L’idée de cet article est venue suite à la réalisation de ma première rampe LED, destinée à éclairer un bac de bon volume en cours de réalisation. Je franchissais donc le pas, abandonnant les HQI et tube T5, séduis par les progrès indiscutables qui avaient été fait ces dernières années dans ce domaine de l’éclairage. Par la suite il m’a été demandé de faire une présentation de cette rampe, sous forme d’article, comme nous pouvons en voir fleurir un peu partout sur le net ces derniers temps. Cependant j’avais rencontré sur Mon Bout de Récif un certain Jacquot, qui m’avait donné de précieuses informations à l’occasion d’échange sur le sujet. C’est donc vers lui que je me suis tourné pour nous écrire cet article, car il ne nous disait pas tout, et franchement, heureusement pour nous. (Greg)
1. AVANT PROPOS.
Le présent document n’a pas pour but d’enseigner la science de l’éclairagisme, optique, rayonnement électromagnétique mais a simplement pour vocation de permettre à tout un chacun de comprendre simplement (sans passer par des calculs savants) ce qui se passe dans l’éclairage liée à notre passion. Les calculs mis en œuvre, n’en déplaisent à certains, restent relativement approximatifs car basés sur des relevés de courbes mais qui néanmoins permettent une prédiction dans une tolérance certainement plus précise que certains tests aquariophiles.
Le but n’étant pas de dimensionner un éclairage basé sur les LED au photon près mais d’éviter de mettre le double ou la moitié de la puissance nécessaire au-dessus de son bac, de sélectionner et quantifier les sources que nous allons être amenés à mettre en œuvre, le tout en s’appuyant sur les bases nécessaires pour mener à bien cet exercice pas si simple.
2. NOTION DE BASE DANS L’ECLAIRAGE
2.1. Les grandeurs physiques
Longueur d’onde et couleurs :
Dans les courbes et calculs qui vont suivre, les couleurs seront désignées par leur longueur d’onde respective, exprimée en nm (nanomètre), vous trouverez donc ci-dessous une représentation graphique de la correspondance couleur / longueur d’onde (en nm).
2.1.1. La photométrie
La photométrie quantifie les rayonnements lumineux selon la perception de l’œil humain. Les appareils de mesure utilisés en photométrie sont donc conçus et étalonnés pour être représentatif de la sensibilité de l’œil humain.
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Grandeur |
Unité |
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Définition |
Equivalant Radiométrique |
| Intensité lumineuse |
Candela |
cd |
Unité de base de l’éclairage | W/sr |
| FluxLumineux |
Lumen |
Lm |
1lm = 1cd X sr | W |
| Eclairement |
Lux |
lx |
1lx = 1 lm / m² | W/m² |
sr (Stéradian) : angle solide d'un cône qui, ayant son sommet au centre d'une sphère, découpe sur la surface de cette sphère une aire égale à celle d'un carré ayant pour côté une longueur égale au rayon de la sphère
Cd (Candela) : La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 ×1012 hertz (correspondant à une longueur d'onde dans le vide de 555 nm) et dont l'intensité énergétique dans cette direction est précisément 1⁄683 watt par stéradian
Nota : (source wikipedia)
Courbe de sensibilité de l’œil humain :
Source: Photo lover « http://www.photo-lovers.org/color.shtml.fr »
2.1.2. La radiométrie
A l’inverse de la photométrie la radiométrie quantifie la lumière selon son rayonnement énergétique soit le flux photonique. Autrement dit, il est question ici de mesurer une énergie lumineuse, sans faire aucune conversion et en considérant toutes les longueurs d’onde.
Pour info :
1 joule de rayonnement émet à 500nm 2.517*1017 photon soit 4.18µmol de photon
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Grandeur |
Unité |
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Définition |
Equivalant Photométrique |
| Energie radiante | joule | J | Energie de base | |
| Flux radian | Watt | W | Puissance du rayonnement | lm |
| Eclairement ou Excitanse énergétique | Watt par m² | W/m² | Puissance par unité de surface | lx |
2.2. Spectre solaire et atténuation
Une fois pénétré dans l’eau, le rayonnement lumineux suit une atténuation en fonction de la clarté de l’eau et sa profondeur selon les courbes suivantes :
On constate que l’eau trouble absorbe plus les rayonnements bleus cela étant lié à la chlorophylle du phytoplancton qui trouble l’eau et qui absorbe le rayonnement bleu.
Sources :http://isitv.univ-tln.fr/~lecalve/oceano/ « Propriétés Physiques du Milieu Marin »
Pour le calcul d’atténuation la courbe intermédiaire (trait fin) a été prise ne compte.
2.3. La photosynthèse
2.3.1. Courbe de la photosynthèse
Ces courbes représentent les différentes longueurs d’onde qui sont utiles à la photosynthèse.
La répartition spectrale de la photosynthèse :
Chlorophylle a, chlorophylle b (rarement utilisée par les coraux), chlorophylle c (le pic à 460nm) et caroténoïdes seraient donc la seule source lumineuse nécessaire à nos hôtes malheureusement cela n’est pas forcément plaisant a notre vision. On notera que la courbe de sensibilité de l’œil humain et celle de la photosynthèse sont quasiment opposées. Ce que l’œil perçoit facilement (majoritairement le vert) n’apporte presque rien à la photosynthèse et les fréquences utiles à cette dernière (majoritairement les bleu et rouge) sont les moins visibles pour nous (en dehors du cyan) !
Il semblerait même que ce qui n’est pas utilisé par les coraux profiterait a des indésirables tels que les algues et les cyanobactéries notamment la courbe des Phycocyanine
2.3.2. PAR (Photosynthetically Active Radiation)
Désigne la bande spectrale du spectre solaire impliqué dans le processus de photosynthèse des cultures et des végétaux. Cette bande spectrale correspond à des longueurs d’onde comprise entre 400 et 700nm
Le PAR s’exprime en μmol/m²/seconde ou photons/m²/seconde et correspondant à la densité de flux de photons impliqués dans la photosynthèse (photosynthetic photon flux density ou PPFD). L’unité de la lumière est le quantum, quantité de photons. Pour référence, il est intéressant de savoir que 1 mole = 6.02 x 1023 photons.
(Extrait du document « Mesure de PAR » de chez http://www.majantys.com)
2.3.3. PUR(Photosynthetically Usable Radiation)Contrairement au PAR qui intègre les Photons de toute la bande spectrale 400 à 700nm, le PUR n’intègre que les quantités réellement absorbées par la photosynthèse.
3. QUELLE QUANTITE D’ECLAIRAGE POUR NOTRE RECIF
Souhaitant éclairer notre récif, il est donc important de connaître le besoin de nos hôtes. Dans un article publié sur : http://www.neoquarium.com/neolog/index.php/2009/09/01/la-lumiere-dans-la-nature-comparaison-av
On y trouve les valeurs suivantes :
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Point de saturation : |
Point de photo inhibition : |
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Pavonavarians :
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110 µmol·m ²·s (environ 5.500 Lux) |
~350 µmol·m ²·s (environ 17.500 lux) |
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Poriteslutea :
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400 µmol·m ²·s (environ 20.000 Lux) |
~750 µmol·m ²·s (environ 37.500 lux) |
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Pocillopora Rose : |
275 µmol·m ²·s (environ 13,750 Lux) |
~425 µmol·m ²·s (environ 21,250 lux) |
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Montiporacapitata :
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135 µmol·m ²·s (environ 6.750 Lux) |
~250 µmol·m ²·s (environ 12.500 lux). |
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Sinulariadensa :
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207 µmol·m ²·s (environ 10.350 Lux) |
~400 µmol·m ²·s (environ 20.000 lux). |
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Tridacna maxima : |
600 µmol·m ²·s (environ 30.000 Lux) |
aucune photo inhibition ~1900 µmol·m ²·s (environ 95.000 lux). |
Par ailleurs un tableau y est publié donnant une liste de coraux plus complets. Le point de saturation correspondant au maximum pouvant être assimilé par le corail tout flux énergétique supplémentaire est donc superflu.
4. DEFINITION DU BESOIN
Connaissant un peu mieux les besoins de nos hôtes il ne nous reste plus qu’à choisir la ou les source(s) lumineuse(s) approprié(s).
4.1. Les sources
Brutalement je dirais que toutes les sources couvrant le spectre de la photosynthèse peuvent convenir. J’entends par là produisant suffisamment de photons sur les longueurs d’ondes comprises entre 400 et 550nm.Sachant que de 630 à 700nm effectivement nos hôtes habitant naturellement en faible profondeur peuvent profiter de ces rayonnements. A noter qu’à partir d’une profondeur supérieure 10 m ces longueurs d’ondes sont quasi inexistantes. Il reste maintenant à déterminer la nature et la puissance des sources à mettre en œuvre.
5. APPLICATION PRATIQUE
5.1. Données d’entrée
- Nous avons vu que pour les hôtes que nous hébergeons, nous avons besoin de 100 à 400 µmol•m ²•s au maximum, en dehors du cas particulier de Tridacna maxima qui saura tirer profit d’encore plus de lumière.
- La taille de notre aquarium : comme nous connaissons l’énergie à fournir par unité de surface, nous pouvons donc, à partir de la surface du bac et de sa hauteur, définir l’énergie totale nécessaire pour éclairer ce dernier.
5.2. Exemple de détermination de la source
Taille du Bac 200cm x 85cm x 55cm soit une surface de 1.7m²
Hauteur de la rampe au-dessus du Bac 60cm
Energie requise : 400 µmol•m ²•s X 1.7= 680 µmol•s de Photon
Energie requise : 600 µmol•m ²•s X 1.7= 1020 µmol•s de Photon dans le cas de tridacna
On parle ci avant en W Watt Puissance radiométrique et non électrique
Il en découle que la puissance radiométrique restituée est plus importante dans les longueurs d’onde 400 à 500nm. A la vue de la répartition photonique en fonction du spectre de la source lumineuse, il faut un peu plus qu’une simple règle de 3 pour définir le nombre de lucioles à mettre en œuvre. Afin de faciliter cela, et vu la montée inévitable en puissance des LED avec la mise à disposition de la répartition spectral par les fabricants (du moins ceux qui ont pignon sur rue) un outil sur base d’une feuille de tableur permet de :
- 1. Définir la composition de sa rampe
- 2. Définir le modèle économique de la rampe
- 3. Définir les caractéristiques des radiateurs nécessaires au refroidissement des LED.
Mais avant tout :
C’EST QUOI CES FAMEUSES LED QUI FONT TELLEMENT PARLER
En fait il ne s’agit ni plus ni moins qu’une jonction PN (semi-conducteur) qui a la particularité d’émettre sur la surface de la jonction un flux lumineux dont la couleur dépend de la nature des matériaux utilisées.
Nous trouvons donc :
En fait c’est comme nos bon vieux tubes fluorescent T8,T5, fluocompact ou ampoules économes :
Les Led blanches sont obtenue a partir de Led bleu dont l’adjonction d’une couche de phosphore emet de la lumière blanche. C’est donc en fonction de la composition de cette couche de phosphore que l’on obtient différentes températures de couleurs.
Et pour ceux qui veulent en savoir bien plus :
« »
6. OUTIL TABLEUR
6.1. Composer sa rampe
La méthode mise en œuvre afin de définir le nombre de LED nécessaires à la composition de la rampe se base sur les 3 grandeurs physiques suivantes :
- • Lumen,
- • puissance radiométrique,
- • le flux de photon
Les lumens sont utilisés à la base afin de déterminer la puissance radiométrique de chaque LED.
L’indication dans la feuille de calcul des lumens émis par la rampe est indiquée de manière informative.
Les calculs sont basés sur la puissance radiométrique ainsi que le flux de photon intervenant au niveau de la photosynthèse.
Afin de guider notre choix la saisie du Nb de LED modifie interactivement l’affichage de la courbe spectrale de la rampe. Cette courbe est en permanence comparée à la courbe de photosynthèse ainsi que la courbe de rayonnement solaire.
Ex : Courbe spectre solaire et photosynthèse (A + beta caroténoïde) corrigée pour une profondeur de 10m.
Ces 3 courbes ont la même échelle (en x et y)donc une même amplitude correspond à la même grandeur physique et sont callés sur :
- • Un rayonnement solaire de 800 W moyens journaliers d’énergie photonique au niveau de la mer (le Maxi étant d’environ 1400W au niveau de la mer). Cette courbe est corrigée en fonction de l’atténuation liée à la profondeur (paramétrable) où vivent nos hôtes.
- • Courbe de photosynthèse basée sur un PUR de 600 µmol/m²/s (valeur paramétrable) Cette courbe est corrigée en fonction de l’atténuation liée à la profondeur (paramétrable) où vivent nos hôtes
- • Courbe spectrale définie en fonction du type et nombre de LED sélectionnés.Cette courbe est corrigée en fonction de l’atténuation liée à la hauteur d’eau dans l’aquarium.
Mais avant de saisir une quantité de LED il faut choisir à quelle intensité on souhaite la faire fonctionner. A cet effet une fenêtre déroulante permet de faire un choix entre 100mA et l’intensité maximum admissible par pas de 50mA.
Pour info plus l’intensité sera élevée plus le rendement de la LED diminuera.
Le choix de cette intensité fixera toutes les autres grandeurs physiques (extraites des Data-sheet) nécessaires aux différents calculs.
6.2. Bilan économique
Après avoir saisie le prix d’achat des LED + le prix des optiques ainsi que le coût du KWh de l’électricité on obtient le coût d’exploitation de la rampe.
En modifiant la configuration de cette dernière le bilan économique est modifié également.
6.3. Refroidissement
La LED de par son fonctionnement dégage une quantité de chaleur pratiquement équivalente à sa consommation électrique. L’accroissement de la température de jonction (le « cœur » de la LED) provoque une diminution du flux lumineux émis environs -10% à 75° et -20% pour 125°. Nous avons donc intérêt à ne pas dépasser les 75°. Par ailleurs la température de jonction (PN) ne doit pas dépasser un seuil défini par le constructeur (entre 120 et 150° selon le constructeur).
Dépasser ce seuil aurait pour effet outre une diminution drastique des caractéristiques lumineuses mais également la détérioration de la jonction et de la LED par la même occasion.
Le but est donc de transférer cette production de chaleur vers l’air ambiant afin de maintenir la température de jonction la plus basse possible, afin d’optimiser le rendement de la LED et d’en assurer une bonne durée de vie. En effet, plus la température de fonctionnement de la LED est importante, plus sa durée de vie diminue.
Nous avons donc le schéma de montage suivant :
Le même montage sous tensions avec les éléments clés lié au refroidissement.
Note concernant la température ambiante :
La température à prendre en considération est la température à proximité du radiateur voir même entre les ailettes. En effet c’est près des radiateurs que l’air est le plus chaud donc la différence de température favorable au refroidissement sera plus faible. 35° devrait être une bonne approximation. En cas de ventilation forcée la température ambiante sera celle de la pièce.
Les calculs
Tj -Ta = (RthJ-C + RthC-Pcb + RthPcb-R + RthR-A) x Pth (loi d’ohm thermique)
Tous ces calculs sont réalisés automatiquement, individuellement pour chaque LED mais également pour l’ensemble de la rampe.
6.4. Sélection des optiques secondaires
Nos sources d’éclairage rayonnant avec des angles pouvant aller aux 360° il faut donc réorienter tout cela sur la surface de notre bac afin de n’éclairer que ce dernier. Ci-dessous l’angle d’émission type des LED sans optique secondaire. A noter que l’angle donné par les constructeurs correspond à l’angle dont le flux lumineux en limite extrême est encore de 50% soit dans le cas ci-dessous125 à 130°. On constate également que le faisceau total se rapproche des 180°.
L’utilisation d’optiques secondaires permet donc de concentrer selon un angle donné, la totalité du flux émis, et donc d’améliorer le rendement en orientant un maximum de lumière vers l’aquarium à éclairer. Une attention particulière est à prendre au moment de l’achat de ces optiques car certainsfabricantsparlent en « demi faisceau », la valeur à considérer est donc le double de la valeur annoncée. Ex. : optique 30° faisceau obtenu 60°.
6.4.1. Réflexion, Réfraction
Il faut savoir que tout rayon lumineux traversant des milieux différents est soumis à des phénomènes de réflexion et de réfraction.
« »
Si ce rayon lumineux est perpendiculaire à la surface séparant les 2 milieux (l’air et l’eau) il ne subit pas la réfraction. La réflexion est quant à elle quasiment nulle(env. 2%) mais cette dernière suivant une courbe exponentielle fait que plus l’angle d’incidence augmente plus l’énergie réfléchie augmente.
Les tableaux suivants reprennent toutes ces grandeurs sachant que le pourcentage réfléchi et réfracté est une approximation donnant une tendance et est loin d’un calcul scientifique faisant intervenir en plus les différentes longueurs d’ondes.
L’application pratique nous donnerait cela :
Faisceau lumineux de 60° Faisceau lumineux de 144°
En rouge le pourcentage d’énergie lumineuse réfléchie ou transmise. On constate sur les schémas ci avant que pour un faisceau de 144° on récupère dans le Bac environ 48% de l’énergie lumineuse produite alors que pour un faisceau de 60° c’est 89.4% que l’on récupère dans le Bac. Ceci en considérant une surface plate, la surface de l’eau de nos bacs étant généralement agitée par le brassage, ces angles changent dans les faits constamment.
6.4.2. Choix de l’angle d’émission de notre éclairage
Idéalement notre faisceau devrait être à flux parallèle et perpendiculaire à la surface de l’eau ce qui impliquerait une rampe de surface équivalente au bac avec réflecteur parabolique et source lumineuse en son foyer. (Souvent le cas sur rampes fluo de bonne facture). Mais aussi « lumenarc » et « lumenbright » pour les HQI. Fort de ce qui précède nous pouvons donc retenir une optique à monter sur notre rampe.
Ci-dessous le comparatif entre des optiques de 30° et 60° pour une profondeur de Bac de 50 cm et une rampe placée à 60cm au-dessus de l’eau
On remarque qu’à 30° on a 3.9 fois plus de PAR, inversement la surface éclairée est 3.97 fois plus petite. Il est couramment admis que l'éclairement (lx ou W/m² radiométriques) est inversement proportionnel au carré de la distance (hauteur) ce qui se vérifie par le fait qu’en augmentant la hauteur la surface augmente dans la proportion du carré de la hauteur. Or dans notre cas tout ce qui entre dans l'eau faisceau inférieur à 100° y reste par réflexion et la surface éclairée est constantes.
Moralité :
A surface éclairé égale et à puissance lumineuse égale on retrouve sensiblement le même Nb. de PAR tant que l’angle de diffusion est inférieur à 90 – 100° après la réflexion risque de devenir trop importante et de diminuer le rendement de l’éclairage.
Pour info le diamètre du spot lumineux D=2 x ( tan (1/2 angle) x Hauteur source)
Conclusion :
Voilà, comme vient de nous l’expliquer Jacquot, une rampe LED ce n’est pas si simple, rien d’insurmontable évidemment, mais il y a quand même quelque « trucs » a savoir pour faire les choses bien. A la lecture de cet article, en dehors d’un probable mal de crane et d’un enthousiasme évident à avoir appris tant de choses, certains seront peu être déçus, même pas une photo de rampe, même pas un exemple concret… Ceci sera en fait l’objet d’un prochain second article, car la réalisation d’une rampe demande une réflexion globale amenant à des choix, et donc a de nombreuses conceptions possibles.
Dans cet article, je vous présenterais la rampe à haut rendement réalisée pour éclairer mon 1100 l basée sur des LED de puissance de 3 et 10 w. Nous entrerons alors dans le vif du sujet et verrons qu’une fois une « recette » trouvée, elle peu être déclinée pour éclairer des bacs très différents.
Grégory Lagarrigue Pour monboutderécif
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