Vieillissement des lampes UV et des LED UV
Les lampes UV et les LED UV perdent en éclairement énergétique pendant leur fonctionnement et modifient en partie leur spectre – de manière parfois marquée pour les émetteurs dopés. La durée de vie typique va de 500 à 2 000 h pour les lampes à haute pression et de 8 000 à 12 000 h pour les lampes à basse pression, jusqu'à 10 000 à 20 000 h pour les LED UV. Seule une mesure effectuée avec un radiomètre étalonné permet de savoir dans quelle mesure un système a dérivé.
La mesure de l'éclairement énergétique des sources de lumière UV de forte puissance est essentielle pour les procédés de polymérisation par rayonnement UV, car ceux-ci exigent un contrôle précis de la dose. La polymérisation UV utilise la lumière UV pour la polymérisation par des photo-initiateurs présents dans les matériaux, l'exposition étant un paramètre critique. Les radiomètres UV sont utilisés pour mesurer avec précision l'intensité UV et la dose (J/cm²), et les détecteurs doivent présenter une sensibilité spectrale élevée pour répondre à ces exigences.
Types de sources lumineuses utilisées pour générer le rayonnement UV :
- Lampes à décharge gazeuse de forte puissance :
Ces lampes produisent un rayonnement UV intense grâce à du mercure vaporisé à haute température dans un tube en quartz, avec la possibilité d'ajuster l'émission spectrale à l'aide de dopants métalliques. - LED UV de forte puissance :
Elles offrent des avantages tels que l'efficacité énergétique, une disponibilité immédiate et une longue durée de vie, bien qu'il faille tenir compte de la stabilité de la longueur d'onde en fonction de la température et des effets de vieillissement.
L'ampleur de la dérive d'un appareil devient visible lorsqu'il est comparé à un étalonnage UV récent.
La durée de vie des lampes UV ne peut donc pas être exprimée uniquement en heures de fonctionnement : ce qui compte, c'est le moment où l'éclairement énergétique tombe sous la valeur requise par le procédé – et cela dépend des cycles de commutation, de la température et de l'encrassement.
Durée de vie des lampes UV et des LED UV
| Type de source lumineuse UV | Description | Durée de vie typique de la lampe |
| Lampe UV (basse pression) | Utilisée pour la désinfection (de l'eau) | de 8 000 à 12 000 h |
| Lampes à amalgame | Efficacité supérieure et durée de vie plus longue | de 12 000 à 16 000 h |
| LED UV | Économe en énergie ; pour applications de petite taille | UVA jusqu'à 10 000 h, UVB/UVC jusqu'à 5 000 h |
| Modules LED UV | Unités modulaires ; personnalisables | UVA jusqu'à 10 000 h, UVB/UVC jusqu'à 5 000 h |
| Lampes à haute pression | Intensité UV très élevée ; spectre large | de 500 à 2 000 h |
| Lampes au xénon pulsées | Flashs de lumière UV intenses pour une intensité de crête élevée | de 1 000 à 3 000 h |
| Lampes excimères | Spécifique ; spectre étroit | de 5 000 à 8 000 h |
| Lampe UV (pression moyenne) | Adaptée aux applications industrielles | de 1 000 à 4 000 h |
| Lampe UV (pression moyenne, dopée) | Dopée au fer ou au gallium pour des spectres spécifiques | de 600 à 2 000 h |
| Lampe à arc court au xénon | Intensité élevée et spectre large | de 500 à 2 000 h |
Des mesures régulières sont nécessaires en raison du vieillissement des lampes UV et des LED UV. Mais ...
Pourquoi les lampes UV vieillissent-elles ?
Les lampes UV vieillissent en raison de plusieurs processus physiques et chimiques :
- Érosion des électrodes : les électrodes de la lampe s'usent avec le temps en raison du processus de décharge électrique, ce qui réduit leur efficacité.
- Évaporation des matériaux : Les matériaux présents dans la lampe, tels que le mercure et le tungstène, peuvent s'évaporer et se déposer sur les parties plus froides de la lampe, réduisant le flux lumineux par absorption.
- Dégradation du luminophore : Dans les lampes fluorescentes, un luminophore convertit le rayonnement à 254 nm en UVA ou UVB ; il se dégrade avec le temps, ce qui réduit l'éclairement énergétique.
- Solarisation : Le rayonnement UV peut modifier le matériau de la lampe, en particulier le verre de quartz, au fil du temps, réduisant la transmission de la lumière UV.
Ces facteurs combinés réduisent le flux lumineux de la lampe au fil du temps, nécessitant une maintenance ou un remplacement régulier.
Et...
Pourquoi les LED UV vieillissent-elles ?
Comme tous les composants électroniques, les LED UV sont également soumises au vieillissement. Comme pour tous les produits, la qualité des lampes à LED UV varie considérablement. Au cours de la durée de vie des lampes à LED UV, on observe une diminution continue de l'émission de lumière UV. On parle alors de dégradation. Les facteurs qui influencent le vieillissement des LED sont notamment la température de fonctionnement et le courant de fonctionnement. Les LED UV vieillissent pour plusieurs raisons, principalement liées aux propriétés intrinsèques des matériaux et aux conditions de fonctionnement :
- Dégradation thermique : la chaleur générée lors de la conversion de l'énergie électrique en lumière peut endommager les matériaux semi-conducteurs des LED et réduire leur efficacité.
- Oxydation et humidité : L'exposition à l'oxygène et à l'humidité peut endommager les matériaux de la LED, en particulier les électrodes et les composés.
- Fatigue des matériaux : Les dilatations et contractions répétées dues aux variations de température peuvent provoquer une fatigue des matériaux, ce qui affecte les performances
Ces facteurs combinés réduisent le rendement des lampes UV et des LED UV au fil du temps, ce qui signifie que leur intensité lumineuse et leur durée de vie sont limitées.
Après une phase de rodage marquée par une baisse plus prononcée, la dégradation se poursuit de manière presque linéaire pendant quelques milliers d'heures. Un second mécanisme de défaillance est la défaillance spontanée des LED UV.
Les défaillances spontanées des LED UV peuvent être causées par plusieurs mécanismes, notamment les décharges électrostatiques (ESD), qui peuvent endommager les composants par une surtension soudaine. Des défaillances des fils de connexion peuvent également se produire, lorsque les minuscules fils reliant les puces LED aux bornes tombent en panne.
Des défauts dans le matériau semi-conducteur lui-même, tels que des fissures ou des défauts dans les couches semi-conductrices, peuvent également entraîner la défaillance soudaine de LED UV individuelles. Ces types de défaillance surviennent souvent sans avertissement et entraînent une perte immédiate de la fonction de la LED.
Les LED UV sont considérées comme supérieures aux lampes UV traditionnelles sur certains aspects du vieillissement :
- Durabilité : Les LED UV atteignent une durée de vie plus longue avec un bon refroidissement et sont insensibles aux dommages mécaniques.
- Stabilité : Elles offrent une meilleure stabilité de la longueur d'onde dans le temps, car elles sont moins affectées par les fluctuations thermiques.
- Efficacité : Les LED UV utilisent l'énergie de manière plus efficace et génèrent moins de chaleur résiduelle, ce qui prolonge encore leur durée de vie.
Les principales différences entre le vieillissement des lampes UV et des LED UV :
Les principales différences de vieillissement résident donc dans la manière dont les différentes sources lumineuses gèrent la chaleur et la fatigue des matériaux, ce qui influence positivement l'efficacité et la longévité des LED UV.
Nous sommes heureux de vous aider à sélectionner des appareils de mesure UV pour contrôler le vieillissement UV des lampes à décharge gazeuse haute puissance et des LED UV. Opsytec propose des appareils de mesure spécialement développés qui garantissent une mesure UV précise et fiable et permettent également des étalonnages selon la norme DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03.
Le diagramme illustre la courbe de vieillissement typique d'une LED UV, caractérisée par une forte baisse initiale des performances au cours des premières heures de fonctionnement. Après cette diminution initiale, la perte de puissance se stabilise et suit une dégradation progressive, presque linéaire, dans le temps. Cette réduction continue de l'émission lumineuse se poursuit jusqu'à ce que la LED atteigne la fin de sa durée de vie et finisse par tomber complètement en panne sans émettre aucun rayonnement :
Ce que signifie le vieillissement d'une source pour les processus de production et de contrôle en cours est présenté sur les pages d'application Polymérisation UV dans l'industrie automobile et Technologie UV pour l'aérospatiale.
Quel est le degré de vieillissement d'une source ? L'éclairement énergétique à l'état neuf et celui mesuré aujourd'hui permettent de déterminer la dégradation — et le facteur de maintenance pour lequel un système est conçu, afin qu'il délivre encore la dose requise à la fin de l'intervalle de remplacement. Les deux valeurs doivent être mesurées dans la même plage spectrale et à la même distance.
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Radiomètre UV recommandé pour le vieillissement UV
Radiomètre RMD Pro
Radiomètre portable tout numérique pour l'éclairement énergétique et la dose, avec deux entrées capteur et 8 Go de mémoire.
RM-12
Appareil de mesure portable pour l'éclairement énergétique et l'éclairement lumineux avec capteurs interchangeables.
UVpad
Radiomètre spectral plat, 14,4 mm de hauteur, pour systèmes de convoyage, de 200 à 440 nm avec une largeur de bande de 2 nm.
curelog
Radiomètre et dosimètre plat qui se déplace dans les systèmes de convoyage UV à 2000 mesures/s maximum, sur quatre plages spectrales maximum.
Questions fréquentes sur le vieillissement et le contrôle des performances
Comment peut-on surveiller la puissance d'une LED UV ?
En mesurant l'éclairement énergétique au point d'action, et non le courant de service ou les heures de fonctionnement. Les LED UV perdent en continu de la puissance rayonnante ; les facteurs déterminants sont la température de jonction et le courant de commande, et chaque hausse de 10 °C de la température de jonction divise par deux la durée de vie L70. Une approche pertinente consiste à enregistrer une valeur initiale après le rodage comme référence et à définir un seuil d'alerte exprimé en pourcentage de celle-ci. Les durées de vie typiques allant jusqu'à 10 000 h (UVA) ou 5 000 h (UVB/UVC) ne s'appliquent que dans les conditions de service spécifiées.
Comment détecte-t-on le vieillissement d'une lampe UV ?
Par la diminution de l'éclairement énergétique dans des conditions identiques – mesuré à la même position, à la même distance et à la même température de service. Quatre processus agissent conjointement : l'érosion des électrodes, l'évaporation de matière qui se condense sur les parties plus froides de la lampe, la dégradation du luminophore et la solarisation du verre de quartz. Les heures de fonctionnement ne constituent qu'un repère approximatif : les lampes à basse pression atteignent de 8 000 à 12 000 h, les lampes à moyenne pression de 1 000 à 4 000 h, les lampes à moyenne pression dopées de 600 à 2 000 h.
Auteur : Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia est le directeur général d'Opsytec Dr. Gröbel GmbH à Ettlingen et dirige le laboratoire d'étalonnage accrédité. Après ses recherches sur les décharges excimères au xénon pulsées à l'Institut de technologie de l'éclairage du KIT, il se consacre actuellement à la technique de mesure du rayonnement optique. Il est vice-président de la commission de normalisation DIN FNL 7 « Rayonnement optique » et membre du groupe de projet DVGW sur la désinfection UV.
