Technologie LED - LED Know-how

Technologie LED
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Technologie LED
Une diode électroluminescente (LED), de l’anglais light-emitting diode, diode émettrice
de lumière, est un composant semi-conducteur photoémissif dont les caractéristiques
électriques correspondent à celles d’une diode. Si un courant électrique traverse la
diode dans le sens du passage, elle émet de la lumière, du rayonnement infrarouge et
même ultraviolet à une longueur d’onde dépendant du matériau semi-conducteur et du
dopage.
Le cristal semi-conducteur de nombreuses diodes luminescentes est soudé dans un
support métallique au fond d’une cavité conique. Les faces intérieures de la cavité
réfléchissent la lumière sortant des côtés du cristal. La soudure constitue un des deux
raccords électriques du cristal. En même temps, elle absorbe la chaleur évacuée du fait
que le cristal semi-conducteur ne transforme en lumière qu’une partie de la puissance
électrique. Le support avec le réflecteur est, sur les diodes luminescentes à fil, un fil à
section rectangulaire servant de raccord électrique. Contrairement à la pratique
courante avec les composants électroniques, le fil de raccordement n’est pas en cuivre
étamé mais en acier étamé. La conductivité thermique de l’acier est relativement faible,
ce qui fait que le cristal n’est pas détruit par un échauffement excessif lorsque le
composant est soudé sur une platine de circuits imprimés.
La
face supérieure du cristal n’est reliée au second fil de raccordement en acier que par un mince
fil de bonding afin que le raccordement ne couvre qu’une très faible partie de la surface
d’émission de lumière.
La cathode (-) est marquée par un chanfrein à la coupe du socle du boîtier. Sur les
diodes luminescente neuves, le raccord de cathode est en outre plus court (aide
mémoire: cathode = court = chanfrein). Sur la plupart des diodes luminescentes, le
réflecteur est la cathode, si bien que l’on peut se souvenir que le sens technique du
courant est «indiqué» par la flèche que l’anode (+) constitue par sa forme. Dans de
rares cas, la construction est inverse.
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Les diodes luminescentes à haute puissance (H-LED) sont alimentées par des courants
supérieurs à 20 milliampères. L’évacuation de chaleur pose des exigences particulières
qui se traduisent par des formes spéciales de construction. La chaleur peut être
évacuée par les fils d’alimentation, le réflecteur ou des conducteurs thermiques intégrés
au corps de la diode.
Une autre possibilité consiste à souder la puce de diode sur la platine par bondage
direct (COB, chip on board) puis à l’enrober de masse de silicone. Cette construction
est appliquée dans les affichages LED à très nombreuses diodes luminescentes. Ces
sources lumineuses sont appelées dans le commerce spécialisé «COB-LED».
Les diodes luminescentes à plusieurs couleurs se composent de plusieurs diodes (deux
ou trois) dans un boîtier. La plupart du temps, elles ont une anode et une cathode
communes ainsi qu’un raccord pour chaque couleur. En exécution à deux raccords,
deux puces sont montées en antiparallèle. Suivant la polarité, l’une ou l’autre des
diodes s’allume. Par variation du rapport d’impulsions d’un courant alternatif approprié,
on peut réaliser une variation de couleur pratiquement continue.
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d’une diode luminescente correspond à celui d’une diode
semi-conductrice pn; les propriétés fondamentales sont donc les mêmes. Une grande
différence réside dans le matériau semi-conducteur utilisé. Tandis que les diodes non
luminescentes sont fabriquées en silicium, moins souvent en germanium ou en
sélénium, le matériau de base des diodes luminescentes est un semi-conducteur direct,
généralement un alliage de gallium comme semi-conducteur à liaison III-V. Un tel semiconducteur à liaison III-V se compose d’une combinaison de matériaux du groupe
chimique principal III (métaux de terre rare et de bore) et V (groupe azote-phosphore)
dont la combinaison présente la conductivité électrique des semi-conducteurs. Les
semi-conducteurs de liaison III-V revêtent donc une grande importance dans les
applications techniques de la technologie des semi-conducteurs. Ces semi-conducteurs
III-V permettent de générer de la lumière à très faible longueur d’onde (dans le domaine
UV) avec des diodes laser ou LED (applications: diode luminescente blanche, BLURAY-Disc, HD-DVD). Inversement, le matériau convient également à la fabrication de
cellules solaires à très haut rendement (plus de 40%).
Si une tension est appliquée à une diode semi-conductrice dans le sens du passage,
les électrons passent du côté dopé n, à la jonction p-n. Après le passage vers le côté
dopé p, l’électron passa à la plage de valence plus avantageuse du point de vue
énergétique. Cette transition est appelée recombinaison car on peut l’interpréter comme
la rencontre d’un électron dans la plage conductrice avec un électron de défaut (trou).
L’énergie libérée lors de la recombinaison peut être fournie dans un semi-conducteur
direct sous forme de lumière (photon).
Couleurs et technologie
Un choix judicieux des matériaux semi-conducteurs et du dopage permet de faire varier
les propriétés de la lumière produite. Il est surtout possible d’influencer la plage
spectrale et l’efficacité:
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Arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) – rouge (665 nm) et infrarouge jusqu’à
1000 nm de longueur d’onde
Phosphure d’arséniure de gallium (GaAsP) et phosphure d’aluminium-indiumgallium (AlInGaP) – rouge, orange et jaune
Phosphure de gallium (GaP) – vert
Carbure de silicium (SiC) – première LED bleue commerciale; faible efficacité
Séléniure de zinc (ZnSe) – émetteur bleu qui n’a cependant jamais atteint la
maturité commerciale
Nitrure d’indium-gallium (InGaN)/nitrure de gallium (GaN) – ultraviolet, violet,
bleu et vert
Les LED blanches sont généralement des LED bleues avec une couche de
luminescence placée en avant servant de convertisseur de longueur d’onde (voir
le chapitre sur les LED blanches)
Divers procédés d’épitaxie sont employés dans la fabrication des semi-conducteurs
LED.
La couleur de diodes luminescentes dépend dans une large mesure de la largeur de
bande du matériau semi-conducteur utilisé. La couleur correspond directement à une
longueur d’onde donnée λ soit à l’inverse de la fréquence du rayonnement
électromagnétique émis.
Caractéristique spectrale
Contrairement aux lampes à incandescence, les diodes luminescentes ne sont pas des
radiateurs de chaleur. Elles émettent de la lumière dans une plage spectrale limitée, la
lumière est pratiquement monochromatique. C’est pourquoi elles sont particulièrement
efficaces dans la signalisation en comparaison d’autres sources lumineuses avec
lesquelles des filtres absorbent la plus grande partie du spectre afin d’obtenir une
caractéristique monochromatique. Pour les diodes luminescentes destinées à
l’éclairage général, des diodes bleues sont généralement combinées à des substances
fluorescentes. Outre le large spectre de la matière luminescente, elles possèdent une
part de bleu à bande plus étroite (voir également le chapitre sur les sources lumineuses
LED).
Il n’a longtemps pas été possible de fabriquer des diodes luminescentes pour toutes les
couleurs du spectre visible. Il n’était pas non plus possible d’utiliser des diodes vertes
dans la signalisation routière étant donné que la technologie ne permettait pas le bleuvert exigé. Le développement de premières diodes luminescentes bleu-vert est dû aux
travaux d’Isamu Akasaki en 1989, sur base du nitrure de gallium. La production en
masse de diodes luminescentes bleu-vert, puis de diodes bleues a commencé en 1993.
Caractéristiques électriques
Les diodes luminescentes ont une courbe caractéristique courant-tension croissante de
manière exponentielle et dépendante entre autres choses de la température. Le flux
lumineux est pratiquement proportionnel au courant de service. La tension directe
(tension aux bornes de la diode à par exemple 1/20 du courant maximum) intervient en
service à courant constant, dépend de la température et il y a des écarts entre les
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exemplaires – elle baisse à mesure que la température augmente comme c’est le cas
de toutes les diodes à semi-conducteur. L’alimentation par une source à courant
constant (généralement réalisée de manière approchée par une résistance en série) est
donc importante pour une intensité lumineuse définie. L’alimentation directe depuis une
source de tension est très risquée étant donné que le point de travail ne peur être réglé
avec une précision suffisante par la tension pour le courant voulu par suite des
tolérances de fabrication et de la dépendance de la température. Certains luminaires à
batterie alimentent les diodes directement sur des sources primaires – on compte ici sur
une résistance interne suffisamment élevée des batteries jointes en acceptant des
tolérances de fabrication (voir également le chapitre exploitation, raccordement et
élimination).
Au cours de l’évolution, le rendement lumineux a été augmenté par optimisation des
matériaux semi-conducteurs et de la géométrie du cristal. A partir des années 1990,
cela a permis d’alimenter des LED par un courant très faible (low-current LED) tout en
obtenant une clarté suffisante. La consommation maximale admissible des LED va de 2
mA (par exemple avec les LED montées en surface CMS ou low-current LED
miniaturisées) en passant par 20 mA (LED standard) et jusqu’à 18 A (état de juin 2008)
pour les LED à haute puissance. La tension de passage Uf (anglais forward voltage)
dépend du matériau semi-conducteur qui détermine à son tour la couleur de lumière.
Voici des points de référence pour la chute de tension:
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•
LED infrarouge: typ. 1,3 V (1,2 - 1,8)
Rouge: 1,6 - 2,2 V
Jaune, vert: 1,9 - 2.5 V
Bleu, UV, blanc: typ. 3.4 V (3 - 4 V).
La tension de blocage maximale admissible n’est généralement que de 5 volts.
Propriétés optiques
Les diodes luminescentes sont généralement encapsulées dans des polymères. Pour
les LED à forte intensité lumineuse, on emploie également des boîtiers en verre ou en
métal. Les boîtiers métalliques, la plupart du temps en aluminium, servent à évacuer la
chaleur. Le corps en matière synthétique est souvent formé comme lentille et posé audessus du cristal. Il réduit l’angle limite de la réflexion totale et concentre le
rayonnement sur un angle spatial plus petit et déterminable. Etant donné que le verre a
en général un indice de réfraction plus élevé que la matière plastique et la résine
synthétique, l’utilisation de lentilles en verre permet de concentrer encore davantage le
rayonnement de la LED. Le verre non traité antireflets a cependant des pertes par
réflexion plus élevées d’environ 10% également du fait qu’il ne touche pas directement
le cristal.
Un paramètre important d’une LED est l’angle d’ouverture
.
Etant donné que l’angle d’ouverture est limité, une LED ne rayonne, contrairement à
une lampe à incandescence, que sur une surface partielle (par rapport à la surface
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d’une sphère autour de la source de rayonnement placée au centre). Pour des
éclairages à 360° à diodes luminescentes, il faut plusieurs diodes. Afin de déterminer le
nombre de diodes nécessaires, on peut avoir recours à l’équation suivante dérivée de la
calotte de sphère.
désigne l’angle d’ouverture de la LED.
LED
Exemple: afin de réaliser une lampe forte à 360° au moyen de diodes luminescentes
(paramètres: angle d’ouverture 55°, consommation 3,15 W et 160 lm = 50 lm/W (lumen
par watt), il faut 18 diodes luminescentes (une LED à angle d’ouverture de 55° couvre à
peu près un dix-huitième
huitième d’une sphère).
sphère). Pour une disposition correspondante des LED
(par exemple sur une sphère en grillage), on obtient ainsi un corps lumineux de 2880
lm, avec une consommation de 54 W. Ce flux lumineux est comparable à celui d’une
lampe à incandescence de 300 W.
W
Vieillissement
On entend par durée de vie (dégradation de lumière) d’une LED le temps après lequel
le rendement lumineux est tombé à 70% de la valeur initiale (valeur L70B50); quelques
sources Internet parlent également de la fin de vie à 50% de la clarté initiale.
Les diodes luminescentes faiblissent peu à peu mais ne tombent généralement pas
brusquement en panne. Le vieillissement est pratiquement linéaire. La durée de vie
dépend du matériau semi-conducteur
conducteur utilisé, des conditions d’utilisation (chaleur,
courant) et des changements individuellement tolérables de température de couleur des
substances fluorescentes (les LED blanches ont une tendance bleutée). Les
températures élevées (dues généralement à des courants élevés) abrègent
considérablement la durée
e de vie des LED. La durée de vie indiquée va de quelques
heures pour les LED 5 W plus anciennes à plus de 100'000 heures (11,4 ans) pour les
LED utilisées sous des courants faibles. Les LED actuelles de haute puissance sont
généralement exploitées, pour obtenir
obtenir un rendement lumineux maximum, à des points
de travail pour lesquels leur durée de vie est de 15'000 à 30'000 heures. De bons
fabricants de luminaires LED atteignent cependant des valeurs nettement meilleures
grâce à une conception optimale de leurs systèmes et garantissent jusqu’à 100'000
heures de service exempt d’entretien. Ceci est obtenu par une sélection coûteuse de
tous les composants (aussi bien des LED que des composants du circuit d’attaque).
Les sources lumineuses LED en forme de lampe à incandescence
incandescence disponibles dans le
commerce sont données pour plus de 25'000 heures jusqu’à 45'000 heures. Des
charges thermiques trop élevées dues à la forme de conception font que cette durée de
vie n’est atteinte qu’avec de fortes réductions de clarté. Des
Des systèmes complets
développés de manière conséquente comme luminaires LED offrent des alternatives.
Le vieillissement des LED est surtout provoqué par l’agrandissement des défauts dans
le cristal, dû à des influences thermiques. Ces zones ne participent plus à la production
de lumière. Il y a des transitions sans rayonnement. Dans le cas des LED GaN dans la
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plage du bleu et de l’ultraviolet, on constate également un vieillissement des boîtiers en
matière synthétique par la lumière à onde courte, donnant une lumière troublée. Sur ces
LED et sur les LED blanches à haute puissance, la partie transparente du boîtier est
quelquefois faite de silicone-caoutchouc, permettant d’atteindre une durée de vie de
100'000 heures. La solution est une construction thermiquement optimisée, dont on ne
tient souvent pas compte. Cela entraîne des défaillances totales.
Ces mauvais fonctionnements sont désignés par le terme anglais de Mortality (B) ou
appelés défaillance totale. Si la fiche technique d’une LED indique par exemple B50 à
100'000h, cela veut dire que 50% de toutes les lampes sous test seront défaillantes par
suite d'un défaut après 100'000 heures. Quelquefois, on indique également la valeur
B10, c'est-à-dire la durée après laquelle 10% des lampes de test ne fonctionnent plus.
Les causes les plus fréquentes de défaillance totale des luminaires LED sont cependant
dues à l’alimentation secteur utilisée. Le problème ici, ce sont les condensateurs
employés pour lisser la faible tension régulée, étant donné que ceux-ci sont sensibles à
la chaleur et que leur vieillissement s’accélère de manière exponentielle à mesure que
la température augmente. Souvent, ils sont même de qualité inférieure pour des raisons
de prix. Cela provoque la défaillance de l’alimentation sans que les LED soient en
cause.
Une autre cause peut être un défaut de fonctionnement dû à des phénomènes de
vieillissement dans les matériaux utilisés, par exemple des phénomènes de fatigue des
raccords collés ou du fond.
Cycles de commutation
Sur la plupart des sources lumineuses de marque, la durée de vie en heures (durée de
l'état allumé pendant la durée de vie) est indiquée sur l’emballage. Les lampes à
incandescence ont une durée de vie d’environ 1'000 heures, les sources lumineuses à
halogène d’environ 2'000 heures, les lampes à économie d’énergie d’environ 3'000 à
12'000 heures. Mais si les lampes à économie d’énergie sont allumées et éteintes plus
de trois fois par jour, comme c’est la cas dans les entrées et cages d’escaliers avec des
détecteurs de mouvement et des minuteries, la durée de vie indiquée sur l’emballage
en heures d’allumage est souvent loin d’être atteinte étant donné que les lampes à
économie d’énergie sans indication des cycles de commutation sur l’emballage ne sont
construites que pour environ 3'000 cycles de commutation.
Le critère limitatif, en cas d’allumages et d’extinctions fréquents, c’est la résistance à la
commutation qui est indiquée en cycles de commutation sur l’emballage des sources
lumineuses de qualité. Pour les très bonnes lampes à économie d’énergie, la résistance
à la commutation est indiquée par le fabricant comme étant de 10'000 à 20'000 cycles.
Pour une seule série de lampes à économie d’énergie un peu plus chère (Megaman
Ingenium), le fabricant Megaman indique une résistance à la commutation de 600'000
cycles. Ces lampes à économie d’énergie sont le seul produit du genre à atteindre ou
même à dépasser la durée des sources lumineuses LED. Mais contrairement aux LED
qui éclairent immédiatement, ces lampes à haute résistance à la commutation prennent
environ 15 secondes pour atteindre 60% du flux lumineux permanent. Un cycle de
commutation consiste à allumer et à éteindre manuellement le courant du réseau.
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Indépendamment de cela, la LED peut en outre être pulsée, les impulsions étant
produites par l’électronique elle-même. Ces impulsions ne comptent pas parmi les
cycles de commutation limitant la durée, qui, depuis 2012, sont généralement indiqués
dans les spécifications du produit pour les bonnes sources lumineuses LED, mais font
partie de la durée de service normal indiquée en heures.
Une LED est nettement moins sensible aux cycles de commutation que les lampes à
incandescence ou à économie d’énergie. Une variation est par exemple généralement
obtenue par des commutations très rapides. Le facteur limitatif des cycles de sources
lumineuses LED n’est pas la puce LED même mais l’électronique de ballast qui
comprend l’alimentation secteur incorporée ou l’électronique de commande. Tous ces
composants sont beaucoup plus sensibles aux commutations et par exemple aux
variations de charge thermique qui en résultent que les LED mêmes qui supportent
sans difficulté plusieurs millions de commutations. Les sources lumineuses LED sont en
outre généralement beaucoup plus résistantes aux commutations, y compris
l’électronique de ballast, que les lampes normales à économie d’énergie. Les
indications des fabricants pour les sources lumineuses LED de qualité vont
généralement de 50'000 à 1 million de cycles. Pour les sources lumineuses LED bon
marché, la résistance aux commutations n’est souvent pas encore (état 2013) indiquée
sur l’emballage. Dans de tels cas, il faut tabler sur une résistance aux commutations de
l’ordre de grandeur de 20'000 cycles.
Le fait que les sources lumineuses LED aient une résistance aux commutations
beaucoup plus élevée que les lampes à économie d’énergie est également – outre la
durée de vie plus longue en heures d’allumage et la meilleure efficacité lumineuse ou
rendement lumineux en lumen par Watt – une des raisons pour lesquelles les LED sont
dans la plupart des cas, malgré un prix plus élevé, plus économiques que les lampes à
économie d’énergie ou à incandescence, ceci dans les applications depuis 2011 à
longue durée d’allumage et nombreux cycles de commutation.
LED blanches
Afin de générer de la lumière blanche au moyen de diodes luminescentes, on a recours
à divers procédés de mélange aditif de couleurs:
•
•
Différentes puces (procédé rarement utilisé): des LED bleues sont combinées avec des
jaunes ou avec des rouges et des vertes de manière que leur lumière se mélange et
apparaisse ainsi blanche. Pour un meilleur mélange de lumière, il faut généralement des
composants optiques supplémentaires. Pour des raisons pratiques, au moins les puces
LED sont intégrées en un seul composant.
Luminescence: une LED bleue ou UV est combinée à un matériau photoluminescent
(matière colorante luminescente, substance fluorescente). Comme dans les tubes à
fluorescence, cela permet de convertir une lumière à onde courte et haute énergie
(lumière bleue et rayonnement ultraviolet) en lumière à onde longue. Le choix des
substances luminescentes peut varier. Il est plus rare de combiner une LED UV avec
plusieurs substances luminescentes différentes (rouge, vert et bleu), ce qui donne un
bon rendu des couleurs jusqu’à plus de Ra = 90. L’utilisation de plusieurs matières
colorantes augmente cependant le coût de production et réduit le rendement lumineux.
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A des fins d’éclairage, on utilise par conséquent presque toujours une LED bleue
combinée à une seule substance jaune, généralement de la poudre de granat d’yttriumaluminium dopée au cérium. Etant donné que les LED bleues ont le rendement le plus
élevé (les LED UV moins de la moitié), c’est la méthode la plus économique pour
produire de la lumière blanche par LED, mais avec l’inconvénient d’un léger bleuté de la
lumière blanche. La part d’ultraviolet émise par les LED aux bords à onde courte de leur
spectre est également largement convertie en lumière jaunâtre par la couche
luminescente.
•
Diverses puces en combinaison avec la luminescence: les fabricants de LED de haute
qualité pour l’éclairage des locaux utilisent désormais des LED blanches à luminescence
combinées à des LED rouges de puissance afin d’obtenir un meilleur espace de couleur
jusqu’au rouge. En partie, les LED bleues et rouges sont montées sous un capuchon
luminescent du corps lumineux vissable.
Dans les procédés de fabrication les plus courants pour LED blanches, du nitrure de
gallium est déposé sur un support (substrat en saphir) de manière épitactique
généralement par MOVPE. Cela donne la première couche du cristal semi-conducteur
GaN. La couche émettrice de lumière se compose généralement d’InGaN dont la
lumière bleue est partiellement convertie par la substance luminescente en lumière à
onde longue. Dans un nouveau procédé [8] d dont les bases ont été développées en l’an
2000 à l’université Otto von Guericke à Magdeburg, le coûteux substrat en saphir est
remplacé par du silicium.[société 9] Après une première couche AIN, le nitrure de gallium
est déposé sur le silicium. De telles LED ne sont cependant efficaces que si le substrat
de silicium absorbant la lumière est supprimé et remplacé par une couche hautement
réfléchissante, généralement à base d’argent, comme c’est désormais le cas pour les
LED à hautes performances sur substrats de saphir. Ce procédé permet d’utiliser pour
la fabrication des LED les tranches de silicium beaucoup moins chères et à grande
surface, ce qui simplifie considérablement l’opération consistant à détacher du substrat.
Le type de revêtement en substance fluorescente est déterminant pour la qualité.
Comme on le voit nettement sur le graphique en bas à gauche dans la moitié droite, la
couche luminescente éclairant en moyenne dans le jaunâtre génère une lumière à très
large bande, ce qui donne un spectre équilibré. D’autre part, le recouvrement avec les
spectres de la plupart des substances colorantes rouges est mauvais, ce qui entrave le
rendu des couleurs et donne un mauvais rendu du rouge, par exemple avec les LCD de
couleur à rétro-éclairage par de telles LED blanches.
En revanche, les LED RGB (reproduites au deuxième graphique depuis la gauche)
génèrent trois pointes relativement étroites dans le spectre, ce qui représente de la
lumière dans trois bandes de fréquence étroites. Malgré les problèmes à attendre avec
les colorants à bande étroite, leurs rendu des couleurs est en général meilleur, ce qui
se remarque surtout par des couleurs brillantes dans le rétro-éclairage de LCD de
couleur – les longueurs d’onde traversantes des filtres de couleur des différents pixels
monocolores des LCD peuvent être adaptées aux maxima d’émission des substances
luminescentes. Différentes épaisseurs de couche de ces substances entraînent
cependant une couleur de lumière non homogène qui dépend de la direction de
rayonnement, surtout au bord.
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Les LED blanches sont fabriquées comme des lampes à fluorescence également pour
différents types (températures de couleur) de lumière blanche. Les catégories
courantes sont la lumière «blanc froid» analogue à la lumière diurne (température de
couleur 5500–6000 K) et la lumière «blanc chaud» qui ressemble à celle des lampes à
incandescence (2700–3000 K).
Tons pastels
Etant donné l’utilisation possible en électronique de divertissement, surtout pour
l’éclairage de claviers de téléphones mobiles et autres produits à la mode, on
commence également maintenant à produire des LED surtout SMD en tons pastels.
Pour cela, on procède essentiellement comme pour les LED blanches, sauf que la
couche luminescente déposée sur la puce LED bleue n’est pas jaunâtre mais
rougeâtre, ce qui donne une couleur rose («pink»). Pour obtenir un bleu pastel, il faut
rendre la couche jaunâtre un peu plus mince que pour les LED blanches, de manière
qu’une part plus importante de bleu traverse. Etant donné que les LED vertes comptent
maintenant parmi les plus économiques, cela est également possible avec des puces
vertes. Du fait que seule une lumière à haute fréquence peut faire rayonner de la
lumière par une substance fluorescente à plus basse fréquence, ce qui est dû au
décalage Stokes, il n’est pas possible d’exciter une substance à fluorescence bleue
avec une LED rouge, l’inverse étant cependant possible. C’est pourquoi on ne peut
utiliser, pour des LED à tons pastels, pratiquement que des puces des «couleurs» UV
et bleu.
Classification
Dans de nombreux domaines d’application, des couleurs de lumière définies avec
précision sont prescrites par des normes. Du fait du processus de fabrication, on peut
constater des différences de couleur en comparaison directe parmi les LED du même
type et du même fabricant. En général, tous les fabricants de LED indiquent les plages
dans lesquelles leurs produits présentent des dispersions de valeurs. La subdivision en
classes finement échelonnées est appelée binning (classification). Pour les LED
blanches, cela comprend essentiellement ce qu’on appelle le «flux bin», la tension de
seuil, le rendement lumineux ainsi que la plage plus ou moins teintée. Pour la couleur,
on ne fait pas de distinction quant à la plage du mélange de couleurs (qui a tendance à
être plus rouge, ou verte, ou bleue) mais à la température de couleur que présente la
lumière de la LED pour le courant nominal. Les LED de couleur sont également
proposées avec des tolérances spectrales sélectionnées. Des informations sur le «bin»
(taux de sélection) et les propriétés correspondantes peuvent être empruntées aux
fiches techniques des fabricants.
Etat de la technique
Rendement lumineux
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Rendement lumineux maximum théorique pour convertisseurs lumineux monochromatiques.
monochromatiques
Les LED blanches les plus
us efficaces atteignaient en février 2013 un rendement
lumineux de 276 lm//W et, en septembre 2010 déjà, 250 lm/W. Cela n’est pas loin du
maximum théorique (100% de puissance de rayonnement) à 6600 K (effet relativement
froid) qui pour des raisons physiques
physiques ne peut pas être supérieur à 350 lm/W. Le
rendement dépend largement de la couleur de lumière, il est pour les LED à blanc
chaud nettement inférieur à celui des LED à blanc froid.
froid
Etant donné que dans la mesure avec l’unité lumen les propriétés de l’œil humain sont
prises en compte (voir courbe de sensibilité à la clarté), les LED atteignent des valeurs
particulièrement élevées dans les couleurs du vert au jaune tandis que les LED bleues
par exemple ont un résultat nettement inférieur. Pour le rendement purement
p
physique,
c'est-à-dire
dire la conversion d’énergie électrique en lumière, les LED bleues sont en
général meilleures. Les rendements physiques atteignent actuellement jusqu’à plus de
30% par rapport à la LED blanche proprement dite, sans pertes dues à des ballasts ni
à une optique éventuelle.
Dans une étude internationale, des chercheurs de Belgique, de France et du Canada
ont réussi à augmenter de jusqu’à 55% le rendement lumineux d’une LED
conventionnelle au nitrure de gallium en l’équipant d’un revêtement
revêtement ultérieur particulier
imitant, par sa constitution, l’enveloppe extérieure des organes de vision de lucioles.
lucioles
Les LED disponibles dans le commerce ont actuellement (état de janvier 2014) un
rendement lumineux allant généralement de 50 à 150 lm/W. Des
Des LED présentant des
valeurs nettement supérieures à la puissance nominale ne sont disponibles qu’avec des
températures de couleur supérieures à 3500 K et/ou un indice de rendu des couleurs
inférieur à Ra = 85. Cette plage concerne tout d’abord la LED seule.
seule. Si elle est montée
dans un corps lumineux ou une lampe, il faut tenir compte de pertes supplémentaires
du fait du ballast nécessaire (rendement de 70 à 95%) et éventuellement de l’optique.
Les sources lumineuses de marque atteignent actuellement (état de
de janvier 2014),
compte tenu de ces facteurs, en général 40 lm/W à 199 lm/W. Elles sont ainsi 3 à 10
fois supérieures aux lampes à incandescence conventionnelles (environ 10-14
10
lm/W),
environ 2 à 6 fois plus efficaces que les lampes à halogène (environ 15-20
15
lm/W) et à
peu près aussi efficaces que les tubes à fluoresce (environ 70-90
70 90 lm/W).
lm/W
Contrairement aux lampes à incandescence, l’efficacité des LED en service augmente
avec une puissance inférieure à la puissance nominale. A la moitié du courant nominal
(et donc juste la moitié de la puissance nominale), la plupart des LED ont un rendement
lumineux supérieur de 10 à 30%.
30%
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Puissance par LED
Un autre paramètre est la puissance par unité: plus la puissance d’une LED isolée est
élevée, moins bon est son rendement.
rendement. Cela résulte d’effets quantiques aussi bien que
d’une température plus élevée de la puce LED. Pour cette raison, dans de nombreuses
applications, les LED sont utilisées non à la puissance nominale indiquée par le
fabricant mais au-dessous.
dessous. Cela augmente
augmente l’efficacité énergétique et la température
réduite prolonge la durée de vie des LED, tandis que la chaleur dissipée réduite facilite
le refroidissement et ainsi la construction du luminaire. Il peut cependant être
nécessaire d’utiliser pour cela plus de
de LED afin d’obtenir la quantité de lumière voulue,
ce qui peut éventuellement nécessiter une optique complexe.
complexe
Fabrication en masse
Le rendement d’une LED fabriquée en masse subit certaines variations. Il y a des
années déjà, des échantillons de laboratoire de LED à haut rendement ont été
fabriqués en laboratoire et peu après annoncés comme produits de masse. Avec le
«flux binning», il est sélectionné dans une production plusieurs classes de différents flux
lumineux qui sont proposées à des prix variables.
variables. Bien entendu, un fabricant fait sa
publicité avec sa classe la plus élevée. On apprend indirectement, par le prix et la
disponibilité de livraison, combien la part de la meilleure classe est petite par rapport à
l’ensemble de la production.
production
Exploitation,
itation, raccordement et élimination
Symbole d’une diode luminescente
La clarté d’une LED augmente en même temps que la consommation. Pour une
température constante du semi-conducteur,
semi conducteur, l’augmentation est à peu près
proportionnelle. Le rendement baisse généralement
généralement à mesure que la température
augmente, c’est pourquoi le rendement lumineux baisse à la limite de puissance suivant
le type de refroidissement. La LED vieillit plus rapidement jusqu’à la défaillance
spontanée si la température du semi-conducteur
semi
dépasse environ 150°C pendant un
temps prolongé.
La courbe caractéristique courant-tension
courant tension décrit la réaction d’un récepteur à une tension
appliquée. Pour un récepteur ohmique, le courant augmente linéairement avec la
tension. Une diode luminescente a une courbe caractéristique exponentielle, ce qui est
typique pour les diodes à semi-conducteur.
semi conducteur. De petites variations de tension entraînent
de grandes variations de courant.
courant
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Courbe caractéristique d'une LED blanche (schématique)
La figure à droite donne une représentation schématique de la courbe caractéristique
courant-tension
tension d’une diode luminescente. L’échelle est basée sur une diode blanche à
haute puissance et courant nominal de 350 mA. Ce courant est accepté sous des
conditions normales sans que l’on doive
doive craindre un échauffement excessif du semisemi
conducteur. On lit sur la courbe une tension de flux au courant nominal d’environ 3,4 V,
ce qui correspond à une consommation de puissance d’environ 1 W.
W
Une LED ne peut être raccordée efficacement directement à une source de tension
comme une batterie:
Une LED blanche reste sombre par exemple en appliquant une tension de 2,4 V (deux
accus NiMh de 1,2 V). A 3 V (deux cellules primaires alcalines au manganèse, piles du
commerce non rechargeables), elle atteint tout
tout juste 30% de la puissance nominale.
Trois cellules d’accumulateur donnant au total 3,6 V font augmenter la consommation à
plus de 150% et sans refroidissement actif, la LED est défaillante après peu de temps.
La ligne rouge du diagramme marque une courbe
courbe un peu différente, due aux propriétés
variables entre les exemplaires des semi-conducteurs
semi conducteurs ou à l’augmentation de
température (à mesure que la température augmente, l’écart de bande et la tension de
passage diminuent). Ainsi, le courant peut augmenter de
de plus de 50% même pour une
tension de passage maintenue constante. C’est pourquoi les LED sont exploitées
uniquement avec des mesures de limitation du courant.
courant
Pour un temps très bref (µs à ms), les LED peuvent être alimentées avec des courants
multiples du courant nominal permanent. Les LED à infrarouge surtout sont spécifiées
pour cela. Une application typique de cette tolérance concerne les télécommandes à
infrarouge dans lesquelles les LED sont pulsées à environ 40 kHz. La modulation de la
puissance de lumière ou de rayonnement peut aller de plusieurs centaines de kilohertz
à quelques 10 MHz suivant le type de LED.
LED
Elimination et recyclage
En vertu de l’OREA, les sources lumineuses LED défectueuses doivent en Suisse être
éliminées au recyclage des lampes. Dans les LED à arséniure de gallium comme semisemi
conducteur, celui-ci
ci est toxique et dangereux pour l’environnement, et en outre, le
ballast incorporé contient d’autres composants électroniques, la quantité de substances
nocives est cependant – comme pour les lampes compactes à fluorescence – faible en
Technologie LED
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comparaison des charges entraînées par la production. Le recyclage en principe
possible de l’arséniure de gallium des LED (urban mining) n’est pas encore rentable en
2012. L’arséniure de gallium est également utilisé pour les LED de longueur d’onde
supérieure à 570 nm. Les LED blanches ne contiennent pas d’arséniure de gallium
toxique!
Domaines d’application des LED
Les domaines d’application découlent des propriétés techniques des LED comme
radiateurs monochromatiques (couleurs individuelles) ou comme radiateurs spectraux
(lumière blanche). Tandis que la lumière blanche sert presque exclusivement à des fins
d’éclairage, la lumière colorée peut être utilisée à des fins de signalisation ou
d’affichage ainsi que comme mélange additif pour des effets ou images. Il en résulte
une multitude de domaines d’application, comme par exemple:
Hôtellerie et restauration, ménages privés, magasins de vente, bâtiments industriels et
publics, routes et espaces publics, installations sportives, véhicules de toutes sortes.