Lumières d'arène LED|Systèmes d'éclairage professionnels pour sports d'intérieur

Qu'est-ce queune lumière d'arène à LED

Un éclairage d'arène à LED est souvent un luminaire directionnel à haute puissance conçu pour l'éclairage de grands lieux événementiels intérieurs -usages multiples. Ces lieux sont communément appelés arènes. Ce sont des lieux où se déroulent des sports, des rodéos, des spectacles d'animaux, des concerts, des cirques, des foires commerciales et d'autres événements publics et de divertissement. Une arène est composée d'une scène centrale ou aire de jeu entourée de tous côtés par des gradins de sièges inclinés pour les spectateurs. Le site à grande capacité de spectateurs est utilisé pour pratiquer des sports de niveau professionnel. Ces sports comprennent le basket-ball, le hockey sur glace, le patinage sur glace, le football en salle, le football en arène et le volley-ball. Les arènes sont des lieux de culte pour les amateurs de sport et les mélomanes.

Les arènes sportives sont souvent les points de repère des zones métropolitaines. Certaines des arènes intérieures les plus célèbres au monde comprennent le Madison Square Garden (New York, États-Unis), le Staples Center (Los Angeles, États-Unis), le Barclays Center (Brooklyn, New York, États-Unis), le United Center (Chicago, États-Unis), l'American Airlines Center (Dallas, États-Unis), le Forum (Inglewood, Californie, États-Unis), l'O2 Arena (Londres, Royaume-Uni), la Manchester Arena (Manchester, Royaume-Uni), la First Direct Arena (Leeds, Royaume-Uni), le SSE Hydro. (Glasgow, Royaume-Uni), Lanxess Arena (Cologne, Allemagne), Barclaycard Arena (Hambourg, Allemagne), Arena Monterrey (Monterrey, Mexique), Bell Center (Montréal, Canada), Antwerps Sportpaleis (Anvers, Belgique), Wukesong Arena (Pékin, Chine), Mercedes-Benz Arena (Shanghai, Chine), Ziggo Dome (Amsterdam, Pays-Bas), Brisbane Entertainment Centre (Boondall, Australie), Budokan Hall (Tokyo, Japon), Telenor Arena (Fornebu, Norvège), WiZink Center (Madrid, Espagne), Palau Sant Jordi (Barcelone, Espagne), Fernando Buesa Arena (Vitoria-Gasteiz, Espagne), Luna Park (Buenos Aires, Argentine), Mediolanum Forum (Assago, Italie) et AccorArena (Paris, France).

Fondamentaux de l'éclairage

Pour garantir une expérience-meilleure-aux supporters, l'éclairage de l'arène doit être à la hauteur des attentes. L’éclairage d’une arène sportive couverte présente de nombreux aspects communs avec l’éclairage d’un stade sportif extérieur. L'éclairage conçu à la fois pour les stades et les arènes doit répondre aux besoins visuels des joueurs, des participants, mais aussi à ceux des spectateurs les plus éloignés du terrain de jeu. L'éclairage à longue portée - doit fournir une quantité adéquate d'éclairage horizontal et vertical pour garantir une excellente visibilité pour les joueurs, les spectateurs, les arbitres et les retransmissions télévisées.

Créer un environnement lumineux optimal pour-événements sportifs haut de gamme va bien au-delà de la simple spécification de la quantité d'éclairage. Ces installations sportives de classe I imposent d'énormes exigences en matière de qualité d'éclairage. Parmi les nombreux facteurs qualitatifs d'éclairage, l'uniformité de l'éclairage, qui est définie par des facteurs tels que le rapport d'uniformité (UR, rapport d'éclairement maximum à minimum), le coefficient de variation (CV) et le gradient d'uniformité (UG), est particulièrement importante pour les sports et la diffusion télévisée à grande vitesse.

D'autres facteurs d'éclairage qualitatifs entrent en jeu, notamment le rendu des couleurs, le contraste des couleurs, la réduction du scintillement, la modélisation et le contrôle de l'éblouissement. L'éclairage fait aujourd'hui davantage partie intégrante des arènes intérieures que des stades. Cela n’est pas simplement dû au fait que l’éclairage électrique est la seule source pour ces installations fermées et que la compacité des lieux intérieurs nécessite une solution d’éclairage hautement intégrée. Généralement conçues comme des lieux polyvalents-, les arènes ont une diversité plus importante d'exigences en matière d'éclairage qui répondent à différents types d'événements. Souvent, ces événements comptent sur l’éclairage pour créer des effets visuels extraordinaires et susciter des réponses émotionnelles positives.

Exigences d'éclairement

Lorsqu’elle accueille des événements sportifs, l’éclairage de l’arène doit satisfaire les besoins de la compétition, garantir aux spectateurs une expérience visuelle confortable et répondre aux exigences de diffusion télévisuelle. La quantité et la qualité d’éclairage requises dans une arène varient selon les sports. L'éclairage de classe I pour les sports de basket-ball, de patinage artistique, de football en salle et de football d'arène nécessite un éclairement horizontal de 1 250 lx (125 pieds), et le CV et l'UR ne doivent pas dépasser 0,13 et 1,7:1 respectivement. L'éclairement horizontal, CV et UV recommandés pour le hockey sur glace sont respectivement de 1 500 lx (150 pieds), 0,13 maximum et 1,5: 1 maximum. Cependant, pour les grandes installations pouvant accueillir un nombre minimum de 5 000 spectateurs et accueillant souvent une capacité de 15 000 à 25 000 spectateurs, les critères d'éclairage sont généralement régis par les besoins des caméras de diffusion.

Pour une retransmission télévisée de qualité des sports, la quantité et l'uniformité de l'éclairement dans les plans vertical et horizontal doivent être suffisamment élevées pour que les gros plans des participants puissent être révélés et que la vitesse de la cible de jeu se déplaçant rapidement ne semble pas déformée à l'écran. Ces exigences posent un grand défi en termes de performances et de positionnement des luminaires. Bien que les luminaires HID qui utilisent des lampes aux halogénures métalliques de haute puissance soient capables de fournir des volumes substantiels de lumens, ils ont du mal à assurer une distribution uniforme de la lumière. Ces luminaires à source unique-projetent une quantité excessive d'éclairement au centre de la zone vers laquelle le faisceau est dirigé. Les zones les plus éloignées du centre du faisceau sont insuffisamment éclairées. Pour répondre à l'exigence d'uniformité, la zone insuffisamment éclairée doit être compensée lumineusement par le faisceau d'un autre luminaire, ce qui entraîne une augmentation du nombre d'installations de luminaires.

La révolution technologique

L'éclairage sportif est passé du HID au LED. L'adoption accélérée de la technologie LED est motivée par divers facteurs tels qu'une efficacité énergétique améliorée, une manipulation optique élevée, une contrôlabilité améliorée de l'éclairage, une durée de vie prolongée des produits, des coûts de maintenance réduits et un impact environnemental réduit. Les caractéristiques physiques et optiques des émetteurs semi-conducteurs offrent la possibilité d’aller au-delà des conceptions optiques traditionnelles.

Les sources lumineuses discrètes peuvent être assemblées en groupes pour former un dispositif d'émission de surface qui, en conjonction avec une conception optique efficace exploitant la nature directionnelle de l'émission de lumière LED, est capable de fournir une distribution de lumière hautement uniforme et contrôlable avec précision sur la zone cible. Une uniformité élevée de l'éclairage contribue non seulement à la qualité de l'éclairage sportif, mais permet également de réaliser d'énormes économies grâce à la réduction des installations d'éclairage. En raison des puissances élevées et du grand nombre d’installations généralement impliquées, la consommation d’énergie est un facteur majeur pour l’éclairage sportif.

L'éclairage LED permet d'énormes économies d'énergie au-delà de l'efficacité améliorée de la source. En plus d'une répartition efficace de l'éclairement, l'extraction efficace du flux lumineux de la source lumineuse minimise les pertes optiques qui sont autrement considérablement importantes dans les systèmes d'éclairage traditionnels. L'intégration de la détection, de l'intelligence et de la mise en réseau dans un système LED permet d'accomplir une tâche d'éclairage avec le plus faible apport d'énergie possible.

Les systèmes LED peuvent être conçus et fabriqués pour remplir leurs fonctions requises dans des conditions de fonctionnement pratiquement contrôlables pendant une période dépassant 50 000 heures avec un minimum de maintenance, ce qui se traduit par d'énormes économies sur les coûts de maintenance. Alors que les lampes aux halogénures métalliques de faible puissance peuvent durer jusqu'à 20 000 heures, les lampes de puissance supérieure, telles que les ampoules de 1 500 W couramment incorporées dans les luminaires des arènes, ont généralement une espérance de vie de 3 000 heures.

La distribution spectrale de puissance (SPD) des LED peut être conçue avec précision pour créer une lumière blanche à rendu de couleur élevé dans n'importe quelle nuance. De plus, le mélange de couleurs au niveau du luminaire peut produire des couleurs dynamiques, notamment des blancs accordables sur toute la plage de températures de couleur corrélées (CCT) et des millions de couleurs saturées. Ce niveau de contrôlabilité spectrale offre une plus grande flexibilité de conception dans les applications d'éclairage d'arène qui nécessitent souvent des scènes d'éclairage personnalisées.

Un travail d’ingénierie multidimensionnel

Les éclairages d'arène à LED sont des systèmes hautement sophistiqués qui intègrent plusieurs composants pour produire de la lumière dans des flux de lumens compris entre 30 000 et 200 000 lm par luminaire. Les LED sont des dispositifs semi-conducteurs-actuels conçus pour fonctionner à pleine capacité dans un environnement contrôlé. En raison des caractéristiques photométriques, électriques et thermiques interdépendantes des LED, atteindre des niveaux élevés d’efficacité énergétique et de fiabilité du système d’éclairage LED implique une conception de systèmes complexes et un travail d’ingénierie multidimensionnel. Les systèmes électriques, thermiques et mécaniques d'un éclairage d'arène à LED doivent fonctionner à l'unisson pour garantir que les contraintes environnementales ou opérationnelles appliquées aux LED sont sous contrôle.

Le coût initial d'un luminaire LED dépend de l'efficacité du luminaire, de la qualité des couleurs, du contrôle du scintillement et de la fiabilité du système. Les éclairages d’arène à LED représentent des dépenses en capital importantes. Ce n’est pas seulement parce qu’il s’agit de systèmes d’éclairage à haute puissance, mais aussi parce qu’ils doivent être efficaces et fiables. Un luminaire inefficace à haute puissance épuise les ressources. Les grandes installations sportives présentent souvent des problèmes de maintenance difficiles et le coût de réparation ou de remplacement des luminaires à haute puissance peut être important. Des systèmes LED à longue durée de vie doivent donc être utilisés. Même si le développement de la technologie LED a maintenant atteint un point où le coût est suffisamment abordable pour effectuer un changement, le coût initial d'un luminaire LED haute-performance et longue durée-est toujours impressionnant, mais ce qui est plus impressionnant est son retour sur investissement (ROI) élevé et son faible coût de cycle de vie.

Conception et réalisation

Bien que l'innovation de conception deLumières d'arène à LEDsemble n'avoir aucune limite, tous les systèmes LED comprennent quatre composants de base : les LED, le système optique, le dissipateur thermique et le pilote. Généralement, les LED sont assemblées en intégration étroite avec le système optique et le dissipateur thermique pour faciliter le contrôle optique et la gestion thermique. Dans les systèmes à haute puissance, ce type d'intégration peut se produire au niveau du luminaire ou aboutir à un système modulaire. L'intégration des trois composants au niveau du luminaire- crée un système intégré qui produit de la lumière à partir d'un seul assemblage. Un système d'éclairage modulaire se compose d'un certain nombre de moteurs d'éclairage qui sont des assemblages des trois composants -LED, optique et dissipateur thermique.

Les luminaires LED intégrés sont généralement des systèmes à faible-puissance, mais il n'est pas rare de voir des systèmes à ultra-puissance élevée (1 000 W+) dans une conception intégrée. La construction modulaire apporte un nombre important d'options et de personnalisations aux configurations des luminaires et facilite les mises à niveau des luminaires à mesure que la technologie LED progresse au fil du temps. Un grand nombre de luminaires LED ultra-haute puissance sont conçus comme des systèmes modulaires. Le ou les pilotes de LED sont généralement montés à l'extérieur. Un éclairage d'arène à LED intégré peut incorporer le pilote de LED dans l'enceinte du luminaire, mais une isolation thermique adéquate doit être fournie pour empêcher la charge thermique du système LED haute puissance de dégrader les composants du circuit sensibles à la température.

Source lumineuse

Les éclairages d’arène à LED tirent parti des packs LED haute puissance pour fournir une quantité impressionnante de lumière. L'utilisation d'un substrat céramique réduit considérablement la résistance thermique du boîtier et permet à la puce LED de fonctionner à une densité de puissance élevée. Les LED CSP (Chip Scale Package) réduisent davantage la résistance thermique en supprimant autant d'éléments d'emballage que possible que l'on trouve dans les boîtiers LED conventionnels, ce qui entraîne une réduction des points de défaillance et un chemin thermique raccourci. Les LED CSP trouvent leur place dans les applications haute puissance.

Malgré leur efficacité lumineuse inférieure à celle des LED PLCC de moyenne-puissance, les LED haute puissance à base de céramique-et les LED CSP à puces inversées-peuvent offrir un excellent maintien du flux lumineux sous des contraintes thermiques et électriques qui sont écrasantes pour les LED de puissance moyenne-. Les LED de puissance moyenne-sont intrinsèquement des boîtiers en plastique. Les matériaux de construction sont sujets à la dégradation thermique et photo. La décoloration qui en résulte provoque un changement de couleur et une dépréciation de la lumière.

Alors que différentes plates-formes de boîtiers LED créent des LED avec différents niveaux d'efficacité lumineuse, de densité lumineuse et de fiabilité, les caractéristiques de couleur des LED sont définies par leurs compositions spectrales. Les températures de couleur corrélées (CCT) des systèmes d'éclairage sportif se situent généralement du côté froid de l'échelle Kelvin (au-dessus de 4 000 K). Le bleu amélioré dans le spectre de la lumière blanche froide peut stimuler la vigilance et l’activité des participants. Des facteurs économiques entrent également en jeu lors du choix du CCT. Les LED CCT supérieures-ont une efficacité plus élevée que les LED CCT inférieures-car elles subissent moins de pertes de Stokes pendant le processus de conversion spectrale inférieure-au niveau de la couche de phosphore et le SPD qui en résulte améliore la conversion par la sensibilité oculaire. Pour répondre à l'exigence de flexibilité dans l'ajustement de l'ambiance pour les espaces à usages multiples, les lumières d'arène à LED peuvent être conçues comme des systèmes de blanc réglable ou des systèmes de mélangeur de couleurs RGBW/RGBA.

Pour les mêmes raisons, les performances de rendu des couleurs des LED sont également en compromis-avec l'efficacité lumineuse. Dans les applications haut de gamme, l'indice de rendu des couleurs (IRC) ou la métrique de couleur évaluée par une méthode plus précise (par exemple, l'IES TM-30-18) se situe souvent dans la fourchette premium. Pour que le capteur d'image HD de la caméra vidéo capture une image haute fidélité, la source de lumière doit être évaluée pour sa compatibilité spectrale avec les capteurs d'image et garantir que l'indice de cohérence de l'éclairage du téléviseur (TLCI) n'est pas inférieur à 85.

Génie thermique

La gestion thermique est l’un des éléments clés de la conception deLumières d’arène à LED.Les LED génèrent une quantité importante de chaleur au niveau de la jonction semi-conductrice et de la couche de phosphore. Un luminaire LED haute puissance intègre un grand nombre de boîtiers LED haute densité de puissance qui non seulement fournissent un flux lumineux élevé, mais créent également des volumes de chaleur élevés. Les performances des LED sont liées à leurs températures de jonction. La surchauffe de la jonction semi-conductrice et de la structure environnante d'un boîtier LED peut accélérer la nucléation et la croissance des luxations des fils dans la région active de la diode et provoquer une dégradation thermique du phosphore. Le fonctionnement des LED à des températures de jonction élevées entraîne finalement une efficacité réduite de l'appareil (dépréciation du flux lumineux), une durée de vie raccourcie ou une défaillance catastrophique de l'appareil en raison d'un emballement thermique. Par conséquent, la chaleur perdue générée au sein des boîtiers semi-conducteurs doit être transférée à l’air ambiant à travers tous les éléments de dissipation thermique qui constituent le chemin thermique.

Pour réduire la température de jonction, chaque résistance thermique sur le trajet allant de la jonction LED à l'air ambiant doit être minimisée. Le moteur lumineux haute puissance d'unLumière d'arène à LEDproduit une charge thermique considérablement importante. Les taux de transfert de chaleur du chemin thermique du système doivent dépasser le taux de charge pour éviter une accumulation de chaleur. La construction d'un chemin thermique robuste nécessite la formation d'interconnexions de haute fiabilité et capables de températures de fonctionnement élevées ainsi que l'utilisation d'une carte de circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB) avec une conductivité thermique élevée, une rigidité diélectrique et une résistivité volumique très élevées.

La conception du dissipateur thermique est déterminante dans la gestion thermique. La plupart des éclairages d’arène à LED utilisent des dissipateurs thermiques passifs qui s’appuient sur la physique pour dissiper la chaleur. Le dissipateur thermique est généralement construit en aluminium moulé sous pression, forgé à froid ou extrudé et forme une seule pièce avec le boîtier pour améliorer la conduction thermique et la convection. Le dissipateur thermique doit avoir un volume physique suffisant pour absorber la chaleur générée par les LED et fournir une surface adéquate pour maximiser le contact avec l'air ambiant pour un refroidissement par convection efficace. Lorsqu'il existe des contraintes physiques liées à la conception du dissipateur thermique, des caloducs peuvent être ajoutés aux dissipateurs thermiques en aluminium pour augmenter la capacité de refroidissement.

Ingénierie optique

Lumières d'arène à LEDsont généralement conçus comme des systèmes d'éclairage orientables, car ils sont généralement montés en hauteur autour du périmètre éloigné du tribunal. Les projecteurs pour l'éclairage des arènes sportives sont disponibles dans des distributions de lumière allant du faisceau étroit (pour éclairer les zones de jeu à distance ou de modélisation) au faisceau large (pour éclairer les zones rapprochées). Les poutres peuvent être selon des motifs symétriques, asymétriques ou rectangulaires.

Un système optique haute performance est souvent un élément tout aussi important d'un luminaire LED que le pilote et le dissipateur thermique. Le système optique doit permettre une répartition plus uniforme de la lumière, ce qui est essentiel à la performance visuelle des joueurs et à la qualité de la diffusion télévisée. Il doit également contribuer au contrôle de la lumière gênante qui tombe en dehors de la zone à éclairer et provoque une gêne visuelle pour les joueurs et les spectateurs. Un autre objectif important de la conception optique est d'atteindre une efficacité d'utilisation la plus élevée possible (le rapport entre la lumière émise par un luminaire et la lumière émise par sa source lumineuse). L'amélioration de l'efficacité de la transmission optique est importante pour les applications à haute puissance, car chaque pourcentage de perte optique signifie un gros gaspillage d'énergie.

Le moyen le plus efficace de fournir un contrôle optique efficace et précis pour les LED consiste à utiliser des lentilles optiques conçues sur mesure pour la régulation optique du flux lumineux de chaque LED individuelle. Pour maximiser l'efficacité optique, les optiques doivent être en contact étroit avec les LED haute puissance. Cependant, les lentilles optiques sont généralement moulées par injection en acrylique ou en polycarbonate. La chaleur de la puce LED ainsi que la chaleur générée dans la matrice de phosphore (chaleur de Stokes) créent des contraintes thermiques élevées.

Les lentilles en acrylique ne doivent donc pas être utilisées dans les systèmes LED haute puissance en raison de leur faible stabilité thermique. Bien que les lentilles en polycarbonate aient une stabilité thermique améliorée, leurs performances à long terme doivent être soigneusement évaluées, car les températures de surface des LED haute puissance peuvent parfois être trop élevées pour que les optiques puissent les gérer. Des optiques alternatives telles que des lentilles en silicone et en verre ou des réflecteurs en aluminium de précision trouvent leur utilisation dans des applications thermiquement difficiles.

Circuits de commande et de commande

Le pilote de LED est le composant qui régule la puissance des LED. L'une des variantes de performances les plus importantes pour un driver de LED est la qualité et la cohérence de la tension de sortie CC. Le dispositif électronique doit assurer une régulation stricte de la charge pour fournir une quantité et une qualité d’énergie constantes aux LED. Il gère également les fluctuations de tension de ligne, fournit une réduction des harmoniques et une correction du facteur de puissance (PFC) et protège les LED des conditions de fonctionnement anormales tout en convertissant l'alimentation CA entrante en alimentation CC.

Drivers LED conçus pour une utilisation à haute puissanceLumières d'arène à LEDadoptent généralement une solution en deux -étapes pour effectuer une conversion de puissance à haut rendement, obtenir une immunité élevée aux surtensions et réduire l'ondulation du courant LED. Ces capacités de l'appareil sont cruciales pour le fonctionnement efficace, fiable et sans scintillement des systèmes d'éclairage.

Le contrôle du scintillement est particulièrement une priorité dans les applications d'éclairage sportif de classe I. Le scintillement de l'éclairage peut non seulement provoquer une vision floue, une fatigue oculaire et une perception visuelle altérée qui ont un impact sur les performances du joueur, mais il peut également provoquer des effets stroboscopiques qui peuvent déformer la perception visuelle des objets de jeu en mouvement rapide. Les caméras vidéo sont très sensibles au scintillement. La présence de scintillement peut affecter la qualité des rediffusions au super-ralenti-pendant la diffusion HDTV. Le scintillement se produit lorsqu'il y a des ondulations suffisamment importantes dans le courant continu fourni aux LED.

Un pilote de LED à deux -étages permet de supprimer la forme d'onde alternative après la rectification et d'atténuer l'ondulation du courant de sortie délivré à la charge, ce qui permet un éclairage sans scintillement-. La conception du circuit pilote dicte également la contrôlabilité d'un luminaire LED.

De nombreux pilotes permettent la gradation PWM ou CCR des LED connectées et acceptent l'entrée de commande d'un contrôleur d'éclairage qui communique avec le pilote en utilisant 0-10 VDC, DALI, DMX ou un protocole réseau sans fil.

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