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Sources d’éclairage - Halogène, xénon, led, oled, laser : tout savoir sur les phares d’aujourd’hui… et de demain

Dans Futurs modèles / Technologie

La majorité des voitures en circulation dispose toujours de vieux et volumineux éclairages à incandescence, très éloignés des performances octroyées par les phares luminescents « xénons ». Cet anachronisme s’apprête à disparaître avec l’arrivée de nouvelles diodes lumineuses révolutionnaires.

Sources d’éclairage - Halogène, xénon, led, oled, laser : tout savoir sur les phares d’aujourd’hui… et de demain

Les sources d’éclairage automobile se répartissent en 2 groupes :

  • Celles à incandescence dites « chaudes »

- Lampes à filament avec ou sans « halogènes ».

  • Celles à luminescence dites « froides »

- Lampes à décharge « xénon »

- Diodes électroluminescentes « led, oled ou laser ».

Ces sources électroluminescentes révolutionnent l’éclairage grâce à leur taille extrêmement réduite permettant d’épouser tous les designs et leur faculté à rayonner fortement en ne consommant que très peu d’énergie.

Les traditionnels feux « halogène »

Phare halogène classique.
Phare halogène classique.

Les phares à incandescence halogène sont le dispositif d’éclairage automobile le plus ancien (1965). Il s’agit des ampoules H1, H4, etc. comme « Halogen » en référence au mélange de gaz halogènes (iode, brome, fluor) qu’elles contiennent. Plus la température d’incandescence est élevée, plus l’émission de lumière visible sera blanche. C’est ce remplissage halogène qui permet d’atteindre un blanc chaud à 2 800 °C grâce à la régénération du filament par recondensation de vapeurs d’halogénure de tungstène.

Ampoule halogène H7
Ampoule halogène H7

Ces volumineux phares halogènes sont insensibles à la température extérieure, leurs ampoules sont abordables et leur remplacement aisé. En revanche, leur durée de vie est brève (environ 3 ans en usage normal) et 92 % de l’énergie électrique consommée est dissipée sous forme de chaleur.

  • Prix : 4 à 35 euros l’ampoule, 100 à 400 euros le phare.
  • Actuellement utilisé sur : Renault Twingo, Citroën C3, etc.

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Avec une consommation de 55 watts pour seulement 1 550 lumens de lumière émise, l’efficacité lumineuse (28 lumens/watt) des phares halogènes est faible. Cette technologie ancestrale est vouée à disparaître car elle ne présente aujourd’hui plus aucun intérêt en dehors de son prix compétitif.

 

Des phares électroluminescents aux performances révolutionnaires

Avec l’avènement de ces sources d’éclairages « froides », il n’est dorénavant plus nécessaire d’atteindre des températures importantes. Les phares peuvent être beaucoup plus compacts tandis que leur luminosité devient 2 à 3 fois plus forte qu’auparavant.

Les phares « xénon » : une efficacité lumineuse triplée

Lampe à décharges D1s "xénon"
Lampe à décharges D1s "xénon"

En 1992, la technologie des « lampes à décharges » des candélabres urbains est adaptée au segment automobile « premium », puis aux autres gammes 20 ans plus tard. Le principe consiste à créer une impulsion électrique de 20 000v entre 2 électrodes pour placer le gaz de remplissage dans un état « plasma » chargé en électrons : lorsqu’il se décharge vers l’électrode positive, des photons sont émis en permanence sous la forme d’un arc électroluminescent auto-maintenu à 200 Hz par une tension de 42V. La température de couleur (blanc neutre) n’est plus liée à la température réelle d’émission mais seulement à la nature du mélange de remplissage (xénon, krypton, argon, brome, fluor et iodure de zinc pour remplacer le mercure).

Projecteur « xénon » adaptatif
Projecteur « xénon » adaptatif

Ce type de phare adapte verticalement et horizontalement son éclairage surpuissant en fonction de la conduite.

  • Prix : 40 à 90 euros l’ampoule, 300 à 900 euros le phare.
  • Actuellement utilisé sur : Citroën C4, Alfa Romeo Giulia, etc.

 

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Ces projecteurs au xénon se font rares mais ne sont pourtant pas encore obsolètes techniquement. Leurs ampoules sont robustes (durée de vie fréquemment d’une décennie) et leur remplacement unitaire reste possible. De plus, leur efficacité lumineuse de 92 lm/w est 3 fois supérieure à celle d’une ampoule halogène et même meilleure que certaines led actuelles !

 

L’éclairage « led » : une compacité record

Une Diode Électro-Luminescente (LED) fonctionne comme une cellule photovoltaïque mais à l’envers : ce minuscule composant optoélectronique émet des photons monochromatiques lorsqu’il est parcouru par un courant électrique.

Phare à LED.
Phare à LED.
Led haute puissance « bleue-phosphore ».
Led haute puissance « bleue-phosphore ».

Le principe consiste à créer à la surface de la diode 2 zones distinctes aux matériaux différents : l’une en déficit d’électrons (matériau « p ») et l’autre en excédent (matériau « n ») puis de les relier avec une jonction polarisée « p-n ». Lorsque le matériau semi-conducteur de la zone « p » reçoit les électrons de l’autre zone, il émet un flux lumineux dont la couleur est fonction du matériau utilisé (ex : arséniure de gallium pour le rouge, nitrure de gallium-indium pour le bleu).

Synthèse additive des couleurs.
Synthèse additive des couleurs.

En 1962 les led rouges apparaissent, puis les jaunes en 1971, les vertes en 1972 et enfin les bleues en 1989. C’est en 1993 qu’une led bleue à haute intensité est commercialisée, ce qui permet 10 ans plus tard de concevoir des éclairages à lumière blanche par synthèse additive des flux lumineux monochromes de 4 ou 5 led rouges, vertes et bleues grâce à un prisme, ou bien en ajoutant une couche de phosphore jaune à la surface d’une diode bleue.

 

Synthèse additive de 3 flux lumineux rouge, vert et bleu par un prisme optique cubique.
Synthèse additive de 3 flux lumineux rouge, vert et bleu par un prisme optique cubique.

Il existe aussi des versions adaptatives composées de 400 000 micro-miroirs pivotants (technologie DMD héritée des projecteurs vidéo) qui scindent le flux lumineux du phare en autant de petites zones matricielles dont les reflets lumineux sur la route ou l’allumage des led sont pilotés individuellement par une caméra.

Phare adaptatif à led.
Phare adaptatif à led.
Éclairage matriciel Led.
Éclairage matriciel Led.

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Ces projecteurs à led se généralisent grâce à leur taille minuscule, leur durée de vie théorique de plusieurs décennies et leur excellente efficacité lumineuse (70 à 115 lm/w, voire davantage). Quelques inconvénients sont toutefois à souligner comme l’impossibilité récurrente de remplacer les led à l’unité ou encore leur sensibilité aux températures élevées qui impose des dissipateurs thermiques derrière l’optique pour garantir leur longévité.

 

Les projecteurs « laser » : encore plus forts que les led

Diode laser.
Diode laser.

Les phares « L.A.S.E.R. » (Amplification de Lumière par Émission Stimulée de Radiation) arrivent sur les véhicules haut de gamme. Il s’agit de phares à diodes laser dont les caractéristiques sont proches de celles des led classiques, mais leurs performances et leur coût sont nettement supérieurs.

Ils sont généralement composés d’une led « bleue-phosphore » dotée d’un dispositif d’amplification photonique où plusieurs lentilles optiques successives (focalisation, expansion, collimation) concentrent le flux lumineux rectiligne vers des cristaux céramiques de stimulation du niveau d’énergie.

Phare composé de 3 diodes laser.
Phare composé de 3 diodes laser.

L’émission lumineuse est si directive et fine qu’il deviendrait possible de la déporter à l’abri au centre du véhicule pour la transmettre ensuite via fibre optique jusqu’aux feux. Cette technologie possède la portée la plus importante (600 m pour un phare laser de 25 W soit le double des led), ce qui la prédispose a priori plutôt aux feux de route.

  • Prix : non communiqué (probablement plus de 5 000 euros le phare)
  • Actuellement utilisé sur : BMW i8 hybride, Audi R18 LMP1 « Le Mans ».

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Ces phares laser « éblouissants » seraient parfaits pour remplacer des projecteurs principaux au xénon. Mais ils sont vraiment hors de prix, ce qui rend leur démocratisation incertaine, en particulier si l’intensité lumineuse des plus abordables led continue de progresser. Dans tous les cas, l’avenir de ces phares laser sera limité par le prix de leurs composants précieux.

 

Les panneaux oled : « LA » révolution

Feux flexibles oled 3D Audi.
Feux flexibles oled 3D Audi.

Contrairement aux led qui émettent ponctuellement, les Diodes Electro-Luminescentes Organiques (OLED) sont des sources lumineuses planes où plusieurs couches de matériaux organiques sont superposées entre 2 électrodes : la 1re est en déficit d’électrons (transport de « trous »), la 2e est émettrice de photons et la 3e est en excès d’électrons (transport « d’électrons »). Lorsque l’on applique une tension électrique adaptée, les trous et les électrons sont transportés dans la couche émettrice pour se recombiner, ce qui génère une luminescence dont la couleur des photons est liée au matériau de la couche émettrice.

Sources d’éclairage - Halogène, xénon, led, oled, laser : tout savoir sur les phares d’aujourd’hui… et de demain

Cette technologie des années 90 est l’objet ces dernières années de recherches et d’investissements massifs qui ont décuplé ses performances initiales. Elle conquiert peu à peu tous les secteurs. Il existe actuellement des oled de différentes sortes, notamment la Flexible Oled (Foled) qui permet de concevoir des éclairages lumineux souples et dynamiques tels des écrans.

L’éclairage oled a la consommation électrique la plus basse, une variété de couleur exceptionnelle, ainsi qu’une lumière diffuse peu directive qui rend inutiles les réflecteurs et lentilles optiques utilisés avec les autres types de diode. Sa luminosité modérée favorise une utilisation dans l’habitacle ou aux feux arrière, de sorte que toute la planche de bord et toute la carrosserie deviendront de vastes écrans flexibles ultra-minces où de multiples zones lumineuses en relief (3D) pourront être modifiées instantanément.

  • Prix : non communiqué
  • Actuellement utilisée sur : prototypes Audi et concept-cars.

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L’Oled n’est pas la technologie la plus lumineuse, mais avec elle tout devient possible à l’intérieur comme à l’extérieur du véhicule. Elle sera probablement LA technologie des prochaines décennies !

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