# Caractérisation initiale des prototypes de lampes PACTE-LED de type MR16 4 W et 7 W

François Olive, Daniel Quenard, Christophe Martinsons

► To cite this version:

François Olive, Daniel Quenard, Christophe Martinsons. Caractérisation initiale des prototypes de lampes PACTE-LED de type MR16 4 W et 7 W. Rapport Technique CSTB n°RAP1 26029850 CPM/11-418/FO/MLE, CSTB - Centre scientifique et technique du bâtiment, France. 2011. hal-04750248

HAL Id: hal-04750248

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# PACTE LED

## Rapport L1 T41

## Caractérisation initiale des prototypes de lampes à LED MR16 de substitution 4 W et 7 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><td>Auteur(s)</td><td>Approbation</td><td>Vérificatrice</td></tr></thead><tbody><tr><td>François OLIVE</td><td>Christophe MARTINSONS</td><td>M.L. ELIARD</td></tr></tbody></table>

Confidentiel jusqu'au 31/07/2017

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 performances mesurées concernant les caractéristiques des prototypes de lampes à LED MR16 4 W et 7 W développées par PHILIPS dans le cadre du projet PACTE-LED.

Avec un flux lumineux moyen de 151 lm pour les lampes de 4 W et de 366 lm pour les lampes de 7 W, le détail des performances photométriques et électriques des lampes LED permet de vérifier si ces lampes sont de « bons candidats » pour le remplacement des lampes halogènes.

Mots clefs

PACTE LED ; lampe ; halogène ; très basse tension ; MR16 LED ; DEL ; LED ; 12V ; GU5,3 ; photométrie ; flux ; intensité lumineuse ; efficacité lumineuse ; température de couleur ; indice de rendu de couleurs ; IRC ; goniomètre ; sphère d'intégration

Abstract

This study presents the measured performances of the 4 W and 7 W MR16 LED lamps developed by PHILIPS in the PACTE LED project in order to replace halogen MR 16 lamps.

With an average luminous flux of 151 lm for the 4 W lamps and a luminous flux of 366 lm for the 7 W lamps, the photometric and electrical properties of the LED lamps are used to check if they are good candidate for the retrofit of halogen lamps.
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>3 - CARACTERISATION INITIALE</td><td>5</td></tr><tr><td>3.1 - LA LAMPE A LED MR 16 4 W</td><td>5</td></tr><tr><td>3.1.1 - Description de la lampe à LED MR16 4 W</td><td>5</td></tr><tr><td>3.1.2 - Performance des lampes à LED MR 16 4 W</td><td>5</td></tr><tr><td>3.2 - LA LAMPE A LED MR 16 7 W</td><td>9</td></tr><tr><td>3.2.1 - Description de la lampe à LED MR16 7 W</td><td>9</td></tr><tr><td>3.2.1 - Performance des lampes à LED MR 16 7 W</td><td>9</td></tr><tr><td>4 - CONCLUSION</td><td>13</td></tr><tr><td>5 - ANNEXE 1 : MÉTHODES ET ÉQUIPEMENT DE MESURE</td><td>14</td></tr><tr><td>5.1 - MESURES EN SPHÈRE D'INTÉGRATION</td><td>14</td></tr><tr><td>5.2 - ALIMENTATION ÉLECTRIQUE</td><td>15</td></tr></table>
# 1 - INTRODUCTION

Le présent rapport a pour but de présenter les performances initiales des prototypes de lampes à LED type MR 16 dont la puissance est de 4 W et de 7 W.

# 2 - MÉTHODES ET ÉQUIPEMENTS DE MESURE

## 2.1 - Mesures en sphère d'intégration

Les mesures de flux spectrique qui servent au calcul des caractéristiques photométriques et colorimétriques sont réalisées à l'aide d'une sphère d'intégration de 1 m de diamètre.

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 distorsion harmonique

Ces mesures sont réalisées à l'aide d'un analyseur de réseau Chauvin Arnoud type CA 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 durant le temps de chauffe de la lampe en sortie du transformateur de tension.
# 3 - CARACTERISATION INITIALE

## 3.1 - La lampe LED MR 16 de 4 W

### 3.1.1 - Description de la lampe LED MR16 de 4 W

Référence commerciale, type, modèle : Lampe Master LEDSpot MR 16 LV

Puissance: 4 W

Culot : GU 5.3

Température de couleur spécifiée par PHILIPS : 2700 K

Alimentation Type 50-60 Hz 12 V 670 mA

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.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Photo d'une lampe à LED type MR16 4 W</figcaption></figure>

Ces lampes sont refroidies de manière entièrement passive par conduction dans le boîtier et échanges convecto-radiatif avec leur environnement.

Pour notre étude nous avons caractérisé 100 lampes 4 W à l'état initial.

Pour les mesures photométriques, les lampes sont alimentées avec une tension continue de 12 V alternatif stabilisée.

### 3.1.2 - Performance des lampes à LED MR 16 4 W

Les figures 2 et 3 montrent le spectre type et les formes d'onde type du courant et de la tension d'une lampe à LED MR16 4 W.
Les harmoniques en courant et tension sont données dans le tableau 1 et représentées sur la figure attenante.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : spectre type de la lampe à LED MR16 4 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : formes d'onde typiques du courant et de la tension observées aux bornes de la lampe LED MR16 4 W</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th colspan="3">Harmonique</th><th>Exigence</th></tr><tr><th>Rang</th><th>V</th><th>A</th><th>A %</th></tr></thead><tbody><tr><td>0</td><td>0,8</td><td>0,0</td><td></td></tr><tr><td>1</td><td>100,0</td><td>100,0</td><td></td></tr><tr><td>2</td><td>0,2</td><td>0,7</td><td></td></tr><tr><td>3</td><td>1,8</td><td>85,7</td><td>86</td></tr><tr><td>4</td><td>0,2</td><td>1,0</td><td></td></tr><tr><td>5</td><td>5,2</td><td>61,8</td><td>61</td></tr><tr><td>6</td><td>0,1</td><td>1,1</td><td></td></tr><tr><td>7</td><td>1,1</td><td>33,9</td><td></td></tr><tr><td>8</td><td>0,1</td><td>1,0</td><td></td></tr><tr><td>9</td><td>0,4</td><td>15,2</td><td></td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Tableau 1 : Pourcentages d'harmoniques pour la lampe LED de 4 W</figcaption></figure>

Les performances des lampes à LED de 4 W sont résumées dans le tableau 4. La répartition du flux et de l'efficacité lumineuse sont donnés dans la figure 4.

<table><caption>Tableau 2 : performance des lampes à LED MR16 4w</caption><thead><tr><th></th><th>Min</th><th>Max</th><th>Moyenne</th><th>unité</th></tr></thead><tbody><tr><td>Flux</td><td>142</td><td>157</td><td>151</td><td>lm</td></tr><tr><td>Efficacité lumineuse</td><td>36,0</td><td>43,5</td><td>39,8</td><td>lm/W</td></tr><tr><td>CCT (T° de couleur corrélé)</td><td>2644</td><td>2749</td><td>2697</td><td>K</td></tr><tr><td>RA (indice de rendu des couleurs)</td><td>83</td><td>85</td><td>84</td><td>-</td></tr><tr><td>tension</td><td>13,04</td><td>13,2</td><td>13,11</td><td>V</td></tr><tr><td>Courant</td><td>565</td><td>629</td><td>592</td><td>mA</td></tr><tr><td>Puissance</td><td>3,51</td><td>3,99</td><td>3,78</td><td>W</td></tr><tr><td>PF</td><td>0,48</td><td>0,50</td><td>0,45</td><td>-</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4 : Flux lumineux et efficacité lumineuse des lampes à LED MR16 4W</figcaption></figure>
## 3.2 - La Lampe LED MR 16 de 7 W

### 3.2.1 - 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

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.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 : Photo d'une lampe à LED type MR16 7 W</figcaption></figure>

Cette lampe comporte un système de refroidissement actif (ventilateur intégré).

Pour cette étude, nous avons caractérisé 100 lampes de 7 W à l'état initial.

Pour les mesures photométriques, les lampes sont alimentées avec une tension continue de 12 V alternatif stabilisée.

### 3.2.1 - Performance des lampes à LED MR 16 7 W

Les figures 6 et 7 montrent le spectre type et les formes d'onde type du courant et la tension d'une lampe à LED MR16 de 7 W.
Les harmoniques en courant et tension sont données dans le tableau 3 et représentées sur la figure attenante.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6 : spectre type de la lampe à LED MR16 de 7 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7 : formes d'onde typiques du courant et de la tension observées aux bornes de la lampe LED MR16 7 W</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th colspan="3">Harmonique</th><th rowspan="2">Exigence<br>A %</th></tr><tr><th>Rang</th><th>V12%</th><th>A12%</th></tr></thead><tbody><tr><td>0</td><td>0,1</td><td>0,0</td><td></td></tr><tr><td>1</td><td>100,0</td><td>100,0</td><td></td></tr><tr><td>2</td><td>0,0</td><td>0,0</td><td></td></tr><tr><td>3</td><td>0,4</td><td>27,0</td><td>86</td></tr><tr><td>4</td><td>0,0</td><td>0,0</td><td></td></tr><tr><td>5</td><td>3,0</td><td>9,4</td><td>61</td></tr><tr><td>6</td><td>0,0</td><td>0,0</td><td></td></tr><tr><td>7</td><td>0,8</td><td>5,2</td><td></td></tr><tr><td>8</td><td>0,0</td><td>0,0</td><td></td></tr><tr><td>9</td><td>0,1</td><td>3,0</td><td></td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Tableau 3 Pourcentage d'harmonique</figcaption></figure>

Les performances des lampes à LED 7 W sont résumées dans le tableau 4 suivant, la répartition du flux et de l'efficacité lumineuse sont données sur la figure 8.

<table><caption>Tableau 4 : performance des lampes à LED MR16 7 W</caption><thead><tr><th></th><th>Min</th><th>Max</th><th>Moyenne</th><th>unité</th></tr></thead><tbody><tr><td>Flux</td><td>345</td><td>404</td><td>366</td><td>Lm</td></tr><tr><td>Efficacité lumineuse</td><td>50</td><td>59</td><td>53</td><td>lm/W</td></tr><tr><td>CCT (T° de couleur corrélé)</td><td>2741</td><td>2968</td><td>2821</td><td>K</td></tr><tr><td>RA (indice de rendu des couleurs)</td><td>81</td><td>87</td><td>85</td><td>-</td></tr><tr><td>tension</td><td>12,92</td><td>13,10</td><td>13,01</td><td>V</td></tr><tr><td>Courant</td><td>0,57</td><td>0,61</td><td>0,59</td><td>mA</td></tr><tr><td>Puissance</td><td>6,86</td><td>7,26</td><td>7,02</td><td>W</td></tr><tr><td>PF</td><td>091</td><td>0,92</td><td>0,91</td><td>-</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_11.png" /></figure>

Figure

<caption>8 : Flux lumineux et efficacité lumineuse des lampes à LED MR16 7 W</caption>
# 4 - CONCLUSION

Le tableau 5 résume les performances des lampes à LED MR16 en les comparants aux données obtenues pour les lampes MR16 halogènes

<table><thead><tr><th>MR 16</th><th>Flux (Lm)</th><th>Température de couleur(K)</th><th>Puissance Active (W)</th><th>Puissance apparente (VA)</th><th>PF</th><th>Eff. Lum Lm/W</th><th>Ha3 %</th><th>Ha5 %</th></tr></thead><tbody><tr><td>Hal 20 w</td><td>277</td><td>2824</td><td>20</td><td>20</td><td>1</td><td>14</td><td>1</td><td>2.9</td></tr><tr><td>LED 4 W</td><td>151</td><td>2749</td><td>3,78</td><td>8,4</td><td>0,45</td><td>40</td><td>86</td><td>61</td></tr><tr><td>Hal 35 w</td><td>410</td><td>2775</td><td>33</td><td>33</td><td>1</td><td>13</td><td>1</td><td>3</td></tr><tr><td>LED 7 W</td><td>366</td><td>2968</td><td>7,02</td><td>7,71</td><td>0,91</td><td>53</td><td>27</td><td>9.4</td></tr></tbody></table>

## Tableau 5 : performance des lampes à LED et halogènes MR16

Il est à noter que les lampes à LED MR16 4 W et 7 W respectent les caractéristiques annoncées par PHILIPS avec un gain d'environ 4 sur l'efficacité lumineuse.

Pour ce gain d'efficacité, les lampes à LED ont un flux inférieur aux lampes halogènes qu'elles doivent remplacer. L'écart est significatif pour les lampes de 4 W puisque le flux est inférieur de 45 % à celui des lampes halogènes de 20 W. Par contre, l'écart est plus faible pour les lampes de 7 W. Le flux de ces lampes n'est inférieur que d'environ 10 % à celui des lampes 35 W halogènes.

Les résultats des mesures électriques pour les lampes à LED de 4 W montrent une non-conformité au niveau des harmoniques d'ordre 5 en courant et une valeur à la limite de conformité pour l'ordre 3. Les lampes de 4 W ont d'ailleurs un facteur de puissance médiocre inférieur à 0,5. Leur puissance apparente en VA est supérieur à celle des lampes de 7 W.

Les lampes à LED de 7 W ont des caractéristiques électriques bien meilleures, en particulier un bon facteur de puissance (environ 0,9). Elles sont donc conformes aux exigences réglementaires sur les harmoniques, avec une bonne marge de sécurité.
# 5 - ANNEXE 1 : MÉTHODES ET ÉQUIPEMENT DE MESURE

## 5.1 - 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_12.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 :

Φ est le flux lumineux de la lampe à mesurer,

φN 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.

## 5.2 - 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 ferromagnétique sont les suivantes :

- Marque : EREA

- Type : E12SC50SAS

- Code : 1438

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