Nos technologies

Les lampes frontales STOOTS utilisent des technologies de dernière génération pour offrir une qualité d'éclairage et un rapport poids/puissance unique. Découvrez quels sont les enjeux technologiques lors de la conception de lampes frontales et quelles sont les particularités des lampes STOOTS.

Le Mixing Focus est une technologie STOOTS de focalisation électronique qui permet d'ajuster la largeur du faisceau en fonction du mode d'éclairage. Pourquoi cette technologie change tout en termes de qualité et performance d’éclairage ? Comment cela fonctionne ? Plus qu'un long discours, voici pour commencer un schéma qui explique son principe :

LE PRINCIPE

La zone de vision utile correspond à la zone dans laquelle on a besoin de voir clair pour la plupart des activités nocturnes. Cette zone correspond à une bande de 4/5m de large dont la longueur dépend de la vitesse de déplacement lors de l'activité pratiquée (15m en course à pied, 50m en vélo, 150m en recherche d'itinéraire en alpinisme ...).

Avec un éclairage classique, dont l'angle d'éclairage est constant, lorsque l'on augmente l'intensité lumineuse, on augmente aussi la largeur de la zone éclairée. De ce fait, la puissance additionnelle est diluée dans des zones où on n'a pas forcément besoin de voir plus (sur les bords). Ceci se fait au détriment de la portée d'éclairage de la lampe frontale.

Avec la focalisation électronique, on vient modifier l'angle du faisceau en fonction des puissances d'éclairage. Plus on éclaire fort, plus le cône d'éclairage est étroit. En paramétrant cela de façon optimale, on conserve un éclairage très confortable (vision proche bien diffuse et lumineuse) tout en augmentant considérablement la portée du faisceau.


LA TECHNOLOGIE

Comment cela fonctionne ? La variation de focalisation est continue et fournit donc un faisceau totalement homogène quelle que soit la puissance d'éclairage. Le système ne consiste pas à opter pour l'un ou l'autre des faisceaux mais bien à mixer harmonieusement un faisceau large et un faisceau étroit pour obtenir un faisceau idéal et homogène pour chaque puissance. A puissance maximale, on aura donc une portée très longue mais aussi un éclairage proche performant.

Pour schématiser, en passant à un mode plus puissant, on se contente de rajouter de la lumière au-delà de la zone éclairée par le mode du dessous. L'intensité lumineuse dans la zone proche reste la même (ce qui est bien puisque cette puissance est suffisante) et on prolonge la zone de luminosité au-delà en restant dans la zone de vision utile.

La lampe est donc dotée de 2 systèmes d'éclairage pilotés de façon totalement indépendante : 2 circuits de leds et 2 systèmes de contrôle. Ceci entraine un surcoût important mais le gain en efficacité est tel que cela en vaut la peine.



SUR LE TERRAIN

Les tests montrent qu'à perception lumineuse égale, on a besoin de quasiment 2 fois moins de lumens qu'avec un faisceau constant. En somme, on multiplie par 2 l'autonomie sans prendre 1g de batterie ni perdre en luminosité. Cela permet aussi d'atteindre des portées d'éclairage beaucoup plus grandes 150m à 1000lm.

Les photos comparatives suivantes montrent l'intérêt de la focalisation électronique. Le système Mixing Focus entre en action dès le second mode (100 lumens) afin d'éviter la déperdition de lumens sur les bords (là où on n'en a pas besoin). Son apport à 500 et 1000 lumens est très important avec un éclairage proche toujours très confortable mais une portée d'éclairage presque 2 fois plus longue que sans le système Mixing Focus.    

Les leds sont, avec l'électronique de régulation, le nerf de la guerre pour obtenir un rendement optimal. Leur niveau de performance évolue très vite. Même si les fabricants de leds ont tendance à plafonner en terme de performance pure (aux alentours de 210 lumen/W), ils proposent régulièrement des améliorations importantes en terme de compacité des leds et de qualité de la lumière émise.

STOOTS a donc conçu ses frontales de manière à pouvoir intégrer systématiquement les leds de dernière génération. Par ailleurs, nous produisons nos frontales à la commande afin de garantir l'utilisation des dernières leds mises sur le marché.



GENERALITES

En fonction de l'architecture de la lampe, les leds les plus efficaces ne sont pas forcément les mêmes. Le choix des leds dépend de la puissance lumineuse, de l'angle d'éclairage, de l'encombrement du système optique ... Selon les modèles de lampe, les types de leds utilisés peuvent donc varier. 



PERFORMANCE PURE

Les performances des leds sont définies par plusieurs critères dont les plus intéressants pour les lampes frontales sont les suivants :

·  Le flux lumineux maximal mesuré en lumens : c'est la quantité de lumière maximale que la led est capable de délivrer sans détérioration. Ce flux lumineux maximal est étroitement lié à la puissance maximale que la led est capable d'encaisser.

·  La puissance maximale mesurée en W (Watt) : c'est la puissance électrique que la led est capable de dissiper sans détérioration. Elle est le produit de la tension de la led et de son intensité d'alimentation.

·  Le rendement lumineux mesuré en lumens/W : c'est la quantité de lumière débitée par la led par unité de puissance électrique consommée. Plus ce rendement est grand, plus la led est performante. Les meilleures leds actuelles délivrent 210 lumens/W. Ce rendement diminue avec la puissance. Par exemple, une même led peut avoir un rendement de 210 lumens/W à 1W et de seulement 140 lumens/W à 3W. Le rendement est aussi altéré par l'augmentation de la température de la led.

Pour obtenir une puissance lumineuse importante avec un rendement maximal, il faut donc choisir des leds ayant un flux lumineux maximal suffisant et les utiliser dans leur plage de fonctionnement idéale, c'est à dire à une puissance faible et à une température la plus basse possible. Les leds utilisées dans les lampes STOOTS sont capables de délivrer jusqu'à 500 lumens chacune (voir 1000 lumens pour certaines). Pourtant, afin d'optimiser leur rendement nous avons choisi d'intégrer plusieurs leds au bloc optique et de les utiliser à 40% maximum de leur capacité seulement (200 lumens maximum par led). A ce niveau, le rendement est proche du rendement maximum et la température du corps de la led reste faible ; ce qui augmente sa durée de vie et améliore encore son rendement. La température est en outre maintenue à un niveau faible grâce au bloc lumineux entièrement en aluminium. Sa géométrie a été étudiée pour maximiser les échanges thermiques avec l'air ambiant nécessaires à son refroidissement.



PERFORMANCE QUALITATIVE
 

Au-delà de la puissance pure, d'autres critères plus qualitatifs ont un rôle très important dans la qualité de l'éclairage des leds :

·  La couleur de l'éclairage mesurée en K (Kelvin) : elle oscille généralement entre 2700 Ket 6500 K. On parle de température de couleur. Plus cette valeur est élevée et plus la lumière est dite froide (blanc très blanc, presque bleuté). Plus la valeur est faible et plus la couleur est chaude (jaune, presque orange pour les valeurs les plus faibles). La couleur de l'éclairage naturel du soleil est d’environ 5000 K. C'est donc avec un éclairage proche de cette valeur que la lumière est la plus agréable et confère un meilleur rendu des couleurs. Malheureusement, techniquement, les leds chaudes ont un moins bon rendement que les leds froides (30% de perte entre 6500 K et 2700 K). Pour cette raison, la plupart des fabricants de lampes utilisent des leds froides qui permettent d'atteindre des puissances d'éclairage plus élevées. En pratique, il est préférable de choisir des lampes ayant une couleur plus chaude (aux alentours de 5000 K). La perte de puissance théorique est largement compensée par la qualité de la lumière et du rendu des couleurs. Aussi, les lumières plus chaudes génèrent moins de phénomènes d'éblouissement en cas de brumes ou de conditions humides.

·  Le rendu des couleurs : la qualité des couleurs restituées par l'éclairage est mesurée par une valeur appelée CRI. Plus sa valeur est proche de 100 et plus le rendu de chacune des couleurs est bon. Plus il s'en éloigne et plus les couleurs seront "délavées". Avec un indice CRI de 60, le rendu est déjà relativement mauvais. La perception est alors proche du monochrome. A l'inverse, des leds ayant un CRI de 90 permettent de très bien discerner chacune des couleurs. En pratique, pour les utilisations de type lampe frontale, une valeur de 80 est déjà très bien. Malheureusement, plus l'indice de rendu des couleurs est élevé et plus le rendement des leds est mauvais. Comme pour la température de couleur, la plupart des fabricants de lampes privilégient la puissance et choisissent des CRI de 60 ou 70.  En pratique un CRI de 75 voire 80 au minimum est à privilégier.

 


TECHNOLOGIE STOOTS

En fonction de ces différents paramètres, STOOTS choisit les leds de ses lampes de manière à optimiser le rendement tout en offrant prioritairement un éclairage agréable.

 

La KISKA 2 est dotée de 2 leds larges de 5000 K de 200 lumens/W et d’une led étroite 5000 K de 180 lumens/W.  Le rendement global est d’environ 240 lumens/W à 200 lumens.

 

L’OPALO 2 est dotée de 7 leds de 5000 K de 175 lumens/W disposées de façon concentrique permettant ainsi de créer un faisceau à focalisation électronique avec une seule optique. Le rendement global obtenu est d’environ 240 lumens/W à 1W.

Le spot est basé sur une led de 6500 K de 150 lumens/W.  Pout le spot, nous avons privilégié une taille minimale de la led plutôt que de chercher à maximiser sa puissance pure. On obtient ainsi un faisceau très étroit et très net avec une portée plus grande que si l’on avait sélectionné une led avec un meilleur rendement mais une source émettrice plus grosse.

 

La MISTI utilise une seule led 5000 K de 180 lumens/W. Le rendement global est donc de 180 lm/W. C’est ce qui explique l’autonomie moindre de la MISTI 2 à puissance égale.

 

Grâce à ces choix technologiques, les lampes STOOTS associent un éclairage confortable à un rendement lumineux pouvant être jusqu'à 2x supérieur aux autres frontales de même catégorie. C'est ce qui explique l'excellent rapport poids/puissance des lampe STOOTS. Avec un meilleur rendement, la batterie peut être plus petite pour une même autonomie. 

L'électronique de régulation est, avec les leds, un élément fondamental pour le rendement global de la lampe. L'électronique a pour rôle d'assurer la liaison entre l'énergie disponible dans la batterie et les leds qui vont l'utiliser pour générer un flux lumineux d'intensité variable en fonction des modes d'éclairage choisis.



ELECTRONIQUE REGULEE OU NON REGULEE

Les batteries utilisées pour alimenter les lampes sont basées sur des procédés chimiques qui ne délivrent pas une tension constante au fur et à mesure de leur décharge. Une batterie Lithium, par exemple, délivrera 4.2V à pleine charge alors qu'elle ne sera plus qu'à 3V une fois déchargée. Les leds, elles, délivrent une puissance lumineuse proportionnelle à la tension qui les alimente (par exemple 200 lumens à 3.5V, 100 lumens à 3.2V, 20 lumens à 2.9V ...). Ainsi, si l'on branche directement les leds à la batterie, l'intensité lumineuse va baisser lorsque la batterie va se décharger. Les lampes utilisant ce principe sont dites non régulées. La puissance lumineuse annoncée par le fabricant n'est donc réelle que si la batterie est pleine et ce pendant quelques secondes. La luminosité va ensuite baisser régulièrement en suivant la décharge de la batterie.

Les électroniques régulées permettent d'éviter cette chute de luminosité en maintenant une tension d'alimentation constante pour les leds, quel que soit le niveau de charge de la batterie. Ainsi, une lampe annoncée à 200 lumens pourra fournir ces 200 lumens durant tout son cycle de fonctionnement. 

En pratique, une bonne partie des lampes régulées ne le sont que partiellement. La régulation est active sur la première moitié de la batterie, puis non régulée sur la deuxième moitié. Ceci est lié au type d'électronique utilisé qui ne permet pas de réguler sur l'ensemble de la plage d'utilisation de la batterie.




PROCEDES DE REGULATION

Il existe plusieurs façons de moduler la puissance d'éclairage mais leurs rendements sont variables.

La technologie historiquement la plus répandue est la régulation linéaire. Cette technique consiste à maintenir un courant d'alimentation constant pour les leds en dissipant la différence de tension entre la batterie et les leds en chaleur. Ainsi lorsque la batterie est à 4V et que la led nécessite 3V, les 1V de différence sont transformés en chaleur. Cette technique est précise et efficace mais gaspille de l'énergie. Toute l'énergie perdue en chaleur pure est effectivement perdue, ce qui altère le rendement global de la lampe. Les lampes utilisant cette technique ont au mieux un rendement de 65 ou 70%. Par ailleurs, les électroniques linéaires perdent souvent leur capacité de régulation à partir d'un certain niveau de décharge de la batterie. En effet, lorsque la tension de la batterie n'est plus que de 3V et que la led doit être alimentée à 3.5V, l'électronique est incapable de fournir cette tension et se limite à fournir 3V (voire un peu moins en réalité car elle consomme elle même un peu de cette tension). Elle ne régule donc plus l'intensité lumineuse.

La technologie actuelle la plus performante est le PWM (Pulse With Modulation). Elle consiste à alimenter la led par intermittence. En pratique, les leds ne sont pas alimentées en continu mais clignotent à une fréquence élevée. Le clignotement est suffisamment rapide pour ne pas être perçu par l’œil. On fait alors varier l'intensité lumineuse en diminuant ou en augmentant la durée d'allumage de la led à chaque clignotement. Grâce à cette technique, on obtient un rendement électronique pouvant atteindre 90% lorsque l'écart entre la tension de la batterie et celui des leds est idéal. En pratique, le rendement moyen de la plupart des lampes utilisant cette technique est plutôt aux alentours de 75% car, tout comme pour la régulation linéaire, lorsque la tension de la batterie se rapproche de la tension des leds (du fait de la décharge), le régulateur ne fonctionne plus idéalement. Son rendement chute alors et sa régulation n'est plus parfaite. C'est le cas des régulateurs PWM dit Buck dont le rôle consiste à abaisser la tension de la batterie pour atteindre celui des leds.

Les régulateurs PWM Boost permettent de résoudre ce problème à condition d'utiliser plusieurs leds. Dans ce cas, le régulateur élève la tension de la batterie (comprise entre 3 et 4.2V selon la charge) pour atteindre la tension des leds en série (environ 6V pour 2 leds, 9V pour 3 leds ...). De ce fait, même lorsque la tension de batterie décroît, le régulateur fonctionne toujours dans sa plage de fonctionnement idéale et son rendement est de 85% sur toute la plage de fonctionnement. Cette technologie est rarement utilisée car généralement plus coûteuse pour le fabricant.

Enfin, en combinant astucieusement différentes technologies, on peut atteindre un rendement de 92%. Mais là c'est secret :-)

 

INTERFACE UTILISATEUR

L'électronique apporte la puissance électrique mais joue aussi le rôle d'interface avec l'utilisateur pour accéder aux différentes fonctions de la lampe et lui apporter un certain nombre d'informations. Ce rôle est assuré par un microcontrôleur. Il permet de programmer différents modes de fonctionnement. Il contient l'intelligence de l'électronique. C'est lui qui traduit les actions effectuées par l'utilisateur avec le bouton de commande en ordre d'allumage des leds. Il permet aussi, selon sa complexité, de mesurer différentes informations d'état de la lampe (niveau de décharge de la batterie, température du bloc lumineux, luminosité ambiante ...) afin de modifier son comportement ou de donner des informations à l'utilisateur.

 


TECHNOLOGIE STOOTS

Les lampes STOOTS embarquent des électroniques régulées PWM à haut rendement (92%) sur toute leur plage de fonctionnement. Ceci permet de maximiser l'autonomie et de limiter le poids et la taille de la batterie. Le microcontrôleur mesure en continu l'état de la batterie afin de fournir des alertes de fin de batterie lors de l'utilisation. Il assure par ailleurs le pilotage de la lampe à partir du bouton de commande. Enfin, l'ensemble de l'électronique a été optimisé en terme d'encombrement pour offrir un maximum de fonctions et de puissance dans de tout petits boitiers.

Le bloc lumineux a pour rôle de maintenir, orienter et assurer le refroidissement des leds. Pour des leds haute puissance, cette notion de refroidissement est fondamentale car elle conditionne le rendement et la durée de vie des leds (voir article sur les leds).



REFROIDISSEMENT

Les leds puissantes génèrent une chaleur importante. La quasi-totalité de l'énergie consommée par une led est dissipée en rayonnement calorique. Ainsi, pour une puissance lumineuse de 200 lumens, la chaleur dissipée est de 1 W pour les meilleurs ledsPour 1000 lumens, on est à plus de 6 W. Cette chaleur qui s'accumule à la base des leds doit être évacuée pour éviter une chute du rendement de la lampe ainsi qu'une détérioration irrémédiable des composants électroniques. Pour évacuer la chaleur, il faut la transférer le plus efficacement possible depuis la base des leds jusqu'à l'air ambiant. Pour cela, il est important d'utiliser des matériaux assurant une bonne conduction thermique. Les matériaux les plus adaptés sont, le cuivre, l'aluminium, certaines céramiques et pierres volcaniques ... Si l'on prend aussi en compte le poids, le coût, la résistance mécanique ... l'aluminium est clairement le plus adapté pour les lampes frontales.

Une fois les matériaux choisis, il est ensuite important de maximiser la surface d'échange entre la pièce en aluminium et l'air ambiant. Le refroidissement d'un objet est très dépendant du flux d'air à sa surface. Ainsi, alors que dans une enceinte fermée sans courant d'air, la température du corps de lampe peut monter jusqu'à 55°C, elle plafonne à 35°C dès le moindre mouvement. En conditions d'utilisation nocturne avec déplacement (trail, VTT ou même marche) le corps de lampe restera donc à une température basse très proche de la température extérieure, même à pleine puissance. Tout l'enjeu consiste donc à mettre un maximum d'aluminium directement en contact avec l'air en mouvement afin d'améliorer le refroidissement. Les blocs lumineux doivent donc privilégier de grandes surfaces de contacts (en multipliant le nombred'ailettes ou de rainures par exemple) et disposer ces surfaces face au mouvement d'air. 

Une lampe avec un bon refroidissement et un boitier aluminium pourra offrir un rendement jusqu'à 40% supérieur à une lampe avec boitier plastique et sans refroidisseur extérieur.

 


ORIENTATION DU FAISCEAU

Le bloc lumineux doit pouvoir être orienté verticalement sur au moins 75° pour s'adapter à tous les besoins (directement sur la tête, sur un casque ou un guidon). Un réglage précis est nécessaire (idéalement non cranté) pour permettre de toujours positionner le faisceau dans son angle optimal. 



LES TECHNOLOGIES STOOTS
 

Les lampes STOOTS sont conçues autour d'un bloc lumineux entièrement en aluminium dont la surface de contact avec l'air ambiant est maximisée. La surface principale est orientée face au mouvement de manière à améliorer le refroidissement. En utilisation standard (air ambiant à 15°C, déplacement à 7km/h) et à une puissance de 500 lumens, le boitier ne dépasse pas les 22°CLa température à la base des leds est alors de 40°C environ. A cette température, leur rendement n'est quasiment pas affecté par la température. Dans le cas d'utilisation statique en atmosphère confinée, la température du bloc lumineux peut monter jusqu'à 55°C (90°C à la base des leds). A cette température, la lampe se met automatiquement en sécurité anti-surchauffe pour éviter toute détérioration de la lampe ou brûlure de l'utilisateur.

Le système de fixation directement sur le corps de la batterie permet d’orienter le bloc lumineux sur quasiment 150.

Le confort d’une lampe frontale semble être évident et pourtant c’est un sacré problème. Entre le poids global de la lampe, le positionnement de la batterie à l’avant ou à l’arrière, la forme du support frontal, le porte à faux avant …. Il y a un grand nombre de paramètres ergonomiques et biomécaniques qui entrent en jeu. Voici quelques éléments qui vous permettront de bien comprendre.



LE POIDS

Le poids global de la lampe frontale est bien sûr un paramètre important mais pas autant qu’on pourrait le croire. 

La tête d’un homme adulte pèse en moyenne 4300 g. Si l’on compare la masse de la lampe frontale à la masse « à vide » de la tête on constate qu’une lampe de 150 g représente une augmentation de poids de 3,5% (une lampe de 75 g type STOOTS KISKA 2 seulement 1,7%). Dans ces 2 cas, ce surpoids est relativement faible. Par contre, il peut devenir critique à partir de 10% (environ 400 g) et en particulier dans le cas d’une utilisation prolongée (phénomène fréquent en spéléo où le poids de la lampe s’ajoute à celui du casque avec des douleurs au cou pour les sorties de plusieurs heures).

Une différence de quelques grammes (10 g ou 20 g) est donc clairement insignifiante. Une bonne coupe de cheveux, un rasage un peu plus précis, un cracha un peu épais ou un buff un peu plus fin permettront de gagner tout autant (voire bien plus).

En revanche la répartition du surpoids lié à la lampe frontale a une influence considérable.



LA REPARTITION DU 
POIDS

La tête peut être assimilée à une grosse masse de maçon posée à l’envers (4300 g en équilibre sur un manche à balai). Les muscles du cou ont le rôle difficile de maintenir le tout en équilibre dans toutes les positions et en mouvement. Alors, lorsque l’on rajoute un poids mal réparti, même assez faible, çela peut vite être problématique. C’est exactement le cas des lampes frontales pour lesquelles la masse rajoutée est forcément à l’avant du crâne. Elles créent un fort déséquilibre. Tentons d’expliquer un peu plus précisément le phénomène et commençons par un schéma (regardez-le un peu puis lisez la suite ça deviendra plus clair).





LE PORTE-A-FAUX NATUREL

Le centre de gravité naturel de la tête (Gtête) est situé en avant du point de pivot du cou (Op). La tête a donc tendance à basculer naturellement vers l’avant (c’est ce qui arrive d’ailleurs quand on s’endort dans le canapé un lendemain de SaintéLyon). Ce sont les muscles arrière du cou qui empêchent cette bascule et qui sont donc constamment en action. Lorsque l’on rajoute un poids à l’avant du crâne on accentue ce porte-à-faux et on mobilise donc plus les muscles. En revanche, lorsque l’on met du poids à l’arrière, on rééquilibre la balance au niveau du pivot, ce qui soulage les muscles du cou. Comme ils sont habitués à une contraction continue pour maintenir la tête d’aplomb, le mieux est donc de conserver le porte-à-faux naturel. Le point de pivot du cou étant situé à mi-chemin entre le front et l’arrière du crâne, il faut donc idéalement mettre un poids identique à l’avant et à l’arrière. De ce point de vue les lampes bi-corps avec batterie à l'arrière (de type ancienne STOOTS MiniMax) sont idéales.


LE PORTE-A-FAUX DE LA LAMPE

Mais le plus important pour les lampes monoblocs c’est le porte-à-faux de la lampe elle-même ; c’est à dire la distance qui sépare son centre de gravité de celui de la tête (d2) ainsi que la distance qui la sépare du front (d3).

Le ballotement de la lampe

La distance d3 permet d’évaluer le porte-à-faux de la lampe seule et donc son aptitude à balloter par rapport au front. Afin de donner une mesure physique de ce porte-à-faux, on peut calculer le moment généré par le poids de la lampe. Le moment est obtenu en multipliant la force (ici le poids de la lampe) par la distance qui la sépare de son point de pivot (ici le front). Pour une lampe type STOOTS KISKA 2 pesant 65g et dont le centre de gravité est situé 12mm en avant du front, on obtient un moment de :

       MKiska = P*d = m*g*d = 0,065 * 9,1 * 0,012 = 0,008 Nm

Ce chiffre n’est pas très parlant mais comparons-le à une lampe utilisant par exemple une batterie lithium 18650 mais pesant 120 g et avec un porte-à-faux non optimisé (environ 20 mm). Ce qui est le cas de quasiment toutes les autres lampes à base de 18650. Dans ce cas on obtient un moment de :

       M18650 = P*d = m*g*d = 0,120 * 9,1 * 0,020 = 0,022Nm

Le moment, et donc le ballotement potentiel, est 3 fois supérieur à une STOOTS KISKA 2. Pour résumer, plus la lampe a un centre de gravité très proche du front et plus elle sera stable et confortable. Si en plus elle possède une répartition avant-arrière du poids avec batterie à l'arrière et bloc lumineux devant, on gagne sur tous les plans. C'est le cas de l’ancienne STOOTS MiniMax dont les moments avant et arrière sont :

    MminimaxAvant = P*d = m*g*d = 0,33 * 9,1 * 0,009 = 0,002Nm

    MminimaxArrière = P*d = m*g*d = 0,46 * 9,1 * 0,006 = 0,002Nm

La stabilité est alors 2 fois meilleure que sur une STOOTS KISKA 2 (6 fois par rapport à une lampe basée sur un accu 18650).

Le déséquilibre global de la tête

La distance d2 permet d’évaluer le déséquilibre de l’ensemble tête + lampe dû au surpoids de la lampe. Afin de donner une mesure précise de ce déséquilibre, on peut calculer le moment de l’ensemble tête + lampe et de le comparer au moment de la tête seule.

      Mtête = Ptête*d1 = 4,3 *¨9,1 * 0,03 = 1,265 Nm

Je vous épargne les calculs un peu plus fastidieux des moments des ensembles tête+Kiska, tête+MiniMax et tête+lampe18650 mais en voici directement les résultats :

    Mtête+Kiska 1,394 Nm soit une augmentation de 10% par rapport à la tête seule

    Mtête+lampe18650 = 1,522 Nm soit une augmentation de 19% par rapport à la tête seule

    Mtête+MiniMax = 1,266 Nm soit quasiment le moment naturel de la tête

La surcontrainte est donc 2 fois plus forte avec une lampe type batterie 18650 que pour une KISKA 2. En règle générale, on considère en biomécanique que des variations inférieures à 5% sont assez peu perceptibles. Au-delà, la variation de contrainte se fait sentir, en particulier sur des sollicitations longues. A près de 20%, on est sur une variation vraiment contraignante sur du long terme.

Une lampe à porte-à-faux optimisé permet donc de diminuer considérablement le ballotement mais aussi la fatigue au niveau du cou sur le long terme. Une lampe plate, légère, avec une répartition avant/arrière de type STOOTS MiniMax permet d'offrir une sollicitation quasi nulle au niveau du cou.



L’INTERFACE AVEC LE CRANE

Une fois les considérations de poids et de sa répartition prises en compte, il reste à régler la question de l’interface avec le crâne. Plus le poids est élevé et plus le porte-à-faux est grand (donc, si vous avez bien suivi, plus le moment lié au poids est grand) et plus l’interface a de l’importance. 

Elle a pour rôle de répartir la charge sur les zones d’appui et de la stabiliser. Et comme toujours en anatomie nous sommes tous très différents. Il y a des fronts plats, des fronts droits, des fronts fuyants, des frontslisses et d’autres ridés, des velus, des suants, des de travers …. La règle est donc simple, il faut éviter les formes exclusives (du type un arrondi avec une courbure bien déterminée) et utiliser des formes « tolérantes ».  Ces formes sont par nature plus confortables pour tout le monde mais un peu moins stables. Elles sont donc parfaitement adaptées à des lampes stables par nature (avec un moment faible). La boucle est bouclée.



LES CHOIX DE STOOTS

Tout cela explique les choix de STOOTS en terme d’ergonomie. Des lampes légères avec un porte-à-faux le plus réduit possible tout en s’appuyant sur un format de batterie offrant le meilleur ratio compacité/masse/capacité.    

La batterie est l'élément qui a la plus forte influence sur le poids final de la lampe. Jusqu'à 80%. Le choix de la batterie est toujours un cruel dilemme entre disposer d'une autonomie maximale et avoir un poids total minimal.


POIDS CAPACITE ET AUTONOMIE

Lorsque la batterie est située sur la têtela question du poids devient primordiale pour que la lampe reste confortable. La performance d'une batterie réside donc principalement dans son rapport poids/quantité d'énergie stockée. La quantité d'énergie stockée, appelée aussi capacité, est mesurée en Wh. Elle correspond à la puissance que la batterie est capable de délivrer pendant 1h. Ainsi une batterie de 10Wh sera capable de fournir 10W pendant 1h ou 1W pendant 10h. Cette puissance est le produit de la tension nominale de la batterie (en V) et de sa capacité (en Ah). La vraie donnée indiquant la capacité de la batterie est donc sa capacité en Wh et non pas en Ah comme indiqué souvent par les fabricants.

En fonction de la technologie utilisée (pile alcaline, pile lithium, batterie NiMh, batterie lithium ...) le rapport poids /capacité est très variable : 70 Wh/kg pour des batteries NiMh, 260 Wh/kg pour des batteries lithium. Plus ce rapport est élevé et plus la batterie est performante : un maximum d'énergie dans un minimum de poids. La technologie lithium est actuellement la plus performante.



FORMAT

Même si les batteries lithium sont difficiles à trouver dans le commerce, il existe quelques formats standards disponibles. Le plus connu est le format 18650 qui ressemble à une grosse pile cylindrique de 18mm de diamètre sur 65mm de long pour un poids d'environ 46 gBien que ses dimensions soient assez difficiles à intégrer dans une lampe frontale compacte et confortable, c’est actuellement le meilleur format de batterie lithium pour cette application. Un poids limité à 46g pour 12 Wh pour les modèles les plus performants, un boitier robuste et disponible un peu partout dans le monde en cas de besoin. Son format cylindrique permet aussi de l’utiliser comme axe de rotation pour orienter le bloc lumineux.



CHARGE, DECHARGE ET AUTO-DECHARGE

Une autre caractéristique importante de la batterie est son taux d'auto-décharge ; Il correspond à la perte d'énergie naturelle de la batterie même sans être utilisée. Les batteries lithium ont un taux d'auto-décharge très faible. Même si elles ne sont pas utilisées pendant 6 mois, elles n'auront perdu qu'une dizaine de % de leur capacité. A l'inverse, les batteries NiMh classiques ont un taux d'auto-décharge très élevé. Elles peuvent être quasiment vides après 2 mois d'inutilisation.

Les batteries lithium présentent aussi l'avantage d'être peu sensibles à la recharge partielle. On peut les mettre à charger sans se poser de question même si elles ne sont que partiellement déchargées. 

En revanche, les batteries lithium nécessitent une charge précise sous peine de détérioration de la batterie voire de destruction. Une charge trop rapide et peu précise peut faire baisser la durée de vie des batteries à une cinquantaine de cycles seulement. Une charge à tension trop élevée peut même entraîner sa destruction totale. Il est donc très important d'utiliser un chargeur dédié conçu pour la batterie en question.

Enfin, la durée de vie d'une batterie lithium en utilisation lampe frontale est d'environ 500 cycles (au-delà, elle aura perdu environ 25% de sa capacité mais restera fonctionnelle). Autant dire que, pour une utilisation normale de lampe, cela permet de nombreuses années d'utilisations. 



TECHNOLOGIE STOOTS

Les lampes STOOTS sont toutes construites autour de la même batterie. Une cellule Lithium-Ion format 18650 d’une capacité de 12 Wh (3400 mAh - 3,7v) pesant 46g.

Elle est couplée à un chargeur spécifique USB de la taille de la batterie. Il est compatible avec tous les ports USB (ordinateur, adaptateur mural 220V, adaptateur allume-cigare, panneau solaire, dynamo de vélo ...). Il adapte automatiquement l'intensité de la charge en fonction de l'intensité disponible au niveau de la prise USB et ce jusqu'à un maximum de 1A. A intensité maximale, la charge prend environ 5 à 6h.

Les batteries peuvent être connectées ultra rapidement et facilement à la lampe en moins de 5 secondes grâce à un système de clipsage. Il n'y a aucun compartiment à ouvrir ou fermer, pas de pièces mobiles potentiellement perdables, pas de connecteur à visser.    

Mixing focus

Le Mixing Focus est une technologie STOOTS de focalisation électronique qui permet d'ajuster la largeur du faisceau en fonction du mode d'éclairage. Pourquoi cette technologie change tout en termes de qualité et performance d’éclairage ? Comment cela fonctionne ? Plus qu'un long discours, voici pour commencer un schéma qui explique son principe :

LE PRINCIPE

La zone de vision utile correspond à la zone dans laquelle on a besoin de voir clair pour la plupart des activités nocturnes. Cette zone correspond à une bande de 4/5m de large dont la longueur dépend de la vitesse de déplacement lors de l'activité pratiquée (15m en course à pied, 50m en vélo, 150m en recherche d'itinéraire en alpinisme ...).

Avec un éclairage classique, dont l'angle d'éclairage est constant, lorsque l'on augmente l'intensité lumineuse, on augmente aussi la largeur de la zone éclairée. De ce fait, la puissance additionnelle est diluée dans des zones où on n'a pas forcément besoin de voir plus (sur les bords). Ceci se fait au détriment de la portée d'éclairage de la lampe frontale.

Avec la focalisation électronique, on vient modifier l'angle du faisceau en fonction des puissances d'éclairage. Plus on éclaire fort, plus le cône d'éclairage est étroit. En paramétrant cela de façon optimale, on conserve un éclairage très confortable (vision proche bien diffuse et lumineuse) tout en augmentant considérablement la portée du faisceau.


LA TECHNOLOGIE

Comment cela fonctionne ? La variation de focalisation est continue et fournit donc un faisceau totalement homogène quelle que soit la puissance d'éclairage. Le système ne consiste pas à opter pour l'un ou l'autre des faisceaux mais bien à mixer harmonieusement un faisceau large et un faisceau étroit pour obtenir un faisceau idéal et homogène pour chaque puissance. A puissance maximale, on aura donc une portée très longue mais aussi un éclairage proche performant.

Pour schématiser, en passant à un mode plus puissant, on se contente de rajouter de la lumière au-delà de la zone éclairée par le mode du dessous. L'intensité lumineuse dans la zone proche reste la même (ce qui est bien puisque cette puissance est suffisante) et on prolonge la zone de luminosité au-delà en restant dans la zone de vision utile.

La lampe est donc dotée de 2 systèmes d'éclairage pilotés de façon totalement indépendante : 2 circuits de leds et 2 systèmes de contrôle. Ceci entraine un surcoût important mais le gain en efficacité est tel que cela en vaut la peine.



SUR LE TERRAIN

Les tests montrent qu'à perception lumineuse égale, on a besoin de quasiment 2 fois moins de lumens qu'avec un faisceau constant. En somme, on multiplie par 2 l'autonomie sans prendre 1g de batterie ni perdre en luminosité. Cela permet aussi d'atteindre des portées d'éclairage beaucoup plus grandes 150m à 1000lm.

Les photos comparatives suivantes montrent l'intérêt de la focalisation électronique. Le système Mixing Focus entre en action dès le second mode (100 lumens) afin d'éviter la déperdition de lumens sur les bords (là où on n'en a pas besoin). Son apport à 500 et 1000 lumens est très important avec un éclairage proche toujours très confortable mais une portée d'éclairage presque 2 fois plus longue que sans le système Mixing Focus.    

LEDs

Les leds sont, avec l'électronique de régulation, le nerf de la guerre pour obtenir un rendement optimal. Leur niveau de performance évolue très vite. Même si les fabricants de leds ont tendance à plafonner en terme de performance pure (aux alentours de 210 lumen/W), ils proposent régulièrement des améliorations importantes en terme de compacité des leds et de qualité de la lumière émise.

STOOTS a donc conçu ses frontales de manière à pouvoir intégrer systématiquement les leds de dernière génération. Par ailleurs, nous produisons nos frontales à la commande afin de garantir l'utilisation des dernières leds mises sur le marché.



GENERALITES

En fonction de l'architecture de la lampe, les leds les plus efficaces ne sont pas forcément les mêmes. Le choix des leds dépend de la puissance lumineuse, de l'angle d'éclairage, de l'encombrement du système optique ... Selon les modèles de lampe, les types de leds utilisés peuvent donc varier. 



PERFORMANCE PURE

Les performances des leds sont définies par plusieurs critères dont les plus intéressants pour les lampes frontales sont les suivants : 

·  Le flux lumineux maximal mesuré en lumens : c'est la quantité de lumière maximale que la led est capable de délivrer sans détérioration. Ce flux lumineux maximal est étroitement lié à la puissance maximale que la led est capable d'encaisser.

·  La puissance maximale mesurée en W (Watt) : c'est la puissance électrique que la led est capable de dissiper sans détérioration. Elle est le produit de la tension de la led et de son intensité d'alimentation.

·  Le rendement lumineux mesuré en lumens/W : c'est la quantité de lumière débitée par la led par unité de puissance électrique consommée. Plus ce rendement est grand, plus la led est performante. Les meilleures leds actuelles délivrent 210 lumens/W. Ce rendement diminue avec la puissance. Par exemple, une même led peut avoir un rendement de 210 lumens/W à 1W et de seulement 140 lumens/W à 3W. Le rendement est aussi altéré par l'augmentation de la température de la led.

Pour obtenir une puissance lumineuse importante avec un rendement maximal, il faut donc choisir des leds ayant un flux lumineux maximal suffisant et les utiliser dans leur plage de fonctionnement idéale, c'est à dire à une puissance faible et à une température la plus basse possible. Les leds utilisées dans les lampes STOOTS sont capables de délivrer jusqu'à 500 lumens chacune (voir 1000 lumens pour certaines). Pourtant, afin d'optimiser leur rendement nous avons choisi d'intégrer plusieurs leds au bloc optique et de les utiliser à 40% maximum de leur capacité seulement (200 lumens maximum par led). A ce niveau, le rendement est proche du rendement maximum et la température du corps de la led reste faible ; ce qui augmente sa durée de vie et améliore encore son rendement. La température est en outre maintenue à un niveau faible grâce au bloc lumineux entièrement en aluminium. Sa géométrie a été étudiée pour maximiser les échanges thermiques avec l'air ambiant nécessaires à son refroidissement.



PERFORMANCE QUALITATIVE
 

Au-delà de la puissance pure, d'autres critères plus qualitatifs ont un rôle très important dans la qualité de l'éclairage des leds :

·  La couleur de l'éclairage mesurée en K (Kelvin) : elle oscille généralement entre 2700 Ket 6500 K. On parle de température de couleur. Plus cette valeur est élevée et plus la lumière est dite froide (blanc très blanc, presque bleuté). Plus la valeur est faible et plus la couleur est chaude (jaune, presque orange pour les valeurs les plus faibles). La couleur de l'éclairage naturel du soleil est d’environ 5000 K. C'est donc avec un éclairage proche de cette valeur que la lumière est la plus agréable et confère un meilleur rendu des couleurs. Malheureusement, techniquement, les leds chaudes ont un moins bon rendement que les leds froides (30% de perte entre 6500 K et 2700 K). Pour cette raison, la plupart des fabricants de lampes utilisent des leds froides qui permettent d'atteindre des puissances d'éclairage plus élevées. En pratique, il est préférable de choisir des lampes ayant une couleur plus chaude (aux alentours de 5000 K). La perte de puissance théorique est largement compensée par la qualité de la lumière et du rendu des couleurs. Aussi, les lumières plus chaudes génèrent moins de phénomènes d'éblouissement en cas de brumes ou de conditions humides.

·  Le rendu des couleurs : la qualité des couleurs restituées par l'éclairage est mesurée par une valeur appelée CRI. Plus sa valeur est proche de 100 et plus le rendu de chacune des couleurs est bon. Plus il s'en éloigne et plus les couleurs seront "délavées". Avec un indice CRI de 60, le rendu est déjà relativement mauvais. La perception est alors proche du monochrome. A l'inverse, des leds ayant un CRI de 90 permettent de très bien discerner chacune des couleurs. En pratique, pour les utilisations de type lampe frontale, une valeur de 80 est déjà très bien. Malheureusement, plus l'indice de rendu des couleurs est élevé et plus le rendement des leds est mauvais. Comme pour la température de couleur, la plupart des fabricants de lampes privilégient la puissance et choisissent des CRI de 60 ou 70.  En pratique un CRI de 75 voire 80 au minimum est à privilégier.

 


TECHNOLOGIE STOOTS

En fonction de ces différents paramètres, STOOTS choisit les leds de ses lampes de manière à optimiser le rendement tout en offrant prioritairement un éclairage agréable.

 

La KISKA 2 est dotée de 2 leds larges de 5000 K de 200 lumens/W et d’une led étroite 5000 K de 180 lumens/W.  Le rendement global est d’environ 240 lumens/W à 200 lumens.

 

L’OPALO 2 est dotée de 7 leds de 5000 K de 175 lumens/W disposées de façon concentrique permettant ainsi de créer un faisceau à focalisation électronique avec une seule optique. Le rendement global obtenu est d’environ 240 lumens/W à 1W.

Le spot est basé sur une led de 6500 K de 150 lumens/W.  Pout le spot, nous avons privilégié une taille minimale de la led plutôt que de chercher à maximiser sa puissance pure. On obtient ainsi un faisceau très étroit et très net avec une portée plus grande que si l’on avait sélectionné une led avec un meilleur rendement mais une source émettrice plus grosse.

 

La MISTI utilise une seule led 5000 K de 180 lumens/W. Le rendement global est donc de 180 lm/W. C’est ce qui explique l’autonomie moindre de la MISTI 2 à puissance égale.

 

Grâce à ces choix technologiques, les lampes STOOTS associent un éclairage confortable à un rendement lumineux pouvant être jusqu'à 2x supérieur aux autres frontales de même catégorie. C'est ce qui explique l'excellent rapport poids/puissance des lampe STOOTS. Avec un meilleur rendement, la batterie peut être plus petite pour une même autonomie. 

Électronique

L'électronique de régulation est, avec les leds, un élément fondamental pour le rendement global de la lampe. L'électronique a pour rôle d'assurer la liaison entre l'énergie disponible dans la batterie et les leds qui vont l'utiliser pour générer un flux lumineux d'intensité variable en fonction des modes d'éclairage choisis.



ELECTRONIQUE REGULEE OU NON REGULEE

Les batteries utilisées pour alimenter les lampes sont basées sur des procédés chimiques qui ne délivrent pas une tension constante au fur et à mesure de leur décharge. Une batterie Lithium, par exemple, délivrera 4.2V à pleine charge alors qu'elle ne sera plus qu'à 3V une fois déchargée. Les leds, elles, délivrent une puissance lumineuse proportionnelle à la tension qui les alimente (par exemple 200 lumens à 3.5V, 100 lumens à 3.2V, 20 lumens à 2.9V ...). Ainsi, si l'on branche directement les leds à la batterie, l'intensité lumineuse va baisser lorsque la batterie va se décharger. Les lampes utilisant ce principe sont dites non régulées. La puissance lumineuse annoncée par le fabricant n'est donc réelle que si la batterie est pleine et ce pendant quelques secondes. La luminosité va ensuite baisser régulièrement en suivant la décharge de la batterie.

Les électroniques régulées permettent d'éviter cette chute de luminosité en maintenant une tension d'alimentation constante pour les leds, quel que soit le niveau de charge de la batterie. Ainsi, une lampe annoncée à 200 lumens pourra fournir ces 200 lumens durant tout son cycle de fonctionnement. 

En pratique, une bonne partie des lampes régulées ne le sont que partiellement. La régulation est active sur la première moitié de la batterie, puis non régulée sur la deuxième moitié. Ceci est lié au type d'électronique utilisé qui ne permet pas de réguler sur l'ensemble de la plage d'utilisation de la batterie.




PROCEDES DE REGULATION

Il existe plusieurs façons de moduler la puissance d'éclairage mais leurs rendements sont variables.

La technologie historiquement la plus répandue est la régulation linéaire. Cette technique consiste à maintenir un courant d'alimentation constant pour les leds en dissipant la différence de tension entre la batterie et les leds en chaleur. Ainsi lorsque la batterie est à 4V et que la led nécessite 3V, les 1V de différence sont transformés en chaleur. Cette technique est précise et efficace mais gaspille de l'énergie. Toute l'énergie perdue en chaleur pure est effectivement perdue, ce qui altère le rendement global de la lampe. Les lampes utilisant cette technique ont au mieux un rendement de 65 ou 70%. Par ailleurs, les électroniques linéaires perdent souvent leur capacité de régulation à partir d'un certain niveau de décharge de la batterie. En effet, lorsque la tension de la batterie n'est plus que de 3V et que la led doit être alimentée à 3.5V, l'électronique est incapable de fournir cette tension et se limite à fournir 3V (voire un peu moins en réalité car elle consomme elle même un peu de cette tension). Elle ne régule donc plus l'intensité lumineuse.

La technologie actuelle la plus performante est le PWM (Pulse With Modulation). Elle consiste à alimenter la led par intermittence. En pratique, les leds ne sont pas alimentées en continu mais clignotent à une fréquence élevée. Le clignotement est suffisamment rapide pour ne pas être perçu par l’œil. On fait alors varier l'intensité lumineuse en diminuant ou en augmentant la durée d'allumage de la led à chaque clignotement. Grâce à cette technique, on obtient un rendement électronique pouvant atteindre 90% lorsque l'écart entre la tension de la batterie et celui des leds est idéal. En pratique, le rendement moyen de la plupart des lampes utilisant cette technique est plutôt aux alentours de 75% car, tout comme pour la régulation linéaire, lorsque la tension de la batterie se rapproche de la tension des leds (du fait de la décharge), le régulateur ne fonctionne plus idéalement. Son rendement chute alors et sa régulation n'est plus parfaite. C'est le cas des régulateurs PWM dit Buck dont le rôle consiste à abaisser la tension de la batterie pour atteindre celui des leds.

Les régulateurs PWM Boost permettent de résoudre ce problème à condition d'utiliser plusieurs leds. Dans ce cas, le régulateur élève la tension de la batterie (comprise entre 3 et 4.2V selon la charge) pour atteindre la tension des leds en série (environ 6V pour 2 leds, 9V pour 3 leds ...). De ce fait, même lorsque la tension de batterie décroît, le régulateur fonctionne toujours dans sa plage de fonctionnement idéale et son rendement est de 85% sur toute la plage de fonctionnement. Cette technologie est rarement utilisée car généralement plus coûteuse pour le fabricant.

Enfin, en combinant astucieusement différentes technologies, on peut atteindre un rendement de 92%. Mais là c'est secret :-)

 

INTERFACE UTILISATEUR

L'électronique apporte la puissance électrique mais joue aussi le rôle d'interface avec l'utilisateur pour accéder aux différentes fonctions de la lampe et lui apporter un certain nombre d'informations. Ce rôle est assuré par un microcontrôleur. Il permet de programmer différents modes de fonctionnement. Il contient l'intelligence de l'électronique. C'est lui qui traduit les actions effectuées par l'utilisateur avec le bouton de commande en ordre d'allumage des leds. Il permet aussi, selon sa complexité, de mesurer différentes informations d'état de la lampe (niveau de décharge de la batterie, température du bloc lumineux, luminosité ambiante ...) afin de modifier son comportement ou de donner des informations à l'utilisateur.

 


TECHNOLOGIE STOOTS

Les lampes STOOTS embarquent des électroniques régulées PWM à haut rendement (92%) sur toute leur plage de fonctionnement. Ceci permet de maximiser l'autonomie et de limiter le poids et la taille de la batterie. Le microcontrôleur mesure en continu l'état de la batterie afin de fournir des alertes de fin de batterie lors de l'utilisation. Il assure par ailleurs le pilotage de la lampe à partir du bouton de commande. Enfin, l'ensemble de l'électronique a été optimisé en terme d'encombrement pour offrir un maximum de fonctions et de puissance dans de tout petits boitiers.

Bloc lumineux