Eclairage à LED – partie I

Eclairer son aquarium avec des LED. Voici un sujet qui a fait beaucoup parlé de lui…

Souhaitant continuer plus tard mon expérience à LED, je vais copier sur ce blog l’article que j’avais écris en 2006…

Et je vous proposerais dans un deuxième article de voir les évolutions qu’il y a eu au niveau des LED…

Cela fait maintenant quelques temps que j’entends parler des LED.

J’ai voulu voir si cette technologie pouvait être utilisée en aquariophilie.

J’ai donc décidé de faire ce post afin de vous donner les infos que j’ai trouvé. Et afin d’avoir vos opinions…

Ce post va être divisé en plusieurs parties :

Principales caractéristiques d’une source lumineuse

Histoire d’éclaircir certains thermes

Les besoins en aquariophilie

Histoire de savoir ce dont on a besoin

Caractéristique des LED

Histoire d’avoir une idée sur ce que donne une LED

Des LED pour un bac

Histoire de voir si c’est compatible

Conclusion

Je tien à préciser que je ne suis pas hyper callé en éclairage.

Les thermes que je vais utiliser peuvent parfois ne pas être forcément hyper scientifique.

Alors si je me trompe, n’hésitez pas à me le dire….

Principales caractéristiques d’une source lumineuse

Mon premier problème a été les différents therme utilisé en photométrie (science de la mesure des intensités lumineuses).

Les données de base sont l’intensité, le flux lumineux et l’éclairement.

Ces trois facteurs sont liés comme ceci :

Une source d’éclairage artificielle – une lampe électrique – rayonne dans toutes les directions de l’espace un flux lumineux dont l’unité est le lumen (lm). Ce flux a, dans une direction donnée, une certaine intensité exprimée en candelas (cd) ; une surface, placée à une distance donnée de la source, reçoit un éclairement qui s’exprime en lux (lx).

Après ce superbe texte….

Voici les différentes définitions :

L’intensité lumineuse

C’est la quantité d’énergie émise par une source sous forme de rayonnement visible dans toutes les directions, par unités de temps. Elle s’exprime en candela (cd).

Cette caractéristique est primordiale car c’est à partir d’elle que les autres sont calculées.

Flux lumineux

C’est la quantité globale de lumière qu’une lampe émet dans toutes les directions. Il s’esprime en lumens (lm).

L’éclairement

L’éclairement indique le flux lumineux reçu par une surface d’une mètre carré. Il s’exprime en lux (lx).

La grande différence entre l’éclairement et le flux lumineux vient de la prise en compte de la distance de l’objet éclairé (ainsi que de l’angle entre la surface éclairée et la source lumineuse).

- Le flux lumineux indiquant la quantité globale de lumière.

- L’éclairement indiquant la quantité de lumière reçu à une distance donnée.

Je mettrais donc le flux lumineux de côté par rapport à l’éclairement. Car je m’interresse plus à la quantité de lumière que va recevoir les plantes plutôt qu’à la quantité de lumière qu’émet la LED.

Le spectre

La lumière est constituée de plusieurs bouts de lumière de couleur différente.

Les différents petits bouts de lumière ont une fréquence différente et une énergie différente.

Le spectre permet justement de voir la décomposition de la lumière en fonction de la fréquence et de l’énergie.

Voici celui du soleil :

L’indice de rendu des couleurs IRC

Cet indice compris entre 0 et 100 définit l’aptitude d’une source lumineuse à restituer les différentes couleurs des objets qu’elle éclaire, par rapport à une source de référence.

A titre d’exemple,

La lumière solaire à un IRC de 100

Les lampes à vapeur de sodium (utilisées dans les tunnels routiers) ont un IRC de 20

Je n’arrive pas à obtenir d’information concernant l’IRC sur les led.

Maintenant, je vais partir sur le fait que la restitution des couleurs dépend du spectre de la source lumineuse.

Par exemple, si j’éclaire une feuille avec une lumière bleue, la feuille me semblera bleu. Donc l’IRC sera très mauvais.

Par contre, si j’éclaire la même feuille avec un spectre proche de celui du soleil par rapport à l’œil humain, la feuille me semblera blanche. Donc l’IRC sera très bon.

Je partirais donc dans l’hypothèse que plus la lumière produite par les led se rapprochera de la lumière solaire, meilleur sera le rendu des couleurs.

La température de couleur

C’est la couleur apparente émise par une source lumineuse blanche. Elle s’exprime en degrés Kelvin.

Les lumières de teintes chaudes tirent sur le jaune-rouge et ont une température de couleur inférieure à 3 000°K.

Les lumières de teintes froides tirent sur le bleu-violet et ont une température de couleur comprise entre 5 000°K et 10 000°K.

A titre d’exemple :

Entre 2 700°K et 2 900°K pour les lumières « incandescentes »

6 500°K pour les lumières de teinte « lumière du jour  »

Les besoins en aquariophilie

Afin de dérerminer les besoins en aquariophilie, il faut prendre en compte 3 acteurs : les plantes, les poissons, l’aquariophile !

Chacun de ces acteurs a des besoins qui peuvent varier.

Les plantes

- Le spectre

Les longueurs d’onde utilisées par les plantes pour l’assimilation chlorophyllienne se situent dans le bleu, aux alentours de 450 nm.

Celles utilisées pour l’assimilation des substances nutritives se situent dans le rouge entre 650 et 700 nm.

Ce qui se traduit par le spectre suivant :

Remarque :

Les longueurs d’onde utilisées par les algues se situent en 300 et 650 nm, avec un pic à 400 nm.

- L’intensité

Les besoins en intensité lumineuse varient d’une variété de plante à l’autre.

Cryptocoryne tapissant le fond demande au moin 100 lux

Hygrophyla et autre ludwigia (niveaux intermédiaire) entre 800 et 1800 lux

Plante de surface 2 000 lux et plus

Dans l’idéal, il faudrait donc ajuster l’intensité de la lumière par zone suivant les besoins des plantes.

Les poissons
- L’intensité
Afin de pouvoir répondre aux attentes des différentes variétés de poissons, il est souhaitable d’avoir des zones de différentes intensités.
Ainsi les plus timides pourront se mettre dans l’ombre pendant que les plus curieurs se mettront en pleine lumière

L’aquariophile
- Le spectre
La sensibilité optimale pour l’œil humain est comprise entre 550 et 600 nm, domaine qui correspond aux couleurs vertes et jaunes.

- L’intensité
Il faut fournir une intensité suffisante pour assurer un bon confort visuel.

Caractéristique des LED

Qu’est-ce qu’une LED ?
Pour faire très simple, une LED est une petite ampoule.

Voici leurs caractéristiques :

Spectre
Le spectre ci-dessous donne un exemple de spectre pour des led Vert, Cyan, Bleu, Royal bleu

Pour des LED blanches, le fabriquant utilise généralement des LED bleu. Et rajoute un ‘filtre’ (un phosphore) afin de passer du bleu au blanc.
Ainsi, le spectre est plus large…

L’intensité lumineuse
L’intensité lumineuse varie énormément d’un fabriquant à l’autre.
Voici un extrait des différentes led que l’on peut trouver :

Angle d’émission
L’angle d’émission d’une LED est l’angle dans lequel va émettre la led.
Ce critère est important car avec la même puissance, une led n’émettra pas le même flux suivant son anlge d’émission.
L’angle d’émission des led vont généralement de 140° à 12°.

Durée de vie
Les LED sont données pour une durée de 100 000 heures.
Cependant une perte de 50% du niveau d’éclairement est constatée au bout de 20 000 heures de fonctionnement.

Des LED pour un bac

Le spectre
Le spectre d’une led ne couvrant pas la totalité des besoins en aquariophilie, il va falloir associer différente led afin de se rapprocher du spectre idéal.

Commençons par le besoin des plantes !
Comme indiqué précédemment, les plantes ont besoins du spectre suivant :

En associant des leds Bleu (450 nm) et Rouge (630 nm), on obtient ce spectre

Nous répondons aux besoins des plantes pour l’assimilation chlorophyllienne. Par contre, nous sommes un peu faible pour l’assimilation des substances nutritives.

Maintenant, si nous comparons ce spectre avec celui d’un tube utilisé en aquariophilie. Voici le spectre du TLD Super 80 840 de Philips

Nous n’en sommes pas très loin…
Mis à part, bien entendu des fréquences entre 500 et 600 nm…

Pour l’œil humain, nous devons rajouter de l’intensité dans les longeurs d’onde comprise entre 550 et 600 nm.
Pour cela, on va rajouter une led Blanche, ce qui nous donne le spectre suivant :

Nous abtenons ainsi un spectre qui semble plutôt convenable.
Afin d’améliorer le rendu des couleurs, il sera possible d’ajouter des led Verte afin d’augmenter les longeurs d’onde dans les 550 nm…

L’éclairement
Avant de prendre en compte l’intensité, je vais me pencher sur l’angle d’émission.
Car c’est le problème majeur !

Voici les surfaces couvertes par des led avec un angle d’émission à 20° (les hauteurs sont données en partant de la LED vers le sol de l’aquarium)
- à 65 cm de hauteur, nous avons un cercle de 47 cm de diamètre
- à 33 cm de hauteur, nous avons un cercle de 24 cm de diamètre
- à 8 cm de hauteur, nous avons un cercle de 6 cm de diamètre

Donc même si une LED pouvait fournir suffisement d’éclairement pour les plantes, il y aurait des trous d’éclairage dans le bac :

Ce qui ne devrait pas gêner pour admirer les plantes, mais quelque peu gênant pour les poissons.

Il faut donc en premier regarder l’emplacement et le nombre nécessaire de led afin de couvrir la totalité de la surface au niveau de l’eau.

En partant de l’hypothèse que les led sont positionné à 8 cm au dessus du niveau de l’eau.
Un led avec un angle d’émission de 20° effectuerait un cercle de 6 cm de diamètre sur la surface de l’eau.
En considérant comme négligeable les surfaces entre chaque cercle, il nous faudrait, pour un bac de 200 cm de long par 70 cm de profondeur, 413 leds !

Maintenant que nous connaissons le nombre de led a mettre, regardons l’éclairement que cela produit.
En considérant un substrat de 8 cm et une hauteur de bac de 70 cm, la lumière d’une led va parcourir 70 cm avant d’atteindre le substrat.
La led effectuera donc un cercle de 51 cm avec un éclairement de 96 lux.
Les led étant positionnée à 12 cm les unes des autres, il va y avoir chevauchement lors de l’éclairement au sol…
Il sera donc supérieur au besoin des plantes !!!
Il ne faudra donc pas utiliser les led à leur puissance maximal…

Si le substrat de l’aquarium est recouvert de moitié par des plantes basses, il faut régler la puissance des led à 50%.
En choisissant le reste en plante de taille normal, il faudra régler la puissance à 60%
Cela nous donne une puissance total de autour 340 W

La température de couleur
De ce côté, les leds étant à 5 500 °K c’est tout à fait convenable.
Il n’y a pas d’idéal pour les plantes, mis à part se rapporcher du soleil qui est à 6 500°K.

Coût

Commençons par l’achat !

Avec les tarifs que j’ai, cela me fait pour le 1 000 litres vue précédement:
- 413 leds blanche : 165 euros
- 413 leds rouge : 83 euros
- 413 leds bleu : 78 euros.
Soit un total de 326 euros

En s’équipant en HQI, il faudrait mettre 4 spots de 250 W pour obtenir un éclairage de 1 000 W…
En se débrouillant bien… On pourrait en avoir pour 4*70 euros soit 280 euros.

L’installation à Led coûte donc plus cher…. 46 euros

Maintenant regardons la consommation électrique !!
Partons sur une tarification EDF à 0,0915 euros le kW/h.
Un éclairage à HQI de 1 000 W fonctionnant pendant 10 heures/jours coûte 28,37 euros/mois
Un éclairage à LED de 340 W fonctionnant pendant 10 heures/jours coûte 9,64 euros/mois
Soit une différence de 18,72 euros/mois.
L’investissement de 46 euros supplémentaire dans les led sera remboursé au bout de 3 mois

La durée de vie des led est donnée pour 100 000 heures de fonctionnement.
La perte des 50% au bout des 20 0000 heures étant compensée par l’augmentation de la puissance.
On supposera qu’il faudra changer les leds au bout de 36 000 heures de fonctionnement.

A raison de 10 heures par jours cela fait une durée de vie d’environ 10 ans !!

Conclusion

En conclusion, je dirais que l’éclairage d’un aquarium par des LED est envisageable à condition de respecter quelques points :
- Bien étudier le nombre des led ainsi que leur emplacement suivant le résultat souhaité
- Effectuer un réglage de la puissance des LED ;
- Bien répartir les LED au dessus du bac en fonction de leur couleur ;
- Contrôler l’apparition d’algues et diminuer la puissance du bleu en conséquence ;
- Adapter l’installation des led en fonction de leurs différentes caractéristiques (angle d’émission, intensité lumineuse…)

De plus, avec un peu d’électronique, celà permet de pouvoir effectuer des effets interressant :
- levé et couché de soleil
- clair de lune
- …