Les LED, nouvelle génération de matériel d'éclairage sportif

Mais certains signes indiquent que le vent tourne en faveur de solutions nouvelles et perfectionnées pour LED et transformateurs : par exemple, Signify (anciennement Philips Lighting) a fait les gros titres des journaux avec son installation de luminaires à LED pour l'éclairage du terrain du stade d'Ekaterinburg à Iekaterinbourg, l'un des stades russes ayant accueilli les matchs de la coupe du monde de football 2018.

Quels sont donc les facteurs qui encouragent le passage à des sources lumineuses à LED dans le domaine de l'éclairage sportif ? Et qu'est-ce qui distingue la conception d'un luminaire pour terrain de sport à base de LED de celle d'un projecteur à lampe HID ?

Le coût élevé du remplacement des lampes HID

La fin de la technologie de lampes HID ravira les exploitants de stades et d'enceintes sportives pour deux bonnes raisons. La première est la durée de fonctionnement limitée des lampes : habituellement, une durée de vie B50 (durée moyenne entre pannes) de seulement 5 000 heures. Ce qui signifie que les projecteurs à lampes HID requièrent des changements de lampe fréquents. Et comme les lampes à remplacer se situent généralement à environ 25 mètres de hauteur, au sommet d'un poteau étroit, un accès spécial et des équipements de sécurité, de même que des techniciens qualifiés, sont nécessaires – ce qui représente un coût très important.

L'autre inconvénient majeur des lampes HID réside dans leur comportement face à une interruption de courant inattendue, par exemple lorsque le circuit électrique d'un stade subit une défaillance. Les lampes HID ont besoin d'une période de refroidissement de 10 à 15 minutes avant de redémarrer et, après le redémarrage, il leur faut 5 minutes pour atteindre leur pleine luminosité. Cette phase d'obscurité et d'éclairage partiel s'avère potentiellement catastrophique si une coupure de courant se produit pendant un match à forte audience : les conséquences en matière de sécurité et d'ordre public du maintien d'une foule de dizaines de milliers de personnes à l'intérieur d'un stade plongé dans le noir, alors que la partie est suspendue, sont extrêmement importantes.

Une source lumineuse à base de LED élimine ces deux problématiques : l'évaluation de la durée de vie d'une source lumineuse à LED dans un projecteur dépend de la façon dont la conception est réalisée, mais se situera habituellement dans une plage de 50 000 à 100 000 heures. Les LED peuvent également être allumées instantanément à pleine luminosité lorsque le courant est mis en marche ou restauré après une panne générale.

Il existe d'autres avantages significatifs à l'utilisation de sources lumineuses à LED pour l'éclairage sportif :

• Efficacité : l'efficacité lumineuse d'une source basée sur un système à LED peut atteindre un niveau supérieur à 120 lm/W, tandis que l'efficacité nominale d'une lampe HID se situe autour de 90 lm/W.
• Démarrage basse tension : une lampe HID a besoin d'une amorce à haute tension d'environ 5 kV pour son allumage. Cela demande la mise en place attentive de fonctions de sécurité et de protection du circuit. Par ailleurs, l'allumage de lampes HID à des températures ambiantes inférieures à 0 °C peut s'avérer difficile. Les LED n'ont aucun besoin d'amorçage à haute tension.
• Atténuation : l'éclairage des lampes HID ne peut pas être atténué. En revanche, l'éclairage des LED peut être aisément baissé à des niveaux très faibles. C'est très utile pour économiser l'énergie en exploitant la lumière du jour, ou pour fournir un niveau d'éclairage moindre lors des sessions d'entraînement ou des matchs juniors, qui ont peu de spectateurs, contrairement aux matchs de compétition séniors.
• Effets d'éclairage dynamiques : comme les LED peuvent être allumées et éteintes instantanément, les stades peuvent offrir des effets d'éclairage dynamiques pour faire monter l'enthousiasme dans la foule, par exemple après qu'un but a été marqué ou lorsqu'une période de supériorité numérique débute et se termine.

Réflexions sur la conception d'un système de projecteur à LED

Les bénéfices en jeu de l'utilisation de LED dans les projecteurs sont donc extrêmement importants. Par contre, la nature de cette application apporte des contraintes particulières à la conception d'éclairages à LED sur haut mât, ce qui a entravé les tentatives d'utilisation de LED dans l'éclairage sportif par les équipementiers jusqu'à récemment. Courant 2018, pourtant, les fournisseurs de LED, de transformateurs et d'optiques ont lancé un certain nombre de nouveaux produits répondant aux exigences particulières des éclairages de stades sur haut mât et, comme le démontre cet article, il est maintenant plus facile qu'auparavant de créer un modèle efficace de projecteur dont la source lumineuse est basée sur des LED.

Les difficultés liées à la création de pieds de projecteurs à LED proviennent d'un ensemble d'exigences rigoureuses. La surface de jeu nécessitant un éclairage uniforme et sans aucune ombre est vaste : pour le tennis, le court lui-même mesure 260 m² et la surface totale incluant l'espace des juges de ligne, les sièges des joueurs, etc., mesure environ 680 m². Pour le football, la surface est encore plus grande : le terrain mesure environ 7 000 m² et la zone totale éclairée mesure environ 10 000 m². Le besoin en éclairage dépend du fait que le terrain soit utilisé par des joueurs amateurs, et donc ne nécessite pas une luminosité vive, ou pour un sport professionnel de haut niveau avec spectateurs. Dans ce dernier cas, un éclairage de plus de 1 000 lux peut être nécessaire sur la surface de jeu. Selon la hauteur du mât et la taille de la zone de jeu, cela demande à la source une production lumineuse allant de centaines à des milliers de kilolumens.

Cette production lumineuse considérable doit en plus être fournie par une surface émettrice de lumière réduite à son minimum. Cela permet d'éviter de gêner la vue des spectateurs : pour les lumières montées sur mât, le poteau devrait être aussi étroit que possible, ce qui demande une source lumineuse de taille réduite, avec une charge sur le poteau la plus faible possible en cas de vent. Si l'éclairage est monté sur le toit d'un stade, la lampe devrait être petite et légère également, car la structure d'un toit de stade n'est normalement pas conçue pour supporter de lourds objets.

Dans l'éclairage de stade professionnel, la qualité de la lumière est également rigoureusement stipulée par les télédiffuseurs. Le Television Lighting Consistency Index (TLCI) a été développé par l'Union européenne de radio-télévision dans le but de mesurer la capacité d'une source lumineuse à rendre les couleurs de façon juste lorsqu'elles sont vues par une caméra vidéo. Il existe une corrélation entre le TLCI et l'Indice de Rendu des Couleurs (IRC), qui mesure la justesse du rendu des couleurs telles que perçues par l'œil humain au lieu d'une caméra. Mais les prescripteurs de LED ne devraient pas supposer qu'une LED à IRC élevé satisfera également aux exigences TLCI. 

L'éclairage par projecteur Philips ArenaVision illuminant le Phoenix Snow Stadium aux Jeux olympiques d'hiver de Corée du Sud en 2018. (Crédit image : Signify [anciennement Philips Lighting])

La lampe HID représente une solution de choix face aux problèmes de taille et de poids : une seule lampe HID de 2 kW produit 150 000 à 200 000 lm, il ne faut donc que quelques lampes montées sur chaque mât.

Le défi dans la conception incluant des LED est de conserver une surface émettrice de lumière (Light-Emitting Surface ou LES) aussi réduite que possible. Ce n'est pas chose facile lorsque l'on utilise des puces LED ordinaires, qui produisent généralement autour de 300 lm chacune. Avec de tels dispositifs, un projecteur à haut mât nécessiterait un nombre trop important d'unités et occuperait trop d'espace.

Aujourd'hui, cependant, Nichia a lancé la NV9W149AM, une LED à puces multiples fournissant une production nominale de 2 490 lm d'une lumière à IRC de 90, pour un courant d'alimentation de 2,1 A, bien qu'elle puisse être alimentée par un courant continu allant jusqu'à 3 A. Elle est livrée dans un paquet mesurant 7 mm x 7 mm x 3,1 mm. Elle permet aux concepteurs de systèmes d'atteindre la production lumineuse très élevée également exigée par les stades sportifs professionnels pour les luminaires, avec une empreinte totale réduite, car elle offre une grande efficacité et qualité lumineuse.

Il est également possible d'utiliser des LED à montage direct des puces (Chip-on-Board ou CoB), qui offrent également une densité de flux élevée, mais l'empreinte du système sera plus grande que celle des modèles basés sur la NV9W149AM. Par ailleurs, les CoB offrent une tension relativement élevée et une ligne de fuite ainsi qu'un dégagement faibles, ce qui limite la quantité admissible en série sur le même circuit.

Dans les deux cas, le fonctionnement de nombreuses LED à flux élevé proches les unes des autres génère de hauts niveaux de chaleur perdue, la sélection du matériau composant le circuit imprimé et la structure de la carte demanderont donc une grande expertise lors de sa conception.

Positionnement des transformateurs haute puissance

Le défi concernant la conception ne se limite pas à la sélection et à l'intégration des LED : le choix de l'alimentation des LED a également de lourdes conséquences.

Le choix du transformateur pour LED est déterminé par deux facteurs essentiels. Tout d'abord, le transformateur fournit une charge élevée, potentiellement plus de 500 W, aux systèmes d'éclairage des stades de football professionnels, par exemple. Aucun transformateur n'a une efficacité égale à 100 % et la perte d'énergie se dissipe en chaleur émise par l'appareil. Un transformateur de 500 W fonctionnant avec une efficacité élevée de 95 % va donc générer une perte de chaleur équivalant à 26 W. Si cela n'est pas géré de manière adaptée, l'alimentation pourrait rapidement dépasser son seuil de coupure de sécurité thermique.

Les concepteurs d'équipement d'éclairage à LED commencent à penser à un module de transformateur intégré comme une boîte noire autogérée, ne demandant pas de gestion thermique externe. Dans ce cas, le concepteur serait cependant bien avisé d'étudier la façon d'extraire sans risque les grandes quantités de chaleur du boîtier du transformateur vers l'air ambiant, sans surchauffer l'air présent dans l'enveloppe du système.

Un transformateur LED EFD-1K2SxxxDV 1,2 kW de chez Inventronics pèse 6,6 kg.

L'autre préoccupation dans le choix du transformateur est le poids : plus le luminaire est léger, plus étroit pourra être le poteau et moins important sera le besoin en soutien structurel pour un éclairage monté sur auvent. La série EFD-1K2SxxxDV de transformateurs LED de 1,2 kW de chez Inventronics, par exemple, constitue un excellent choix pour les luminaires à flux élevé. Un poids de 6,6 kg : il pèse moins qu'un système d'alimentation équivalent composé de plusieurs transformateurs ayant chacun une puissance nominale inférieure.

Un montage distant au pied du poteau serait une alternative au montage du transformateur en haut du mât, à côté des LED. Il s'agit là d'une approche novatrice de la conception de système d'alimentation pour LED, pour laquelle il n'existe aucune exigence dans d'autres applications. Les signaux de commande doivent parcourir une longue distance entre un transformateur distant et les LED. Un montage distant peut nuire au fonctionnement de la boucle de rétroaction, ce qui conduirait à une instabilité dans la production d'énergie et ainsi à un affaiblissement perceptible de la lumière produite. De plus, le concepteur devra tenir compte de la chute de tension le long du câble et gérer les exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) du système. Toutefois, les fabricants de transformateurs commencent à prendre en considération les exigences du montage distant, ils développent en effet de nouveaux produits spécifiques à cette catégorie.

Les concepteurs de projecteurs à haut mât devront également prendre en compte les spécifications de l'ondulation de sortie dans leur choix du transformateur des LED, car celle-ci provoque un vacillement de lumière, ce qui est d'une importance cruciale dans l'éclairage d'événements retransmis : elle devrait être limitée à moins de 2 %. Il est également important d'envisager toutes les conditions de fonctionnement possibles, particulièrement l'allumage par temps froid. La tension directe des LED est plus élevée lorsqu'elles sont froides qu'à une température de fonctionnement normale. Les concepteurs devraient autoriser une marge importante dans la spécification de la tension de sortie du transformateur, au-delà du niveau attendu en fonctionnement normal.

Le choix de l'interface d'atténuation a également son importance pour permettre les fonctions d'éclairage dynamique, comme les flashs ou les motifs d'obscurcissement. Les fabricants de luminaires tendent à privilégier le contrôle par DMX, en raison de son temps de réponse plus rapide comparé à celui du protocole DALI. Peu de transformateurs haute puissance proposent une interface DMX, ce qui rend les convertisseurs DMX vers 0-10 V intéressants, comme le CNV-DMXR d'Inventronics.

Réflexions sur la conception optique

La lentille FN16258 STELLA-RS de chez LEDiL est composée de silicium résistant aux hautes températures. (Crédit image : LEDiL)

Le dernier élément important du système à prendre en considération pour l'éclairage sportif est le contrôle du faisceau. Dans une topologie classique à quatre mâts, comprenant un mât situé à chaque angle d'une surface de jeu rectangulaire, l'éclairage doit envoyer la lumière de façon précise sur un quart de la surface totale depuis une grande hauteur.

Les collimateurs LED conventionnels prévoient un excellent contrôle du faisceau depuis un petit point source de lumière. Dans un collimateur, les petites pertes optiques sont dissipées en perte de chaleur. Dans les systèmes à flux très élevé, cela génère une grande quantité de chaleur, même trop pour les matériaux en polycarbonate (PC) ou PMMA utilisés habituellement dans les lentilles pour LED, qui ont tendance à se déformer à haute température.

 Là également, les fournisseurs de composants ont développé des produits spécialisés adaptés à l'éclairage sportif. Par exemple, LEDiL propose la lentille FN16258 STELLA-RS, qui produit un faisceau ponctuel de 23° avec une LES de 19 mm et qui est compatible avec les LED dont la LES monte jusqu'à 30 mm. Elle est faite de silicium, un matériau résistant aux très hautes températures, mais lourd et moins stable d'un point de vue mécanique que le PC ou le PMMA.

Une autre approche consiste à utiliser des réflecteurs, mais le fait de devoir laisser une ligne de fuite et un dégagement suffisant entre le réflecteur et la rangée de LED haute tension peut se traduire en pertes optiques, car la lumière s'échappe derrière le bord avant du réflecteur.

Améliorer le coût total d'exploitation et bien plus encore

Comme souvent avec les technologies à base de LED, le coût initial plus élevé des éclairages sportifs à LED sera récupéré sur la durée de vie du système, en frais de maintenance et de remplacement réduits et par des factures énergétiques moins élevées. La qualité ainsi que les commandes fonctionnelles flexibles d'un système d'éclairage à LED procurent des avantages supplémentaires importants. Comme nous l'avons vu dans cet article, le développement du remplacement des lampes HID traditionnelles par un système basé sur des LED demande un examen attentif de diverses problématiques électriques, thermiques, mécaniques et optiques. La LED est pourtant la source lumineuse d'avenir pour l'éclairage des stades, comme le montre le stade de coupe du monde d'Ekaterinburg.

Article rédigé par François Mirand,
EMEA Technical Director, Future Lighting Solutions (une branche de Future Electronics)
www.futureelectronics.com