LED


LED = Light Emitting Diode, diode électro-luminescente
DEL = Diode Electro-Luminescente
HB-LED ou HBLED = High Brightness LED, LEDs haute luminosité
HP-LED ou HPLED = High Power LED, LEDs haute puissance

La LED est un composant dit passif, de la famille des semi-conducteurs (comme la diode). Il s'agit d'une diode un peu particulière, qui a la propriété d'émettre de la lumière quand un courant la parcourt (de l'Anode vers la Cathode). 

K = (K)Cathode, pôle "négatif" de la LED, patte la plus courte.


A = Anode, pôle "positif" de la LED, patte la plus longue.


Remarque : il m'est arrivé d'avoir entre les mains des LEDs dont la patte la plus longue était la cathode.


Il en existe de plusieurs sortes, fabriquées avec des matériaux différents, qui seront choisi par le constructeur en fonction du rendement et du type de lumière désirés. Certaines LEDs ont un rendement très supérieur à d'autres, on les réserve à de l'affichage en extérieur (feux tricolores, feux stop des voitures, panneaux d'affichage vidéo), ou pour de la signalisation critique en intérieur (voyant d'alarme par exemple).

Particularité de la LED

La LED est un semi-conducteur, et son sens de branchement est important. La tension inverse d'une LED étant très faible (de l'ordre de quelques volts), ne branchez jamais une LED à l'envers sous peine de la détruire. De même, une LED est prévue pour fonctionner à un courant nominal donné, par exemple 10 mA ou 20 mA. Faire parcourir à la LED un courant trop intense risque de la détruire. Une LED doit toujours être alimentée au travers d'un système de limitation (voire de régulation) du courant, qui se résume la plupart du temps à une simple résistance. Le calcul de la valeur de la résistance est très simple, et s'effectue en fonction de la tension d'alimentation disponible, du courant qui doit traverser la LED, et de la chute de tension qu'elle présente à ses bornes à son courant nominal. La chute de tension d'une LED dépend de sa structure. Une LED rouge standard présente une tension de seuil de 1,6 V à 2 V, tandis que pour une LED bleue ou pour certaines LEDs haute luminosité, cette tension se situe plutôt autour de 3 V, voire 3,6 V. Lorsque la chute de tension sur la résistance chutrice est importante, vous devez prévoir une résistance capable de dissiper la puissance nécessaire. Car si un courant consommé de 20 mA peut sembler faible à première vue, calculez donc la puissance que la résistance devra dissiper pour une chute de tension de 30 V... Et oui, il faut une résistance de 1 W ! La classique 1/4 W ne résistera pas longtemps à la chaleur ! Un conseil : montez deux résistances en parallèle de 0,5 W pour faciliter la dissipation thermique.  Pour des exemples pratiques, merci de vous reporter à la page Alimentation d'une LED.

A retenir :

Une LED doit impérativement être branchée dans le bon sens et avec une résistance de limitation de courant. Si un de ces deux points n'est pas respecté, le risque qu'elle grille est supérieur à 95 %.

Dans la grande majorité des cas, le pôle plus de la LED (anode) correspond à la patte la plus longue. Mais attention, il arrive que l'anode corresponde à la patte la plus courte ! En cas de doute, il convient de vérifier la polarité de la LED avec une tension de 3 V maximum (deux piles de 1,5 V en série) et avec une résistance série de valeur comprise entre 100 ohms et 470 ohms - avec un tel dispositif, la LED ne risque pas de griller même si on la branche à l'envers.

Forme physique

Elle va bien, merci.

La LED peut se présenter sous différentes formes : ronde, carrée, rectangulaire, triangulaire, très petite, petite, moyenne ou grosse. Certaines sont prévue pour un soudage direct sur circuit imprimé côté cuivre (LED au format CMS), d'autres sont plus adaptées à un montage panneau (face avant), certaines sont déjà intégrées dans des boutons. Certains boitiers intègrent plusieurs LEDs (2 4, 6, 8 ou 10 LEDs par exemple), ces LEDs étant accessibles individuellement (pour réalisation de barographes par exemple) ou toutes raccordées entre elles (dans ce dernier cas, on les appelle des LEDs multipoints et sont utilisées dans des systèmes d'affichage critiques où la faille d'un voyant n'est pas permise). Voici ci-dessous quelques photos de différentes LEDs.

     


Il existe deux types d'opacité de boitier : les boitiers translucides, parfois appelés "cristal" (on voit très bien la puce et les fils de connexion à l'intérieur du boitier) et les boitiers opaques (on ne voit pas grand chose dedans). On trouve aussi des LEDs dans les afficheurs à segments permettant l'affichage de chiffres ou de lettres.

Durée de vie

La durée de vie d'une LED est normalement spécifiée par le constructeur, elle peut atteindre 100 000 heures (environ 10 ans). Attention cependant, la durée de vie spécifiée correspond à une utilisation en continu, sous un courant contrôlé (par exemple 20 mA) et à une température ambiante donnée (par exemple 25°C). Tout écart (courant plus important ou température plus élevée) peut conduire à une réduction importante de la durée de vie. Certaines LEDs sont données pour une durée de vie de 25000 heures.

Luminosité (taux d'éclairement)

La luminosité d'une LED est spécifiée par l'unité "mcd" (milli-candela), unité faisant référence à la lueur d'une bougie. Cependant, certaines LEDs sont vendues avec une puissance spécifiée en Watts (en général à partir de 1W). Il n'est pas rare de trouver aujourd'hui des LEDs présentant un taux d'éclairement d'au moins 25000 mcd (voir plus loin, "LEDs très haute luminosité"). A comparer aux 0,1 mcd des premières LEDs et aux quelques mcd des LEDs classiques actuelles et des affichages numériques (affichage rouge / vert radios réveils)... La "concentration" de la lumière émise par la LED joue forcement sur la luminosité obtenue à une distance donnée dans l'axe du rayonnement lumineux. Le fabricant peut en effet choisir et fixer l'angle de rayonnement à une valeur plus ou moins large, 8° ou 15° par exemple. Il va de soi que l'angle de rayonnement est un paramètre dont il faut tenir compte en fonction de l'application envisagée. Notons au passage que l'impression de puissance lumineuse n'est pas la même pour toutes les couleurs, l'oeil n'étant pas sensible de la même façon à toutes les longueurs d'onde du spectre visible. Ainsi, l'oeil est plus sensible à certains rouges qu'à d'autres (voir plus loin, "Longueur d'onde").

Caractéristiques principales (longueur d'onde, chute de tension, consommation)


Consommation - La consommation d'une LED est faible, comparée à celle nécessaire pour une ampoule à incandescence émettant la même énergie lumineuse. Le rapport de consommation est en effet de l'ordre de 1/10 ! Elle peut toutefois varier dans de larges proportions, certaines LEDs se contentant de 1mA (il s'agit en général de LEDs à intensité lumineuse "normale") et d'autres réclamant 100mA. Mais la valeur courante est de 20 mA, aussi bien pour les LEDs classiques que pour les LEDs haute luminosité. Cela permet de fabriquer des systèmes d'éclairage peu gourmands et surtout, lorsqu'ils sont portables, possédant une grande autonomie. Il n'est pas rare en effet d'atteindre une autonomie de plusieurs heures (voire dizaines d'heures) pour des lampes portables alimentées par de simples piles de 1,5 V !

Longueur d'onde - La lumière visible est une onde électromagnétique comme l'est l'onde qui vous permet de recevoir la télé ou la radio. Sa principale particularité est d'être... visible. Toute onde électromagnétique est définie par sa longueur d'onde, qui couvre la plage 400 à 800 nanomètres environ pour le spectre visible. Cette piqure de rappel passée, vous ne serez sans doute pas surpris des valeurs indiquées ci-dessous...

Matériau utilisé - Le matériau utilisé dépend de la longueur d'onde (couleur) désirée.

Chute de tension - La chute de tension dont il est question ici est la tension présente aux bornes de la LED quand elle est parcourue par son courant nominal. Il s'agit de la valeur de la tension que vous devrez faire intervenir dans votre calcul de limitation de courant. Plus de détail à la page Alimentation d'une LED. Attention ! Quand j'écris qu'une LED verte peut présenter une chute de tension de 3,0 V à 3,6 V, cela ne signifie pas que vous pouvez adopter n'importe quelle tension dans cette plage ! Cela signifie que l'on trouve des LEDs qui présentent une chute de tension de 3,0 V, et d'autres LEDs qui présentent une chute de tension de 3,6 V. Vous devez respecter les valeurs données par le fabricant de la LED, au risque de la sous-alimenter ou au contraire de réduire sa durée de vie !

Récapitulatif - Les valeurs données dans le tableau ci-dessous sont approximatives, elles dépendent des modèles et des fabricants, je les ai d'ailleurs relevées d'après leurs fiches techniques. Mais cela vous permet tout de même de vous faire une idée de l'ordre de grandeur des principales caractéristiques. 

Couleur

Matériaux

Longueur d'onde

(en nanomètres)

Chute de tension

(en volts)

 

Indium-Antimoine (InSb)

-

 

Infra-rouge

Germanium (Ge)

1180 nm

1,6 V

Infra-rouge

Silicium (Si)

1150 nm

1,6 V

Infra-rouge

Gallium-Arsenic (GaAs)

770 à 1100 nm

1,6 V

Rouge foncé

Aluminium-Antimoine (AlSb)

775 nm

1,6 à 2,0 V

Rouge clair

Arséniure/phosphure de gallium (GaAsP)

610 (ou 625) à 660 nm (1)

1,6 à 2,0 V

Orange foncé

-

602 à 610 (ou 625) nm

2,0 V

Orange clair

-

590 à 602

-

Jaune

-

570 à 590 nm

2,1 V

Jaune-vert

Phosphure de gallium (GaP)

530 à 570 nm

2,1 à 2,5 V

Vert

Silicium-Carbone (SiC), Nitrure de gallium (GaN) ou Phosphure de gallium (GaP)

525 à 565 nm

2,1 à 2,5V - 3,0 à 3,6 V

Bleu turquoise

-

480 nm

2,1 à 2,8 V

Bleu

Séléniure de zinc (SnSe), Nitrure de gallium/indium (InGaN) ou Carbure de silicium (SiC)

410 à 470 nm (ou 450 à 500)

2,5 à 2,8 V - 3,2 à 3,6 V

Rose

-

-

3,1 à 3,6 V

Violet

-

380 nm (ou 400 à 450)

3,1 à 3,6 V

Ultra-violet

Diamant (C)

280 à 395 nm

3,1 à 3,8 V

Blanc

-

Mélange des trois couleurs rouge, vert et bleu

3,4 à 3,8 V


Nota (1) : Certains constructeur classent la plage de longueur d'onde 610-625 nm dans le Rouge, alors que d'autres la classent dans le Orange.

Nota (2) : Certaines couleurs sont classées avec deux plages de tensions. Cela s'explique par le fait que les LEDs haute luminosité nécessitent parfois une tension plus élevée.

LED clignotante

Il s'agit d'une LED classique, dont la puce émettrice de lumière est associée à un petit oscillateur de fréquence fixe (0,5 Hz par exemple), le tout dans le même boitier. 



Ce type de LED est couramment employé dans les systèmes d'alarme (vrai ou faux), dans les systèmes d'avertissement de défaut, ou pour la localisation d'un point particulier (repérage d'un interrupteur, d'une sortie de secours). Elle peut servir de base à la réalisation d'un oscillateur le plus simple qu'il est donné de pouvoir réaliser. Il suffit en effet de se servir de la tension présente à ses bornes pour détecter les changements d'état (tension basse quand la LED est allumée, tension haute quand elle est éteinte).

LED multicolore

 

LED bicolore
Sont associées dans un même boitier transparent, 2 puces émettant chacune une couleur précise : rouge pour l'une, et vert pour l'autre. Les LEDs bicolores peuvent posséder deux pattes (montage des deux LEDs en "parallèle-retourné") ou trois pattes (montage des deux LEDs en "série-inversé" avec point milieu). 

 

L'allumage simultané des deux puces vert et rouge (résultat jaune-orange) est plus facile avec la LED à trois pattes, sous une simple tension continue. Pour la LED à deux pattes, il y a obligation d'inverser la polarité de la tension appliquée, selon la puce que l'on veut utiliser. Une tension alternative est donc requise pour allumer les deux puces en même temps (il est faux de dire en même temps, mais grâce à la persistance rétinienne, cet effet "continu" peut être obtenu avec un signal alternatif de fréquence suffisante, sans scintillement visible).

LED à plus de deux couleurs

Sont associées dans un même boitier transparent, 3 ou 4 puces émettant chacune une couleur précise : rouge, vert et bleu. Du fait d'un éclairement généralement moindre de la puce bleue, cette dernière se trouve souvent doublée : 2 puces bleues pour une rouge et une verte. Les deux puces bleues étant électriquement raccordées entre elles, la LED possède en tout quatre pattes : une pour la puce rouge, une pour la puce verte, une pour la ou les puces bleues, et la quatrième enfin pour le point commun.

 

Si l'on se contente d'activer en tout ou rien chacune des trois couleurs, nous pouvons faire s'illuminer la LED avec 7 couleurs différentes (8 combinaisons possibles, mais on ne compte pas celle où tout est éteint). Pour obtenir plus de variations possibles, plus de couleurs si vous préférez, il faut rendre variable l'intensité lumineuse de chaque couleur, de façon indépendante. Pour cela, il faut utiliser un système de commande de LED à rapport cyclique variable.

LEDs haute luminosité

Ce type de LED, qui peut émettre dans l'ensemble des couleurs vue précédemment (les LEDs haute luminosité ne sont pas forcement blanches) constituera sans doute dans un très proche avenir, une solution alternative intéressante à l'éclairage grand public, voir à l'éclairage professionnel de forte puissance (ça commence à venir, il suffit de regarder un peu autour de soi quand on va dans certains petits spectacles ou dans des salons). 

   
   

Il est à noter que vu la puissance lumineuse développée par ces LEDs (certaines atteignent ou dépassent 100000 mcd - 100 candela - avec seulement quelques dizaines de mA), les mêmes précautions que celle qui s'appliquent pour les LASER sont de rigueur (ne pas diriger directement ces LEDs vers les yeux). J'ai déjà utilisé ce genre de LEDs pour la réalisation de lampes de poche, d'un lampadaire multicolore, et d'un petit projecteur. On trouve désormais dans le commerce des stroboscopes (pour les loisirs et pour l'industriel), des lampes de chevet, des lampes d'éclairage ("ampoules" ou spots, voir photos ci-avant), des lampes portatives et frontales (pour le bricolage perso ou pour la spéléologie) utilisant de tels composants. Regardez aussi un peu comment sont fait les éclairages des feux tricolores récents, des feux stop (arrières) de certaines voitures, et des éclairages dans les trains, métros et RER... Certaines rampes d'éclairage de scène (concerts, théâtres) commencent aussi leur conversion. Le prix des LEDs haute luminosité peut sembler assez élevé pour le particulier, mais comparons ce qui est comparable...et comparons aussi la durée de vie. Si vous faites un petit tour de temps en temps sur eBay, vous aurez peut être la chance de tomber sur des ventes de lots de telles LEDs à des prix très intéressants (genre 2 ou 3 euros les 10). Vous pouvez aussi profiter des périodes de Noël, pendant laquelle on trouve de plus en plus de guirlandes à LEDs. Certaines en comportent plus de 100, et si vous regardez le prix de la guirlande avec son transfo, ça ramène quelques fois la LED à l'unité à un prix plutôt intéressant (ce ne sont pas toujours des LEDs à très haute luminosité, à vous de voir et de comparer quand c'est possible).

LEDs très haute luminosité et haute puissance (HB-LED, HP-LED)

HB-LED ou HBLED = High Brightness LED, LED haute luminosité
HP-LED ou HPLED = High Power LED, LED haute puissance
Si les LEDs haute luminosité sont déjà remarquables par rapport aux LEDs ordinaires, que dire alors des LEDs très haute luminosité ou forte puissance ? 

   

Ces dernières ne sont plus fabriquées avec les même matériaux, et les conditions d'utilisation ne sont plus tout à fait les mêmes. Nécessité d'une tension plus élevée (ça commence à 4 V mais ça peut monter à plus de 15 V), d'un courant voisin de ou supérieur à l'ampère (où sont passés nos 20 petits milliampères ? ) et usage obligatoire d'un radiateur, comme pour nos régulateurs de tension ou transistors qui chauffent beaucoup... On trouve désormais sur le marché des régulateurs tout fait pour alimenter des LEDs de puissance (alimentation à courant constant, attention à choisir le bon modèle), et même des LEDs tricolore de puissance (modèle StarLED RVB 3W ou 9 W par exemple). En novembre 2010, je lisais un article (revue Elektor) traitant d'un test sur une LED 50 W réclamant une alimentation à courant constant de 27 V / 1,7 A. A noter que la tension requise est élevée car la "LED" en question est en fait constituée de plusieurs branches constituées de plusieurs LED en série. Par exemple le module LED Mega Zeni de 25 W (notez l'appellation "module à LED" et non "LED") est composé de 168 puces LED agencées en 14 branches de 12 LED et demande une tension de 37 V et un courant de 700 mA. Chez le même fabricant, le module LED 15 W est composé de 96 puces LED agencées 8 branches de 12 LED et demande une tension de 37 V et un courant de 400 mA. Il faut reconnaître qu'il arrive bien un moment où il devient difficile de proposer à un amateur de faire lui-même une alimentation de cette puissance, et où l'achat d'un bloc secteur tout fait est plus sécurisant. A l'heure où j'écris ces lignes, une LED 50 W coûte encore très cher (plus de 130 euros pièce) et il serait dommage de la griller au premier branchement sur une alim pas assez "stable"...

LEDs "secteur" 230 V

On trouve depuis un certain temps déjà des ampoules et des spots à LEDs qui se branchent directement sur le secteur 230 V. 

 

Ces ampoules comportent un certain nombre de LEDs et sont vendues le plus souvent comme ampoule d'appoint ou de décoration, mais certains revendeurs annoncent des modèles aptes à remplir un rôle d'éclairage principal. Les plus puissantes (quelques W) possèdent un dissipateur thermique, c'est assez nouveau pour une ampoule électrique. Peu de ces ampoules à LEDs peuvent réellement remplacer les lampes actuelles, même si on constate un évident rétrécissement du fossé entre les deux mondes. Ou alors il faut vraiment mettre le prix ! Les ampoules à LEDs sont censées avoir une durée de vie de l'ordre de 30000 ou 40000 heures, ce qui est très nettement supérieur à la durée de vie d'une lampe à incandescence classique. Je trouve assez amusant de lire des publicités vantant une "lumière aussi naturelle que celle des ampoules à incandescence". Une chose est sûre, la consommation électrique de quelques watts pour une luminosité de 100 ou 230 lumen équivalent à une "incandescence 40 W ou 60 W" attire forcement l'oeil. Les comparaisons entre puissance, lumen et watts sont toujours tellement floues pour l'utilisateur lambda qu'il est toujours aussi aisé de tromper le consommateur. Oh, j'allais oublier... il existe aussi des tubes à LEDs alimentés en 230 V spécialement dédiés au remplacement direct des tubes fluorescents.



Enfin remplacement direct presque, parce qu'il faut tout de même supprimer le starter et court-circuiter le ballast avant de procéder à l'échange du tube...

Projecteurs à LED pour la scène

Les projecteurs de scène à LED se généralisent, rien de surprenant. 

  

On trouve désormais des projecteurs à LED capables de rivaliser avec des projecteurs standards, même pour des puissances confortables de plusieurs dizaines de watts (MINI PAR LED 5 W équipé de 76 LED, PAR 56 LED 30 W équipé de 151 LED, LED BAR 200 équipé de 48 LED de 1 W, SLIM LED équipé de 54 LED et produisant un flux de 4000 lumens, etc.). On n'en est pas encore à remplacer les projecteurs de 2 kW ou 3 kW, mais qui sait, un jour peut-être...

Diodes émettrices infrarouge

Les diodes IR (Infrarouge), qui émettent sur une longueur d'onde invisible à l'oeil humain, sont principalement utilisées dans les télécommandes, les barrières de comptage de personnes, dans certaines alarmes, pour certaines transmissions d'informations dans l'air, et dans la transmission d'informations par fibre optique. Elles sont aussi utilisées sur les caméscopes permettant de "voir" la nuit (fonction "Night Shot" chez Sony, par exemple). La photo ci-dessous montre un exemple de LED IR avec un réceptacle prévu pour l'insertion directe d'une fibre optique.

Diodes émettrices ultra-violet

Ces diodes sont utilisées dans la constitution de détecteurs miniatures de faux billets, mais trouvent d'autres applications telles que détection de substances particulières réagissant aux UV (par fluorescence par exemple). De telles LEDs équipent par exemple des stylos d'enfant qui contiennent une encre "magique", qui permet d'écrire du texte que l'on ne voit que si on l'éclaire avec des UV. Même principe que les tampons à encre invisible utilisés dans certaines discothèques ou clubs pour "marquer" les clients au moment de leur entrée (contrôles plus simple sur les entrées / sorties, un tube UV situé à l'entrée permet de voir les personnes entrant qui sont déjà tatouées).

Diodes LASER

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations

 
diode_laser_vert_001a 
Pointeurs 1 mW rouge et 100 mW vert

Les diodes LASER sont des LEDs un peu particulières. Elles n'ont rien de commun avec les Lasers à CO2, à rubis ou à gaz, qui nécessitent des tensions d'alimentation élevées ou des sources lumineuses intenses. Les diodes LASER fonctionnent avec des tensions d'alimentation faibles et permettent leur emploi dans des éléments portables fonctionnant sur pile (porte-clés, pointeur, lecteurs code-barres). La qualité de l'alimentation requise pour ce type de diode est extrêmement critique, il est vivement conseillé de préférer les diodes LASER déjà équipées de leur électronique de régulation.

 

 

 

 

 

 

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