Photo lors de la mise en service le 01/12/2011
|
1) Pourquoi construire un éclairage LED ?
Historique.
Avec mon premier bac de 400 litres (120 x 60x 60 cm) j’ai acheté, début 2002, une rampe Arcadia comprenant 2 HQI de 150W en 10.000°K + 2 tubes bleus Osram 67 de 30W qui me donnait satisfaction. Le bac étant visible des 4 côtés, les PV sont situées au centre avec des pentes avant et arrière plutôt raides et proches des vitres. |
Pour « donner de l’air » en éloignant les PV des vitres j’ai construit en 2004 un bac de 750 litres (150 x 90 x 65 de haut) : la construction est décrite
ici.
J’ai gardé le même éclairage mais j’ai bien du me rendre à l’évidence : il était devenu insuffisant pour le nouveau volume ; j’ai donc remplacé les ballasts et les HQI de 150W par des modèles de 250W ; la description de la conversion se trouve ici. |
Les coraux grandissant et les faces avant et arrière des PV étant maintenant accessibles j’ai voulu y mettre de nouveaux hôtes mais les sources HQI étant trop ponctuelles, ces côtés étaient mal éclairés ; j’ai envisagé la construction d’une rampe HQI 2 x 400W avec réflecteurs grand angle qui finalement me semblait trop massive. |
J’ai aussi envisagé la construction d’une rampe constituée de 96 LED de 3W : 64 blanches + 32 cyan mais je me suis rendu compte qu’avec la technologie de l’époque l’intensité lumineuse serait insuffisante et je rechignais à mettre en œuvre plus de LED. | ||
J’ai finalement choisi la solution de facilité : une rampe Giesemann Matrix comportant 12 T5 de 54W dont j’étais initialement très content pour le rendu couleur, bien que l’absence des ondulations (vaguelettes) rende l’aquarium moins « vivant ».
|
En résumé
comparaison des avantages et inconvénients des rampes HQI, T5 et LED (0 = mauvais, 1 = moyen; 2 = bon) | 2 HQI 250W | 12 T5 54W | 12 LED 50W |
Couleur | 1 | 2 | 2 |
Répartition lumière | 0 | 1 | 2 |
Perte de lumière | 2 | 1 | 2 |
Vaguelettes | 2 | 0 | 2 |
Eclairement | 1 | 2 | 2 |
Allumage / extinction progressifs | 1 | 1 | 2 |
Total | 7 | 7 | 12 |
Par rapport à ma rampe T5 actuelle et à mon ancienne rampe HQI, mes objectifs sont donc
|
Ça me semblait correct mais j’avais besoin d’un moyen de contrôle, un appareil de mesure de la couleur, et j’ai trouvé deux méthodes empiriques, l’une de Mc Camy qui ne fonctionne bien théoriquement jusque 12.500K, l’autre de Javier Hernandez-Andres, Raymond L. Lee, Jr., et Javier Romero qui va beaucoup plus loin (l'erreur ne dépasse pas 0,62% entre 9.000 et 17.000K et 1,02% entre 17.000 et 50.000K) mais elle donnait des résultats aberrants !
Dans les 2 cas la méthode consiste à calculer la température de couleur (CCT = Correlated Color Temperature) à partir des composantes RGB. J’ai donc pris des photos d’un objet blanc, en l’occurrence une feuille de polystyrène expansé (ce n’est certainement pas une « référence » blanche absolue mais j’utilise toujours la même afin que les résultats relatifs soient cohérents), ai analysé les composantes RGB à l’aide d’un logiciel photo (Jasc Paint Shop Pro) et entré la formule Mc Camy dans une feuille Excel. Entretemps, un membre de Cap récifal a trouvé l’erreur dans la seconde formule que j'ai exploitée dans un programme qui réalise automatiquement, sur 15.000 points, l’étape fastidieuse de l’analyse RGB; ce programme est téléchargeable ici Et j’ai été un peu surpris des résultats : • éclairage T5 : 16.500K • HQI 13.000K : 7.400K • LED 20.000K : 13.200K, résultat du programme corroboré par une mesure par un professionnel de la photo avec un logiciel professionnel DXO. |
Voici les étapes du calcul
1. mesurer les 3 composantes R, G, B 2. calculer les valeurs du tristimulus X, Y, Z X = 0.431*R + 0.342*G + 0.178*B Y = 0.222*R + 0.707*G + 0.071*B Z = 0.020*R + 0.130*G + 0.939*B 3. Calculer les coordonnées x, y dans l’espace couleur (graphique ci-contre) x = X / (X + Y + Z) y = Y / (X + Y + Z) 4. calculer la CCT à l’aide de l’équation de Mc Camy T=449n³+3525n²+6823,3n+5520,33 avec n=(x-xe)/(ye-y) xe et ye étant les coordonnées de l’épicentre de référence à savoir 6.500K |
||
Bon, la LED 20.000K n’en sort que 13.000, anomalie que j’ai signalée au vendeur qui en était bien surpris ; mais à ce stade il me semblait que je pouvais mélanger ces LED avec quelques bleues 455nm, qui existent aussi dans ce modèle, pour obtenir la CCT souhaitée.
J’ai donc décidé de garder cette première LED pour mon refuge et j’en ai commandé 3 autres à 20.000K pour poursuivre les tests ; cependant le vendeur ayant signalé le problème et renvoyé les LED à son fournisseur, ces 3 nouvelles LED étaient beaucoup plus bleues : 40.000K !
J’ai donc décidé de faire le contraire : les mélanger avec des LED « blanches » 10.000K et j’en ai commandé une pour voir ; j’ai associé 2 bleues et une blanche et fait varier le rapport d’intensité ; j’ai obtenu ceci |
On voit qu'avec une blanche pour 4 bleues j'arrive à environ 17.000K, proche de la CCT de ma rampe T5 actuelle (objectif 1).
J'ai aussi représenté sur le graphique la couleur d'une bleue seule (0%), d'une blanche seule (100%), et d'une blanche pour 3 bleues (25% de blanc). Cette proportion m'arrange bien compte tenu de la géométrie de la rampe. |
Je rappelle que le but principal est de trouver un compromis entre l’éclairage HQI trop ponctuel et l’éclairage TL trop réparti.
Lors de ma première étude sur les LED 3W (nombreuses LED avec angle étroit) j’avais comparé les éclairages HQI et LED à l'aide d'un logiciel de dessin. Cette méthode graphique étant trop fastidieuse pour essayer facilement différentes possibilités, j’ai à nouveau écrit un programme expliqué et téléchargeable ici D’une part les LED choisies sont livrables avec une lentille de 60 ou 90°, cet angle s’étant avéré exact à l’essai : à 20 cm de distance, cercle bien délimité de 23 et 40 cm respectivement. |
||
D’autre part je devais jouer avec la forme particulière du bac (coins coupés) et la présence de la surverse à ne pas éclairer à l’arrière ; pour remplir l'objectif 3 j’en suis arrivé à la disposition ci-contre
|
L'essentiel de la puissance fournie aux LED est dissipée en chaleur.
Sachant qu'un watt de puissance lumineuse équivaut à environ 667 lumens, et que ma rampe devrait fournir environ 43.000 lumen, ceci équivaut à 64,5 watts. Les LED vont donc produire 558 – 64,5 = 493,5 W de chaleur soit un rendement de 11,5% (par LED : 5,4W en lumière et 41W en chaleur). Il faut y ajouter 3 x 3V x 1,5A = 13,5W pour les drivers. En d’autres termes, il faut évacuer 507 W via les dissipateurs. Je pense que la méthode la plus efficace pour les LED serait d’utiliser des dissipateurs munis de ventilateurs prévus pour refroidir les processeurs des PC (Ventirad), comme celui utilisé pour mon refuge ci-dessus ; de plus on en trouve pour moins de 10€. Je n’écarte pas cette possibilité mais elle présente l’inconvénient de mettre en œuvre 12 ventilateurs : je crains que le bruit soit prohibitif. En effet, même avec des ventilateurs produisant 18dB à 1m, 12 ventilateurs produiraient 29dB (18 + 10 x log(12)). Pour cette raison j’ai envisagé successivement o dissipateur passif : pour éviter que la température de la LED monte au-delà de 25°C il faudrait une résistance thermique inférieure à 0,5°/W, ce qui est possible mais au prix d’un coût supérieur à 300€ rien que pour les dissipateurs ; o solution hybride : 3 dissipateurs de 1 m avec un seul ventilateurs ; le coût ventilateurs compris est réduit de moitié ; par contre on doit construire un « tunnel » sur le dissipateur afin que l'air suive le rail jusqu'à l'extrémité; j'ai donc expérimenté cette solution. |
|||
Les données relatives aux dissipateurs figurant sur les sites marchands me semblant un peu fantaisistes en fonction de la longueur du rail, j’ai utilisé le calculateur disponible ici qui donne, pour le dissipateur choisi de type ML25, une résistance thermique de 0,75°/W pour 25 cm de longueur (distance entre les LED).
D’autre part le coefficient k de diminution de résistance thermique par un flux d’air (graphique ci-contre) est donné par la formule |
Le ventilateur DFS802512M a été choisi pour son diamètre correspondant à la largeur du dissipateur et surtout pour son silence (28dB) et son débit de 55m³/h soit une vitesse de 6,25 m/s compte tenu de la section du tunnel, ce qui donne un facteur de 25% pour la résistance thermique soit 0,18°/W.
La température moyenne du dissipateur ne devrait pas excéder 50 x 0,18 = 9°C en plus de la température ambiante; bien sûr compte tenu de la conduction de l’aluminium elle sera plus élevée au niveau de chaque LED. |
Le centre situé sous les turbulences du ventilo et recevant de l'air "froid" (ambiant) est évidemment mieux refroidi que les extrémités qui reçoivent de l'air déjà réchauffé; j'ai donc tout simplement retourné le ventilo pour qu'il aspire au centre; résultat :
|
||
Cependant le 2è dissipateur (5 LED), après une heure de fonctionnement, atteint 59°C (t ambiante 19°C) soit un delta trop élevé de 40°C; mis à part le remplacement du ventilo qui ferait fatalement plus de bruit, je ne vois pas de solution.
J'avais envisagé l'utilisation de ventirads mais avais écarté l'idée à cause de leur hauteur et de leur bruit. Question hauteur j'ai trouvé ce modèle akasa AK-865 qui ne mesure que 50 mm pour un TDP de 89W et ne coûte que 7€; quant au bruit, 12 ventirads de ce type produiraient moins d'un dB en plus que mes 3 ventilos actuels ! Enfin je gagnerais 5 kg (15 au lieu de 20). |
||
J'y ai directement monté une LED et fait des essais de température en variant la tension d'alim du ventilo.
En bas à droite, une des alim MeanWell LPC-60-1400 qui délivre en fait 1,43A (44,33 Watts sur la LED) bien constant quelle que soit sa température (elle chauffe très peu). Pour une température ambiante de 18,6°C en faisant varier la tension du ventilo de 7 à 14V la température de la semelle varie de 35,2 à 28,7°C soit un Dt de 16,6 à 10,1°C (graphique ci-contre). Jusque 7V, la relation semble pratiquement linéaire : Dt = 24 - Vventilo A une tension plus basse, Dt augmente nettement et le ventilo risque de décrocher. |
||
En d'autres termes si je considère une température normale du living de 20°C je peux maintenir la semelle à moins de 33°C en alimentant les ventilos sous 10V; sous cette tension, le ventilo n'est audible qu'en y collant son oreille alors que sous 12V on commence à le percevoir à partir de 50 cm; j'ai bien un dB-mètre mais le ventilo est sous le bruit ambiant bien qu'il fasse calme.
D'autre part si la température du living atteignait 30°C, ce qui est rare ici, sous une tension maximale possible pour mon alim de 13,3V la température de semelle ne dépasserait pas 44°C. |
J'avais d'abord prévu une alimentation secteur de 700 VA (2 alims à découpage de 350 VA, j'en ai acheté une pour la tester) et une source de courant dans chaque LED afin d'utiliser un de leurs avantages : l'allumage et l'extinction progressifs et même la simulation des nuages.
L'inconvénient est une consommation et une dissipation non négligeables de l'ordre de 10% dans les sources de courant. Il serait plus simple d'allumer les LEDs successivement mais en TOR (Tout Ou Rien, brutalement donc). J'ai alors posé la questions sur le forum Cap récifal et à la société Alpheus spécialisée en éclairages LED pour aquarium. Les réponses sont sans appel : oui c'est très utile, surtout au début de l'allumage et à la fin de l'extinction, esthétiquement d'abord mais aussi (je cite) Les périodes crépusculaires sont des temps forts du récif. Entre la phase diurne et la phase nocturne de nombreux chasseurs sont particulièrement actifs, leur comportement est ainsi intéressant à observer. Des parades, pontes, etc. ont également lieux lors de ces moments La demi-heure qui précède la chute de luminosité au coucher du soleil est particulière. Ainsi, même si il y a peu d'activité avant, durant cette demi heure il y a une augmentation d'agitation de la part de la faune, les poissons sortent furtivement, changent de lieu, s'excitent devant leurs trous ou dalles... et puis plus rien, tous les animaux diurnes disparaissent, le calme est revenu avant de laisser le champ, plus tard, aux nocturnes. C'est le signe que cette période ou le poisson doit préparer sa nuit, est cruciale pour lui. Il lui faut le temps de s'adapter à ce grand changement quotidien, lui supprimer cette phase d'adaptation doit être pour lui une source de stress. |
En pratique j'ai donc gardé l'alim 350 VA pour les 3 LED dimmables, et acheté 9 alimentations LPC-60-1400 pour les autres LEDs, avec une rendement de 87% bien quelle soit un peu faible en courant (1,4A soit 43W par LED) mais qui est particulièrement bon marché; il existe bien un modèle 1,75A (54W par LED) mais là c'est un peu trop, et des modèles ajustables par potentiomètre (PLC-60 et CEN-60) qui coûtent le double ! |
Le driver (schéma ci-contre) est constitué de
Le circuit imprimé a été gravé par PCB Pool. |
Les réflecteurs sont collés sur les LED à l'epoxy; pour suspendre la rampe, 2 ponts qui seront peints en noir mat reçoivent des attache-câbles réglables Arcadia. |
Pour la plaque de fond finale, j'hésitais entre
|
||
Pour tester le perçage (défonceuse) j'ai refait le support de la LED du refuge : elle était équipée d'une lentille 60° mais comme j'en ai cassé une (laissé tomber) ac-rc m'en a renvoyé une gratuitement mais j'ai pris une lentille 90° qui convient mieux au refuge et je récupère celle du refuge pour remplacer celle de 60° que j'ai cassée; bref pour le perçage c'est sans problème; Concernant le "refuge", voici 2 photos en balance des blancs manuelle (6.000K) : ce n'est plus vraiment un refuge car j'y ai mis Stylophora (en haut à droite), Montipora (à gauche), Capnella et Ricordea (en bas) et, au centre, Acropora jaune, Acropora gris-bleu, Euphyllya, Caulastrea blanc; tout ce petit monde se porte très bien malgré l'absence de brassage (150 l/h de circulation pour 50 litres); la puissance d'éclairage atteint 1 W par litre et la température de couleur mesurée avec mon programme 13.300K. | ||
Remarquez la pousse du Stylophora sous LED en 3 mois ½ ! |
Le côté oblique côté surverse est percé de 3 trous pour le passage des câbles; la plinthe reçoit 2 couches de vernis et les lentilles sont collées sur le PMMA. |
Vue du dessous de la rampe terminée : on voit nettement les 9 lentilles 60° très bombées à la périphérie et les 3 lentilles 90° plus plates au centre. |
8) Tests : les photos sont prises en balance des blancs manuelle 6.000K.
Vue d'ensemble pour comparer l'éclairage T5 avec l'éclairage LED qui est plus intense dans le bac et moins dispersé à l'extérieur du bac. |
07/01/2014 | 05/01/2015/ |
Une LED a cessé de fonctionner : son driver LPC-60-400 a subitement rendu l'âme après 12.400 heures. | Un mois plus tard un autre driver rend l'âme ! |
25/06/2015 | 30/07/2015/ |
Une des LEDs ne fonctionne plus, elle a rendu l'âme parce que son ventilateur s'est arrêté.
Même si j'avais les pièces en réserve je n'ai pas eu le courage de réparer car il aurait de toute façon à nouveau fallu remplacer les LEDs sous peu. J'ai donc envisagé son remplacement par une rampe commerciale, elle est décrite dans cet autre article Eclairage LED. |