LED » La diode électroluminescente en bref
Mise à jour le 25.05.2022 | Durée de lecture : 9 minutes
Le terme LED est l'abréviation de Light Emitting Diode, ce qui signifie diode électroluminescente. À l'origine, les LED ou diodes électroluminescentes étaient utilisées comme indicateurs optiques LED dans les appareils ou les circuits et elles n'existaient qu'en rouge, vert et jaune. Mais depuis, il existe également des LED bleues et blanches. En outre, la puissance lumineuse des LED a été augmentée au point que les LED font office de sources lumineuses efficaces, par exemple dans les projecteurs à LED ou les lampes de poche. C'est pourquoi nous rencontrons des LED partout : qu'il s'agisse de feux de signalisation, d'écrans ou de l'éclairage LED moderne de locaux privés ou professionnels. Grâce à leur longue durée de vie, à leur petite taille et à leurs formes et spectres de couleurs variés, les ampoules LED ont rapidement remplacé les ampoules à incandescence, halogènes et basse consommation. Mais derrière chaque LED se cache toute une technologie intelligente que nous vous expliquons volontiers ci-dessous.
Une LED fait partie des composants à semi-conducteurs du groupe III/V. Cela signifie qu'elle est composée de matériaux appartenant au troisième et au cinquième groupe du tableau périodique. Les matériaux semi-conducteurs utilisés forment une diode qui ne permet au courant (I) de circuler que dans une seule direction. Dans le cas d'une LED, le courant part de l'anode et se dirige vers la puce LED. Le cœur d'une LED est le cristal semi-conducteur qui se trouve dans une cuve de réflecteur.
La structure d'une diode électroluminescente peut être facilement expliquée à l'aide de l'exemple d'une LED câblée.
Structure d'une diode luminescente à l'exemple d'une LED câblée.
(1) Le cristal semi-conducteur (également appelé puce LED) est le cœur de la LED et produit de la lumière grâce à des processus physiques.
(2) La cuve du réflecteur, dans laquelle la puce LED est intégrée, augmente à la fois le rendement et l'efficacité lumineuse.
(3) La cathode (-) est connectée à la cuve du réflecteur.
(4) Par l'anode (+) passe le courant en direction du cristal semi-conducteur.
(5) Un fil fin (fil de liaison) relie la puce LED à l'anode.
(6) Une lentille en plastique entoure la structure et influence l'angle de rayonnement et le rendement lumineux. Selon l'utilisation prévue, elle peut être ovale, triangulaire, bombée ou aplatie.
Le symbole de commutation (illustration de droite) illustre le flux de courant de l'anode vers la cathode et les ondes lumineuses qui en résultent (flèches). Pour qu'une LED fonctionne dans un circuit, elle doit être installée avec la bonne polarité. Pour que la LED soit correctement insérée, le fil de raccordement de l'anode est en général un peu plus long.
Structure de la puce LED :
En vert : la couche dopée négativement d'un matériau semi-conducteur (couche n)..
En bleu : la couche dopée positivement d'un matériau semi-conducteur (couche p).
Des ondes lumineuses sortent de la couche p.
D'ailleurs : lors d'un dopage, le cristal semi-conducteur est « contaminé » de manière ciblée par des atomes étrangers afin de modifier sa conductivité. Il en résulte un excès d'électrons dans la couche p et un manque d'électrons (trous d'électrons) dans la couche n. C'est la base des processus qui conduisent à la production de lumière.
Comme nous l'avons déjà montré, il y a deux couches de matériaux semi-conducteurs sur le cristal semi-conducteur. Une couche dopée n possède un excédent d'électrons, une deuxième couche dopée p, plus fine, possède trop d'électrons défectueux, également appelés trous d'électrons. Si une tension est appliquée aux deux couches dans le sens du flux de la LED, les électrons excédentaires se déplacent en direction de la couche p. Dans la couche dite de barrage, ils rencontrent les trous d'électrons. C'est là que les électrons qui ont migré et les trous d'électrons commencent à se recombiner. Cela signifie que les deux porteurs de charge se réunissent. Ainsi, la recombinaison représente le processus inverse de l'ionisation.
Contrairement à l'ionisation, qui nécessite de l'énergie, la recombinaison libère de l'énergie qui est émise sous forme d'éclairs de lumière (photons) à travers la fine couche p. L'énergie est ensuite transmise à l'extérieur de la LED. La puce LED transmet ces éclairs de lumière vers l'extérieur, les faces intérieures de la cuve du réflecteur amplifiant la lumière qui en sort. Ce processus se poursuit en continu tant que des électrons libres sont apportés par la source de tension. Outre les éclairs de lumière, une petite quantité de chaleur est également générée pendant la recombinaison.
La couleur de la lumière de la diode électroluminescente LED dépend des dopages des couches ainsi que des matériaux semi-conducteurs utilisés. Ces différentes combinaisons présentent des niveaux d'énergie différents. Pendant la recombinaison des électrons, des photons avec différentes quantités d'énergie sont libérés. Ceux-ci déterminent la couleur de la lumière ou la longueur d'onde de la lumière visible.
Par exemple, la lumière bleue à ondes courtes est produite avec une grande quantité d'énergie et la lumière rouge à ondes longues avec une faible quantité d'énergie. Il existe aujourd'hui de nombreux systèmes de matériaux adaptés, de sorte que les diodes électroluminescentes peuvent reproduire presque toutes les couleurs de manière monochromatique (une seule couleur).
Les substances suivantes sont souvent utilisées pour créer les couleurs correspondantes :
Arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs) : Rouge avec une longueur d'onde de 650 à 750 nm
Phospho-arséniure de gallium Phosphure d'arséniure de gallium (GaAsP) : jaune avec une longueur d'onde de 575 à 585 nm
Phosphure de gallium (GaP) : vert avec une longueur d'onde de 490 à 575 nm
Nitrure de gallium-indium (InGaN) : bleu avec une longueur d'onde de 420 à 490 nm.
Outre les couleurs indiquées comme le rouge, le vert, le jaune ou le bleu, il existe également des LED qui fonctionnent avec une lumière infrarouge non visible. Ces LED IR se trouvent dans les télécommandes des téléviseurs, des lecteurs DVD ou des récepteurs SAT. Mais à l'autre extrémité de la plage visible, il existe aussi des LED qui fonctionnent dans la plage UV. Les LED IR et UV sont également utilisées en partie dans les barrières lumineuses afin de minimiser les perturbations dues à la lumière visible.
Notre conseil pratique : contrôler les télécommandes par IR
Si la télécommande de votre téléviseur ne fonctionne pas malgré des piles neuves, vous pouvez facilement vérifier si la LED IR de la télécommande émet des signaux lumineux. Pour cela, il suffit d'appuyer sur une touche de la télécommande tout en regardant la LED IR. Mais comme l'œil humain ne peut pas détecter les signaux lumineux infrarouges, on utilise en plus la caméra d'un smartphone. En règle générale, les caméras ne fonctionnent pas uniquement avec la lumière dans la plage de fréquences visible. Parfois, les caméras peuvent également détecter la lumière dans la plage IR, ce qui rend les signaux lumineux de la LED IR bien visibles sur l'écran du smartphone. Pour faire un test, il suffit de scanner une télécommande qui fonctionne avec la caméra du smartphone.
Création de la lumière blanche LED
Il est nécessaire de produire une lumière blanche, en particulier à des fins d'éclairage. Pour atteindre cet objectif, deux procédés différents sont utilisés :
Mélange additif de couleurs
Tout comme un prisme divise la lumière blanche en ses différentes couleurs spectrales, ce processus peut également être utilisé à l'envers. Pour ce faire, on combine des LED de différentes couleurs. La superposition des trois couleurs primaires rouge, bleu et vert produit de la lumière blanche. Le rouge et le vert donnent du jaune, le rouge et le bleu donnent du magenta et le vert et le bleu donnent du cyan.
À l'intérieur d'une diode électroluminescente multicolore se trouvent donc trois cristaux semi-conducteurs qui produisent chacun l'une des trois couleurs primaires. Ces LED sont également appelées LED RVB. On trouve des LED RGB dans les bandes LED avec fonction de changement de couleur. En effet, grâce à des couleurs primaires d'intensité différente, il est possible de créer une variété de couleurs apparemment illimitée.
Luminescence
Une diode électroluminescente bleue est recouverte d'une fine couche de phosphore à l'intérieur. Une partie des ondes lumineuses bleues, riches en énergie, stimulent le phosphore à briller, ce qui entraîne l'émission d'une lumière jaune, plus pauvre en énergie. Le mélange de la lumière jaune et de la lumière bleue produit une lumière blanche pour l'œil humain.
Structure d'une puce LED avec la technologie de luminescence
1. Cristal semiconducteur
2. Couche de phosphore jaune
3. Lumière blanche
4. Couche de conversation
5. Lumière bleue
Selon l'épaisseur de la couche de phosphore de la diode électroluminescente blanche se produit une lumière à des nuances de jaune plus ou moins fortes (lumière blanc chaud).
La combinaison avec les ondes lumineuses bleues donne une lumière jaune ou bleue, qui paraît plus chaude ou plus froide. La « coloration » de la lumière blanche est indiquée par la température de couleur en kelvins.
Parfois, les LED RGB sont encore complétées par des LED blanches pour former des LED RGBW, afin de produire non seulement une lumière colorée, mais aussi une lumière blanche optimale.
Comme elles peuvent être utilisées dans de nombreux domaines, différents types de LED sont nécessaires. Actuellement, les LED câblées, les LED SMD et les LED COB font partie des standards.
LED câblée
La diode câblée fut la première forme présente sur le marché et est facile à souder pour les techniciens amateurs. On les trouve par exemple dans les interrupteurs des appareils électriques.
LED SMD
On trouve souvent des LED SMD dans l'industrie mais, à présent, elles sont également utilisées chez les particuliers. Elle doit son nom de SMD (Surface Mounted Device) à son mode de fixation, car elle peut être soudée sur un circuit imprimé. Sa forme de construction la rend plus plate, plus petite et donc plus polyvalente qu'une LED câblée par exemple. C'est pourquoi les bandes LED sont également équipées de LED SMD, car il est facile de regrouper un grand nombre de ce type de construction.
1. Carte de circuits imprimés
2. Dissipateurs thermiques
3. Couche de phopshore
4. Optique
5. Puce LED
6. Fil Bond
LED COB
Une troisième variante est la LED COB (Chip On Board), qui doit être soudée directement sur les platines. Un ou deux fils d'or relient les connexions de la puce à la platine. Cette LED est considérée comme puissante et convient aux modules LED étroitement chargés. Ceux-ci se trouvent par exemple dans les tubes LED. Contrairement à la LED câblée et à la LED SMD, qui sont déjà encapsulées, une lentille époxy doit être collée sur la diode électroluminescente d'une LED COB. L'avantage : cette lentille permet de moduler l'angle de rayonnement de la lumière de manière flexible. De plus, la platine sert en même temps au refroidissement. Il est recommandé d'appliquer de la colle thermoconductrice sur la platine afin de fixer la diode électroluminescente et de dissiper encore mieux la chaleur.
1. Carte de circuits imprimés, qui sert également au refroidissement
2. Fil Bond
3. Lentille époxy
4. Couche de phosphore
5. Cristal semiconducteur
LED HighPower
De nombreux fabricants de LED appellent certains de leurs produits LED HighPower. C'est notamment le cas lorsqu'il s'agit de produire une lumière très claire sur une petite surface, par exemple pour les lampes de poche ou les projecteurs. Il convient toutefois de noter qu'il n'existe pas de définition officielle d'une LED HighPower. C'est pourquoi les indications de lumens, de watts et d'ampères varient fortement pour ce groupe.
Les LED ne sont pas conçues pour des tensions élevées. La tension à laquelle une diode doit être alimentée dépend également de sa couleur :
Les LED IR ont une tension de service comprise entre 1,2 et 1,8 V
Les LED rouges ont une tension de service comprise entre 1,6 et 2,2 V
Les LED vertes ou jaunes ont une tension de service comprise entre 1,9 et 2,5 V
Les LED bleues ou blanches ont une tension de service comprise entre 2,7 et 3,5 V
Les LED UV ont une tension de service comprise entre 3,1 et 4,5 V
Les valeurs exactes de la tension et du courant doivent être consultées dans la documentation technique de la diode.
Calculer la résistance en série avec la LED
Par exemple, si une LED standard câblée doit fonctionner à 2,2 V et 20 mA sur 12 V, la tension et l'intensité doivent être limitées par une résistance en série.
La résistance doit être conçue de manière à ce qu'une tension de 9,8 V (12 V - 2,2 V) y soit appliquée lorsqu'un courant de 20 mA y circule. La résistance peut être calculée selon la loi d'Ohm R = U : I (9,8 V : 0,02 A = 490 Ω). Selon la série de résistances, on utilise alors dans la pratique une résistance de 510 Ω ou 560 Ω.
Choisir un ballast ou un driver de LED
En revanche, pour les LED haute puissance super lumineuses, les fabricants indiquent non seulement la plage de tension mais aussi le courant de service concret. Dans ce cas, il faut utiliser des drivers de LED ou des ballasts spéciaux qui fournissent exactement ce courant.
Important : La puissance totale de toutes les LED connectées ne doit pas dépasser la puissance du ballast.
Il convient de prêter une attention particulière à la température des LED, surtout si vous souhaitez installer des diodes électroluminescentes puissantes, car les LED sont très sensibles à un dégagement de chaleur trop important.
Si une diode électroluminescente ne fonctionne plus, il est rare que cela soit directement dû à un cristal semi-conducteur défectueux. C'est plutôt souvent dû à une température trop élevée, résultant d'un courant de fonctionnement trop important ou à un traitement défectueux. La chaleur générée détruit par exemple la construction complexe à l'intérieur du cristal semi-conducteur.
Cela semble surprenant. En effet, quiconque touche une diode électroluminescente allumée ressentira un très faible dégagement de chaleur. Cela s'explique par le fait que la technologie LED produit peu de chaleur perdue, car la lumière est produite par l'émission de photons. À titre de comparaison, une ampoule à incandescence produit et émet beaucoup de chaleur, car la lumière est produite par l'échauffement d'un matériau.
Mais même si cela est à peine perceptible à l'extérieur : À l'intérieur d'une diode électroluminescente, la température augmente parce qu'une petite quantité de chaleur est générée en tant que sous-produit. Cela survient par exemple en raison d'un passage de courant trop élevé dû à une résistance en série trop petite ou à une mauvaise conception de la commutation.
Plus l'environnement de fonctionnement est froid, mieux c'est pour une LED en termes de fonctionnement et de durée de vie. Une température ambiante trop chaude peut réduire considérablement la durée de vie des ampoules. Selon le type, il existe différents moyens de refroidissement. En règle générale, la chaleur est évacuée par un autre matériau comme l'aluminium ou la céramique. Les culots des ampoules LED, par exemple, sont constitués de l'un de ces deux matériaux. Dans le cas des LED SMD, la puce forme une unité avec le dissipateur thermique.
Avantages des diodes luminescentes
Rentabilité
Faible consommation d'énergie grâce à un rendement élevé, donc un éclairage plus lumineux pour une consommation d'électricité moindre. Cela se voit au faible nombre de watts par rapport aux ampoules traditionnelles.
Longue durée de vie : En fonction des matériaux semi-conducteurs et des conditions de fonctionnement, une LED dure généralement entre 15'000 et 50'000 heures.
Cela correspond à une durée de vie de 14 à 45 ans pour une utilisation de 3 heures par jour.
Design
Petite taille, ce qui permet par exemple de réduire les coûts de livraison.
Grande flexibilité grâce à la diversité des formes, par exemple, ils s'adaptent aux luminaires traditionnels.
Grâce aux types et à la diversité des couleurs ainsi qu'à leur capacité de variation, les diodes électroluminescentes peuvent être utilisées dans de nombreux domaines différents. Non seulement dans les luminaires, mais aussi comme rétroéclairage des écrans LC, comme LED infrarouge dans les barrières lumineuses, dans l'optoélectronique ou dans les installations de signalisation.
Technologie
Sécurité en raison de la faible tension.
Résistance aux chocs et aux vibrations.
Faible délai d'activation.
Peu de temps d'arrêt.
Pratiquement pas d'entretien pendant toute la durée d'utilisation.
Respect de l'environnement
Les LED ne contiennent aucune substance toxique.
Les LED se distinguent donc par leur très grande compatibilité avec l'environnement.
Inconvénients des diodes luminescentes
Rentabilité
Coût d'acquisition élevé
Technologie
En cas d'utilisation dans des pièces où l'humidité est importante, comme la salle de bain ou la cuisine, les composants des luminaires à LED peuvent se corroder.
La LED peut ainsi tomber en panne. Les pièces métalliques, les raccords et les composants électroniques sont particulièrement sensibles.
Lors de l'achat, veillez à ce que la LED soit conforme à la norme IP afin d'éviter la corrosion.
Respect de l'environnement
Des terres rares sont nécessaires.
Elimination dans des centres de tri des déchets, pas dans les ordures ménagères.
Dans de nombreux luminaires à LED, les ampoules sont fixes. Cela signifie qu'ils doivent être entièrement jetés dès que l'ampoule est défectueuse.
Le terme OLED ou diodes électroluminescentes organiques est souvent associé aux écrans ou téléviseurs. En principe, une LED organique fonctionne comme une LED traditionnelle, à la différence près qu'une structure composée d'un ou de plusieurs films organiques se trouve entre les électrodes.
Structure d'une puce OLED
1. Lumière émise
2. Anode transparente
3. Couche de conduction perforée
4. Couche luminescente en polymère organique
5. Cathode
6. Raccordement électrique
Lorsqu'une tension est appliquée, les porteurs de charge se recombinent dans la couche organique et émettent ainsi la lumière à travers l'anode transparente.
Contrairement aux écrans LCD, qui nécessitent obligatoirement un rétroéclairage, les écrans à LED organiques s'allument automatiquement. Si les LED ne sont pas activées, elles restent simplement sombres, ce qui permet d'afficher parfaitement les zones noires d'une image. Comme il n'y a pas de rétroéclairage, il n'y a pas non plus d'effet de transparence gênant pour la couleur noire.
LEDs & accessoires
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