection robuste contre la foudre et des niveaux d'étanchéité IP67. Ces produits sont conformes aux réglementations de sécurité mondiales et aux normes de compatibilité électromagnétique et disposent d'une protection contre les surtensions, les surintensités et les surchauffes. Ils sont largement utilisés pour les lampadaires LED, les éclairages de tunnel et l'éclairages d’atelier, locaux industriels, chantiers, zones de stockages, parking, aire de loisirs, terrain de sport et stades.

Les drivers de la gamme NOVETI des série SFL, HFL, XFL utilisent des condensateurs électrolytiques spéciaux à longue durée de vie spécifiés sur une durée de vie « LS » de 50 000 heures de -40°à +85°C. La régulation de sortie de courant à faible ondulation crée une lumière stable sans scintillement et une gradation en douceur pour les modèles équipés d’une option dimable 1-10V . La conception thermique autorégulée permet une garantie jusqu’à 5 ans.

Le pilote LED représente 80% de la fiabilité d’un luminaire LED. Au-dessous d’une certaine qualité il ne peut plus offrir au luminaire l’uniformité, le rendement et une fiabilité optimum.