# Etude de la durabilité des prototypes de lampes PACTE-LED de type MR16 de 7 W et 4 W

François Olive, Daniel Quenard, Christophe Martinsons

► To cite this version:

François Olive, Daniel Quenard, Christophe Martinsons. Etude de la durabilité des prototypes de lampes PACTE-LED de type MR16 de 7 W et 4 W. CSTB Rapport Technique n°RAP2 26029850 CPM/11-419/FO/MLE, CSTB - Centre scientifique et technique du bâtiment, France. 2011. hal-04750255

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>

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# PACTE LED

## Rapport L2 T41

## Etude de la durabilité des prototypes de lampes à LED MR16 de substitution 7 W et 4 W

François OLIVE

Chefs de Division

Daniel QUENARD

Christophe MARTINSONS

## Demandeur de l'étude

ADEME

Avenant 1 à la convention N° 0807C0040 du 30/07/2009

Responsable Bruno LAFITTE

<table><thead><tr><th>Auteur(s)</th><th>Approbation</th><th>Vérificatrice</th></tr></thead><tbody><tr><td>François OLIVE</td><td>Christophe MARTINSONS</td><td>M.L. ELIARD</td></tr><tr><td colspan="3">Confidentiel jusqu'au 31/07/2017</td></tr></tbody></table>

Toute reproduction partielle susceptible de dénaturer le contenu du présent document, qu'il s'agisse d'une omission, d'une modification ou d'une adaptation engage la responsabilité du client vis-à-vis du CSTB ainsi que des tiers concernés.
Résumé

Cette étude regroupe les résultats concernant les caractéristiques des prototypes de
lampes à LED MR16 4 W et 7 W vis-à-vis des tests d'endurance et de vieillissement
accéléré.

Pour les deux types de lampes, nous avons étudié l'influence des sollicitations de chocs thermiques, de cycles thermiques et de fonctionnement continu à haute température sur les performances photométriques et électriques des lampes LED.

Ceci constitue une première approche d'une étude de durabilité qui devrait aussi permettre la bonne adéquation entre les tests de durabilité et les lampes à LED développées par PHILIPS dans ce projet.

Mots clefs

PACTE LED ; lampe ; halogène ; très basse tension ; MR 16 ; LED ; DEL ; 12 V ; GU 5,3 ; photométrie ; flux ; intensité lumineuse ; efficacité lumineuse ; température de couleur ; IRC ; indice de rendu de couleurs ; goniomètre ; sphère d'intégration ; durabilité, vieillissement artificiel.

Abstract

This study presents the results concerning the accelerated ageing (endurance) and durability tests carried out on the prototypes of the LED lamps MR16 4 W and 7 W developed by PHILIPS in the PACTE-LED project.

For the two types of LED lamps, we studied the influence of thermal shocks, thermal cycling and high temperature continuous operation on the photometric and electric performances.

This study constitutes a first approach of the LED lamp durability. It should also show the good adequacy between the tests of durability and the LED product.
Table des matières

<table><tr><td>RÉSUMÉ</td><td>2</td></tr><tr><td>MOTS CLEFS</td><td>2</td></tr><tr><td>ABSTRACT</td><td>2</td></tr><tr><td>1 - INTRODUCTION</td><td>4</td></tr><tr><td>2 - MÉTHODES ET ÉQUIPEMENTS DE MESURE</td><td>4</td></tr><tr><td>2.1 - MESURES EN SPHÈRE D'INTÉGRATION</td><td>4</td></tr><tr><td>2.2 - MESURES ÉLECTRIQUES</td><td>4</td></tr><tr><td>2.3 - MOYEN DE VIEILLISSEMENT</td><td>5</td></tr><tr><td>3 - LES LAMPES À LED MR16 DE SUBSTITUTION</td><td>6</td></tr><tr><td>3.1 - DESCRIPTION DE LA LAMPE À LED MR16 4 W</td><td>6</td></tr><tr><td>3.1 - DESCRIPTION DE LA LAMPE À LED MR16 7 W</td><td>7</td></tr><tr><td>4 - CHOCS THERMIQUES</td><td>8</td></tr><tr><td>4.1 - PRINCIPE</td><td>8</td></tr><tr><td>4.2 - RÉSULTATS COMPARÉS AVANT/APRÈS LES CYCLES DE CHOCS THERMIQUES</td><td>8</td></tr><tr><td>5 - VIEILLISSEMENT CLIMATIQUE</td><td>11</td></tr><tr><td>5.1 - PRINCIPE</td><td>11</td></tr><tr><td>5.2 - RÉSULTATS COMPARÉS AVANT/APRÈS VIEILLISSEMENT CLIMATIQUE</td><td>13</td></tr><tr><td>6 - CYCLES TEMPÉRATURES/ÉCLAIRAGES</td><td>17</td></tr><tr><td>6.1 - PRINCIPE</td><td>17</td></tr><tr><td>6.2 - RÉSULTATS COMPARÉS AVANT/APRÈS LES CYCLES TEMPÉRATURES/ÉCLAIRAGES</td><td>18</td></tr><tr><td>7 - CONCLUSION</td><td>21</td></tr><tr><td>8 - ANNEXE 1 : MÉTHODES ET ÉQUIPEMENT DE MESURE</td><td>22</td></tr><tr><td>8.1 - MESURES EN SPHÈRE D'INTÉGRATION</td><td>22</td></tr><tr><td>8.2 - ALIMENTATION ÉLECTRIQUE</td><td>24</td></tr></table>
# 1 - INTRODUCTION

Le présent rapport a pour but de présenter les performances des prototypes de lampes à LED type MR 16 4 W et 7 W après les sollicitations suivantes :

- Chocs thermiques

- Cycles thermiques

- Etuvage (fonctionnement continu à haute température)

Les protocoles utilisés dans ce travail sont issus des spécifications CEI PAS 62 612 « Self-ballasted LED-lamps for general lighting services - Performance requirements », Ed. 1, Juin 2009. Ce document n'est toutefois pas directement applicable aux lampes TBT. Les performances de ces dernières seront spécifiées dans un futur document de la CEI intitulé « Non-ballasted single capped LED lamps for general lighting - Performance requirements » en cours d'élaboration.

Ces essais sont menés en parallèles sur des lots de lampes dédiés à chaque essai.

Des essais complémentaires de commutations (grand nombre d'allumage et d'extinction) sont effectués en parallèle sur d'autres lots de lampes au LNE. Ces essais feront l'objet d'un rapport séparé.

# 2 - MÉTHODES ET ÉQUIPEMENTS DE MESURE

## 2.1 - Mesures en sphère d'intégration

Les mesures de flux spectrique sont réalisées à l'aide d'une sphère d'intégration de 1 m de diamètre. Ces mesures servent au calcul des caractéristiques photométriques (flux) et colorimétriques (température de couleur proximale CCT, indice de rendu de couleur Ra)

Pour ces mesures, les lampes sont alimentées avec une tension alternative de 12 V stabilisée fournie par un transformateur ferromagnétique.

C'est à partir de la mesure du courant délivré par l'alimentation en tension alternative que la consommation électrique de la lampe est déduite afin de calculer son efficacité lumineuse

Les détails du protocole et du dispositif expérimental sont décrits en annexe 1.

## 2.2 - Mesures électriques

Pendant les mesures en sphère d'intégration, des mesures électriques ont aussi été réalisées sur l'alimentation en courant alternatif afin de :

- calculer l'efficacité lumineuse
- analyser la qualité du courant : facteur de puissance, forme d'onde, harmoniques et distorsions harmoniques.

Ces mesures sont réalisées à l'aide d'un analyseur de réseau Chauvin Arnoud type C A 8230.

L'alimentation est fournie par le réseau EDF suivi d'un stabilisateur de tension 230 V et d'un transformateur ferromagnétique 12 V.

Les mesures sont réalisées après 15 minutes de temps de chauffe de la lampe, en sortie du transformateur de tension ferromagnétique.

## 2.3 - Moyen de vieillissement

Les 3 types de vieillissements sont réalisés en étuve afin de contrôler l'environnement.

Les références des enceintes pour le cyclage thermique et le vieillissement climatique sont :

- Marque : CLIMAT

- Type : EX2213-HE

- Volume 200 l

- Plage de température -45/180 °C

Et

- Marque : WEISS

- Type : SB/300/40

- Volume 290 l

- Plage de température -40/180 °C

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Photographie de l'enceinte climatique CLIMAT dans laquelle sont placées les lampes PACTE-LED en cours de vieillissement.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Détail de l'enceinte climatique CLIMAT dans laquelle sont placées les lampes PACTE-LED en cours de vieillissement.

Sur cette dernière photographie, on distingue les racks spécifiques conçus au CSTB pour maintenir les lampes dans l'étuve.

# 3 - LES LAMPES À LED MR16 TESTEES

## 3.1 - Description de la lampe à LED MR16 4 W

Référence commerciale:

Type, modèle : Lampe Master LEDSpot MR 16 LV

Puissance: 4 W

Culot : GU 5.3

Température de couleur : 2700 K

Alimentation Type 50-60 Hz 12 v 670 mA
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 1 : Photo d'une lampe à LED type MR16 4 W</figcaption></figure>

Ces lampes sont les prototypes des lampes PACTE-LED 4W. Ce ne sont pas les lampes définitives qui seront caractérisées dans la dernière année du projet PACTE-LED.

## 3.1 - Description de la lampe à LED MR16 7 W

Référence commerciale:

Type, modèle : Lampe Master LEDSpot MR 16 LV Dimmable

Puissance: 7 W

Culot : GU 5.3

Température de couleur : 3000 K

Alimentation Type 50-60 Hz 12 v 700 mA

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 2 : Photo d'une lampe à LED type MR16 7 W</figcaption></figure>
Ces lampes sont les prototypes des lampes PACTE-LED 7 W. Ce ne sont pas les lampes définitives qui seront caractérisées dans la dernière année du projet PACTE-LED.

# 4 - CHOCS THERMIQUES

## 4.1 - Principe

Durant un cycle de 10 h, les lampes sont soumises à des variations brusques de température.

Le vieillissement accéléré est ici provoqué par les transitions brutales de température.

Le mode opératoire est le suivant :

1. les lampes sont conditionnées dans une enceinte à -10°C pendant au moins 1 h

2. le plus rapidement possible, les lampes sont déplacées dans une enceinte conditionnée à 45°C où elles restent pendant au moins 1h,

3. le plus rapidement possible, les lampes sont déplacées dans l'enceinte conditionnée à -10°C ou elles restent pendant au moins 1h.

Ce cycle est répété 10 fois.

Pour ce test, 20 lampes de chaque puissance ont été testées.

## 4.2 - Résultats comparés avant/après les cycles de chocs thermiques

Avec des différences moyennes entre les performances photométriques avant et après le cycle de choc thermique inférieures à 0,5%, les figures 2, 3, 4 et 5 montrent que le choc thermique n'a aucune incidence mesurable sur les performances photométrique des prototypes de lampes à LED 4 et 7 W

Avec une baisse en moyenne de 3% (entre 1 et 9) de l'efficacité lumineuse, la figure 6 montre qu'une légère détérioration est perceptible sur les lampes de 4 W mais n'est pas confirmée sur les lampes de 7 W
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 2 : Flux initial et après le choc thermique des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 3 : Flux initial et après le choc thermique des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 4 : CCT et Ra initial et après le choc thermique des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 5 : CCT et Ra initial et après le choc thermique des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 6 : Efficacité lumineuse initiale et après le choc thermique des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 6 : Efficacité lumineuse initiale et après le choc thermique des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>

# 5 - VIEILLISSEMENT CLIMATIQUE

## 5.1 - Principe

Afin d'accélérer le vieillissement en utilisation continue à température ambiante, les lampes subissent un cycle de vieillissement dit « climatique ».

Dans ce cas, l'accélération du vieillissement est provoquée par une plus haute température de fonctionnement des lampes, celles-ci restant allumées en continu.
20 lampes de chaque puissances sont conditionnées pendant 6000 h dans une enceinte à une température de 45°C et mise sous tension en continu.

Pour servir de témoin, 4 lampes de chaque puissance sont conservées sous tension (lampes allumées) dans une ambiance à 23°C. La photographie suivante montre ces lampes dites « témoins ».

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

## Lampes « témoins » subissant un fonctionnement continu pendant la durée des essais de vieillissement climatique

Durant ce vieillissement, les lampes sont alimentées par un transformateur ferromagnétique de marque LEGRAND (voir photo suivante).

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

## Transformateurs ferromagnétiques de marque LEGRAND utilisés pour alimenter les lampes pendant l'essai de vieillissement climatique en fonctionnement continu
## 5.2 - Résultats comparés avant/après vieillissement climatique

Les résultats présentés ici ont été établis après environ 5500 heures de vieillissement feront l'objet d'une mise à jour lorsque les 6000 h de fonctionnement seront atteintes.

Les flux des deux type de lampes représentés sur les figure 7 et 8 montrent une légère augmentation jusqu'à 500 h.

Une décroissance nette apparaît à partir de 1000 h pour les lampes de 4 W et à partir de 2500 h pour les lampes de 7 W.

Ces tendances apparaissent aussi bien sur les lampes témoins que sur les lampes subissant le vieillissement climatique à 45°C.

Pour les lampes 4 W, le niveau de maintenance L90 (diminution du flux à 90% de la valeur initiale) est atteint à environ 5000 h, ce qui représente une performance relativement médiocre.

Pour les lampes 7 W, la dépréciation du flux lumineux est significativement plus faible que celle des lampes 4 W. Ainsi, à 5000 h, le flux n'a perdu qu'environ 1 à 2 % de sa valeur initiale (niveau de maintenance L98).

Les lampes de 4 W ont vu leur flux se déprécier un petit plus (entre 3% et 5%) à la température de 45°C par rapport aux lampes témoins fonctionnant à 23°C. Par contre, pour les lampes de 7 W, il n'y a pas d'accélération du vieillissement à une température ambiante de 45°C par rapport à 23°C.

Les puissances électriques, apparentes et actives, n'ont pas montré de dérives significatives au cours de cet essai de vieillissement.

L'efficacité lumineuse suit donc globalement la courbe de dépréciation du flux lumineux en fonction du temps.

Les figures 9 et 10 présentent les efficacités lumineuses en fonction du temps. Les figures 11, 12, 13 et 14 illustrent les puissances actives en W et apparente en VA.
<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 7 : Flux normalisé en fonction du temps des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 8 : Flux normalisé en fonction du temps des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 9 : Efficacité lumineuse en fonction du temps des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 10 : Efficacité lumineuse en fonction du temps des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 11 : puissance active des lampes 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 12 : puissance active des lampes 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 13 : puissance apparente des lampes 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 14 : puissance apparente des lampes 7 W</figcaption></figure>

# 6 - CYCLES THERMIQUES ET COMMUTATIONS

## 6.1 - Principe

Afin d'accélérer le vieillissement dû aux conditions d'utilisation, les lampes subissent un cycle de température variable combiné à des alternances d'allumage et d'extinction.
Dans ce cadre, les facteurs de vieillissement sont l'alternance chaud/froid et les cycles de mise sous et hors tension.

Le mode opératoire est le suivant :

Les lampes sont conditionnées dans une enceinte dont la température varie selon le schéma suivant :

- 10° pendant 1 h

- Montée en température jusqu'à 50°C en 1 h

- 50°C pendant 1 h

- descente en température jusqu'à -10°C en 1 h

Ce cycle étant répété 250 fois

## 6.2 - Résultats comparés avant/après les cycles températures/éclairages

Les figures 15 et 16 représentent les flux lumineux avant et après les cycles thermiques. On constate que, sur ces figures, la variation moyenne de flux est d'environ +1,5 % pour les lampes de 4 W et d'environ +2,5% pour les lampes de 7 W.

Ces légères augmentations de flux sont à rapprocher de l'augmentation constatée durant les premières centaines d'heure de fonctionnement lors des essais précédents.

Les figures 17 et 18 représentent la température de couleur et l'indice de rendu de couleur avant et après les cycles thermiques.

Les figures 19 et 20 représentent l'efficacité lumineuse des lampes 4 W et 7 W, avant et après les cycles thermiques.

Ces courbes montrent que, hormis un point aberrant (lampe 7 W, référence T43), les cycles thermiques n'ont pratiquement aucune influence sur les performances des lampes.

La lampe T43 sera analysée lors de la suite du projet PACTE-LED pour tenter d'identifier les causes de ces dérives (perte de flux de 40 lm, diminution de la CCT d'environ 100 K).
<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 15 : Flux initial et après le cycle thermique des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 16 : Flux initial et après le cycle thermique des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Figure 17 : CCT et Ra initial et après le cycle thermique des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 18 : CCT et Ra initial et après le cycle thermique des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>
<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 19 : Efficacité lumineuse initiale et après le cycle thermique des lampes à LED 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 20 : Efficacité lumineuse initiale et après le cycle thermique des lampes à LED 7 W</figcaption></figure>

7 - CONCLUSION

Les lampes testées dans cette étude montrent que les lampes « survivent » de manière générale aux tests de vieillissement.
Les lampes de 4 W ont montré une dépréciation du flux lumineux d'environ 10% à 5500 h, ce qui compromet probablement la durée de vie annoncée par le fabricant (L70 à 50 000 h).

Les lampes de 7 W, malgré le système de refroidissement actif, montrent une maintenance du flux bien meilleure (dépréciation de 1% à 2% à 5500 h).

Les essais d'endurance (cycles et chocs thermique) n'ont pas révélé d'anomalie dans le comportement des lampes. Ces lampes continuent de fonctionner normalement après ces essais, tant au niveau du flux et de l'efficacité lumineuse, qu'au niveau des performances colorimétriques.

Une seule lampe (7 W n° T43) a révélé une dérive importante du flux et du point de couleur après les cycles thermiques. L'origine de ce phénomène n'a pas encore été identifiée.

# 8 - ANNEXE 1 : MÉTHODES ET ÉQUIPEMENT DE MESURE

## 8.1 - Mesures en sphère d'intégration

Les mesures de flux spectral sont réalisées à l'aide d'une sphère de 1m de diamètre équipée :

- D'un porte échantillon alimenté au centre de la sphère ;

- D'une sortie à fibre optique reliée à un spectromètre ;

- D'une lampe auxiliaire ;

- D'une source de référence de 308 lm.

L'alimentation des différentes sources auxiliaire et de référence est assurée par une alimentation en tension continue et stabilisée en courant. Le tout est contrôlé par un système d'acquisition.

L'alimentation des différentes sources à mesurer est assurée par une alimentation en tension alternative et stabilisée en tension.
<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure A1 : Chaîne de mesure à la sphère d'intégration</figcaption></figure>

Les mesures de flux sont réalisées dans les conditions suivantes

- Référence et lampe mesurée positionnées au centre de la sphère

- Alimentation de la référence en courant stabilisé.

- Alimentation des lampes MR16 en 12 v alternatif stabilisé en tension

- Température du laboratoire 22 °

- Temps de chauffe des lampes à LED : LED 45 mn

Le protocole comporte les 4 étapes suivantes :

- Etape 1 : la lampe étalon allumée est placée sur le port d'entrée, on relève la valeur du signal donné par le spectromètre YN.

- Etape 2 : la lampe étalon éteinte toujours en place sur le port d'entrée, la lampe auxiliaire est allumée. on relève la valeur du signal donné par le spectromètre YHN

- Etape 3 : lampe auxiliaire éteinte, la lampe à mesurer est placée, allumée, sur le port d'entrée, on relève la valeur du signal donné par le spectromètre Y

- Etape 4 : la lampe à mesurer éteinte toujours en place sur le port d'entrée, la lampe auxiliaire est allumée. on relève la valeur du signal donné par le spectromètre YH
Le flux lumineux de la lampe peut être calculé par la formule :

$$ \phi = \phi_N \times \frac{Y}{Y_N} \times \frac{Y_{HN}}{Y_H} $$

où :

$\phi$ est le flux lumineux de la lampe à mesurer,

$\phi_N$ est le flux lumineux de la lampe étalon,

$Y$ est la valeur du signal sur le spectrophotomètre avec la lampe à mesurer allumée et la lampe auxiliaire éteinte,

$YN$ est la valeur du signal avec la lampe étalon allumée et la lampe auxiliaire éteinte,

$YHN$ est la valeur du signal avec la lampe auxiliaire allumée en présence de la lampe étalon éteinte,

$YH$ est la valeur du signal avec la lampe auxiliaire allumée en présence de la lampe à mesurer éteinte.

## 8.2 - Alimentation électrique

L'alimentation des différentes sources à mesurer est fournie par le réseau EDF suivi d'un stabilisateur de tension 230 V et d'un transformateur ferromagnétique 12 V.

Les références du stabilisateur de tension sont :

- Marque : Belotti Variatori

- Type : BTS SM

- n° série : 328869

Les références du transformateur

- Marque : EREA

- Type : E12SC50SAS

- Code : 1438