Lampes à diode électroluminescente (LED)

A propos des LED

Les lampes à diode électroluminescente sont disponibles dans toute la gamme du spectre visible allant de l'ultraviolet à l'infrarouge. Les cultivateurs utilisent avec succès les LED pour cultiver du cannabis médicinal. Les lampes LED peuvent être utilisées pour la pré-croissance et la multiplication en horticulture ainsi que pour des cultures expérimentales en intérieur et en serre. A ce jour, les LED ne représentent pas une alternative économiquement viable pour remplacer les lampes HID en serre ou en intérieur. Cependant, dans l'horticulture industrielle, les LED sont très intéressantes et je propose d'examiner réellement les avancées réalisées dans la technologie des LED.

  La lumière LED violette se reflète sur les feuilles de cannabis ce qui leur donne une couleur violette

Il existe tellement de nouveautés et de différents types de LED, et il y a tellement d'informations autour d'elles, qu'il est difficile de comprendre quelle LED en particulier est la meilleure source de lumière pour la culture du cannabis médicinal. Les lampes à diode électroluminescente utilisent des semi-conducteurs pour produire de la lumière. La technologie est similaire à celle des circuits d'ordinateur. Les LED n'utilisent pas de filaments comme dans les ampoules incandescentes et les halogènes à tungstène, ni du gaz comme dans les HID, les fluorescentes et les fluorescentes compactes.

Les LED génèrent moins de chaleur et sont adaptées au courant électrique usuel – 120 et 240 V. Les LED fonctionnent tant sous 120 V que 240 V, un service électrique de 50 à 60 cycles. Pour cette raison, les supports LED ne sont souvent pas équipés d'une prise d'alimentation. La lumière émise par les LED ne cesse d'augmenter au fur et à mesure de l'amélioration des matériaux et de l'avancement technologique tout en maintenant l'efficience et la fiabilité des semi-conducteurs. Les composants à semi-conducteurs ne s'endommagent pas facilement avec des chocs externes.

Les lampes LEDS sont destinées à remplacer les lampes HPS parce qu'elles sont hautement efficientes (de plus de 54 pourcent), ont une très longue durée de vie (elles produisent encore au moins 70 pourcent de leur intensité d'origine après 50.000 heures), sont de petites tailles et fonctionnent à un faible voltage. Les LED obsolètes qui produisent moins d'un watt ne sont pas aussi brillantes que les nouvelles LED de 1, 2 et 3 watts. En outre, certaines LED de même wattage sont plus brillantes que d'autres. Voir "Brilliance" page 284. A la place du ballast, c'est une série de résistances ou de charges électriques régulées par le courant qui fournissent le précieux voltage et le courant aux LED qui opèrent ainsi plus efficacement. La fourniture électrique peut être réduite pour atténuer les lampes. Certaines LED ont des capacités de graduation de lumière de 20 à 100 pourcent. Le hardware nécessaire est connecté de manière fixe et soudé dans un petit support (plaque de circuit) qui est connecté au fournisseur de courant.

Quand on achète un support séparément, on peut remplacer individuellement chaque groupe de LED, ce qui est plus pratique et plus économique. D'autres types de lampes ont un voltage constant – ce qui signifie qu'elles ont besoin d'un voltage constant pour fonctionner et qu'elles sont généralement peu tolérante aux variations électriques. Par exemple, une ampoule incandescente classique conçue pour le courant alternatif de 230 volts européen fonctionne bien de 40 VAC à 70 VAC. Les LED sont des dispositifs à courant constant qui requiert un voltage contrôlé pour maintenir un flux de courant électrique précis au travers de la LED. Contrairement à d'autres sources lumineuses, les LED sont des dispositifs non linéaires, ce qui signifie qu'une petit augmentation du voltage provoque une importante augmentation du flux de courant au travers de la LED.

Cela signifie que les LED doivent être alimentées par un appareil appelé système d'alimentation redondant à courant constant. Ceux-ci ajustent l'intensité du voltage afin de maintenir le courant au travers des LED à un niveau constant préréglé. Les LED sont souvent connectées en série ou en ligne. Les LED peuvent aussi être seules. Quand elles ne fonctionnent pas, il y a 80 pourcent de chance qu'elles continueront la conduction électrique plutôt que de "brûler" comme les ampoules incandescentes ce qui ne permet plus la conduction électrique. Le courant électrique peut augmenter au point d'empêcher plus de LED de fonctionner ou même provoquer une réaction en chaîne qui peut détruire toutes les LED de la ligne. Un système d'alimentation redondant à courant constant va détecter cette augmentation du courant et réduire l'intensité de son voltage pour compenser – et ainsi protéger les LED restantes.

Une autre solution est d'utiliser système d'alimentation redondant à courant constant moins cher; l'intensité est constamment ajustée pour fournir un voltage précis peu importe la charge qu'il transporte. Il y a généralement 24 volts de courant direct (VDC), 36 VDC ou 48 VDC. Si ce type de système d'alimentation est utilisé, la plaque du circuit sur laquelle les LED sont montées doit disposer d'une petite puce avec régulateur électrique. Certains fabricants n'utilisent pas cette puce régulatrice; à la place, ils utilisent des résistances pour ajuster le voltage (et ainsi le courant électrique) au travers des LED. Ce n'est pas recommandé parce que le voltage nécessaire aux LED varie en fonction de l'âge et de la température et peut conduire à une alimentation électrique trop forte des LED et les endommager. Quand on allume une LED, les électrons se recombinent avec des trous d'électron dans la LED et libèrent des photons (énergie lumineuse) durant le processus d'électroluminescence. La performance optimale dépend de la température opérationnelle.

A ce jour, la LED la plus efficace est celle d'un watt. Celles de wattages plus élevés génèrent plus de chaleur et sont moins efficientes, produisent moins de lumen par watt. Par exemple, une LED de 3 watts produit seulement 35 pourcent de lumens en plus qu'une LED d'un watt. L'énergie électrique est convertie en chaleur plutôt qu'en lumière. Si les températures ambiantes de l'environnement de la lampe grimpent trop haut, les LED surchauffent et s'affaissent, et produisent ainsi considérablement moins de lumière. Comme les puces semi-conductrices d'ordinateur, les LED lâchent plus vite quand elles sont surchauffées longtemps. Les LED fonctionnent à des milliampères (mA). Certaines LED fonctionnent avec moins de mA pour augmenter leur efficience.

La science et les données derrières toute circuiterie est trop complexe pour être expliquée dans ce livre. La meilleure manière pour le cultivateur de cannabis médicinal de discerner la brillance d'une LED ou d'un projecteur plein de LED est de mesurer la production de lumière avec un photomètre. Globalement, la plupart des jardiniers indoor peuvent déchiffrer la production lumineuse d'une LED en suivant cette équation: ampères x voltage = watts (la loi d'Ohm). Sinon, le calcul de la production de lumière peut devenir assez compliqué et confus. Par exemple, une LED de 3 watt qui fonctionne à 350 mA produit 1 watt de lumière. Les petites LED chauffe rapidement et perdent de leur efficacité; l'énergie lumineuse est convertie en chaleur à partir d'une température opérationnelle spécifique.

La température opérationnelle est liée à l'entrée du courant électrique (mA). La température optimale pour chaque couleur de LED garantit un rendu de couleur précis. A température maximale ou à une température trop élevée, la LED ne va pas fonctionner. Si trop de courant passe au travers de la petite LED, elle chauffe trop, devient inefficace (l'énergie lumineuse est transformée en chaleur) et s'endommage (brûle). L'humidité est également néfaste pour les circuits. La circuiterie LED est exposée et doit être protégée de l'humidité pour éviter la corrosion. La LED doit être fermée pour l'isoler de l'humidité extérieure.

LED Fabrication et tri

La fabrication de LED requiert la préparation d'une fine couche de cristal sur un support de saphir synthétique ou de carbure de silicium. Le processus doit être contrôlé de près pour un certain nombre de facteurs; en fait, une grande partie de l'amélioration de l'efficience/intensité des LED vient de l'amélioration de la qualité de contrôle pendant la fabrication plutôt que d'avancements technologiques.

D'autres améliorations de l'efficience ont été amenées par la modification de la structure de la couche de LED pour aider les photons qui sont créés à rester piégés dans le structure de la couche de la LED. Cela survient parce que les matériaux dans la LED ont un index de réfraction très élevé, ce qui entraîne que les photons qui restent à la surface de la puce de la LED sont à nouveau réfléchis vers la puce et perdus. Quand la plaquette est enduite, elle est coupée en centaines de toutes petites puces. Il est difficile de contrôler le processus de fabrication et chaque petite puce aura des propriétés légèrement différentes.

De ce fait, le voltage requit, la longueur d'onde et l'intensité sera légèrement différente d'une puce à l'autre! La distribution des qualités de brillance, de longueur d'onde et de voltage des puces de chaque lot suit la courbe d'une cloche standard. Ces puces sont ensuite testées individuellement par une machine et triées dans des "corbeilles" selon leurs propriétés. Comprendre ce "tri dans les corbeilles" (et que toutes les LED ne sont pas créées de manière égale) est super important, surtout si vous comptez construire votre propre projecteur. Par exemple, la brillance de LED du même modèle peut varier jusqu'à 100 pourcent en fonction de la désignation de la corbeille et le voltage requit peut également varier jusqu'à 50 pourcent.

Cela signifie que les LED de la meilleure corbeille voltage/brillance va donner deux fois plus de lumière pour deux tiers de l'électricité de la LED venant de la plus mauvaise corbeille. Tous les bons fabricants de LED fournissent les listes des codes des corbeilles sur leur site web. La brillance et l'efficacité des LED s'améliorent sans cesse mais contrairement aux processeurs d'ordinateur CPU qui sont de plus en plus rapides, ces améliorations vont diminuer et éventuellement s'arrêter. Cela parce que, contrairement au CPU des ordinateurs qui peuvent s'accélérer sans fin, les LED vont finir par atteindre une efficacité de 100%; les experts pensent pouvoir atteindre un maximum d'environ 90 pourcent. Pour atteindre ce pourcentage, les puces doivent être testées individuellement par une machine et triée en corbeilles selon leurs propriétés.

Coûts

Une lampe LED de 30 ou 50 watts avec émetteur coûte de 0,59€ à 0,63€ par watt. Une HID coûte moins de 0,50€ par watt. Une lampe de culture de 90 watts coûte environ 300€ quand on l'achète dans un magasin de jardinage ou chez un vendeur spécialisé. Cependant, trois lampes LED avec réflecteur coûtent 65€ quand elles sont achetées chez un détaillant. N'oubliez pas, toutes les LED ne sont pas fabriquées de la même façon. Les LED ont toujours été plus chères que la plupart des autres lampes à cause de la complexité de leur fabrication, du taux élevé de rejet et du coût du matériel de la puce de la LED et du substrat sur laquelle la puce est basée – un saphir synthétique coûteux.

L'amélioration des processus de fabrication a réduit le taux de rejet, une technologie pour affiner le film a réduit la quantité de matériel requise pour fabriquer l'émetteur et de nombreuses LED sont aujourd'hui fabriquées avec des substrats low-cost de SIC (carbure de silicone). L'efficacité et l'intensité de la LED qui en découles ont également été considérablement améliorées. Les LED de première qualité atteignent maintenant 50 pourcent d'efficience. Il faut donc moins de LED pour obtenir la même intensité lumineuse d'une lampe ce qui en réduit le coût. Il y a une importante variation dans le coût et la qualité des LED. Les LED de très haute qualité et très intenses venant d'excellents fabricants comme Cree, Osram et Philipps peuvent coûter 10 à 20 fois plus chers que les LED made in China, et il existe un marché important de contrefaçons de LED.