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Electronique - Théorie - Led

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Dernière mise à jour :26/02/2007

LED = Light Emitting Diode, diode électro-luminescenteDEL = Diode Electro-LuminescenteHB-LED ou HBLED = High Brightness LED, Leds haute luminositéHP-LED ou HPLED = High Power LED, Leds haute puissance

Voir aussiLeds, Watts, Lux, Lumen, Candela...

PrésentationLa led est un composant dit passif, de la famille des semi-conducteurs (comme ladiodeet le transistor). Il s'agit d'une diode un peuparticulière, 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 pluslongue était la cathode.

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

Particularité de la ledLa led est un semi-conducteur, et son sens de branchement estimportant. La tension inverse d'une led étant très faible (de l'ordre dequelques volts), ne branchez jamais une led à l'envers sous peine de la détruire. De même, une led est prévue pour fonctionner à uncourant nominal donné, par exemple 10mA ou 20mA. Faire parcourir à la led un courant trop intense risque également de la détruire.Une led doit toujours être alimentée au travers d'un systèmede régulation de courant, qui se résumera la plupart du tempsà une simplerésistance. Le calcul de la valeur de la résistance est très simple, et s'effectue en fonction de la tension d'alimentation disponible, ducourant qui doit traverser la led, et de la chute de tension qu'elle présente à ses bornes à son courant nominal. La chute detension d'uneled dépend de sa structure. Une led rouge standard présente une tension de seuil de 1,6 à 2V, tandis que pour une led bleue oupourcertaines leds haute luminosité, cette tension se situe plutôt autour de 3V, voire 3,6V. Lorsque la chute de tension sur la résistancechutrice est importante, vous devez prévoir une résistancecapable de dissiper la puissance nécessaire. Car si un courant consommé de20mA peut sembler faible à première vue, calculez donc la puissance que la résistance devra dissiper pour une chute de tension de30V... Et oui, il faut une résistance de 1W ! La classique 1/4Wne résistera pas longtemps à la chaleur ! Un conseil : montez deuxrésistances en parallèle de 0,5W pour faciliter la dissipation thermique. Pour des exemples pratiques, merci de vous reporter à la pageAlimentation d'une LED.

Forme physiqueElle 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 unmontage 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 barregraphes par exemple) ou toutes raccordées entreelles (dans ce dernier cas, on les appelle des leds multipoints et sont utilisées dans des systèmes d'affichage critiques où la faille d'unvoyant 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 deconnection à l'interrieur du boitier) et les boitiers opaques (on ne voit pas grand chose dedans). On trouve aussi des leds dans lesafficheurs à segmentspermettant l'affichage de chiffres ou de lettres.

Durée de vieLa durée de vie d'une led est normalement spécifiée par le constructeur, elle peut atteindre 100000 heures (environ 10 ans). Attentioncependant, la durée de vie spécifiée correspond à une utilisation en continu, sous un courant contrôlé (par exemple 20mA) et à unetempérature ambiante donnée (par exemple 25°C). Tout écart(courant plus important ou température plus élevée) peut conduire à uneréduction importante de la durée de vie.

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 enWatts (en général à partir de 1W). Il n'est pas rare de trouveraujourd'hui desleds présentant un taux d'éclairement d'au moins 25000 mcd (voir plus loin, "Leds très haute luminosité"). A comparer aux 0,1 mcd despremières 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 durayonnement lumineux. Le fabricant peut en effet chosir et fixer l'angle de rayonnement à une valeur plus ou moins large,8° ou 15° parexemple. 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 passensible de lamême 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 lamême énergie lumineuse. Le rapport de consommation est en effet de l'ordre de 1/10 ! Elle peut toutefois varier dans de largesproportions, certaines leds se contentant de 1mA (il s'agiten général de leds à intensité lumineuse "normale") et d'autres réclamant100mA. Mais la valeur courante est de 20mA, aussi bien pour les leds classiques que pour les leds haute luminosité. Celà permet defabriquer des systèmes d'éclairage peu gourmands et surtout, lorsqu'ils sont portables, possédant une grande autonomie. Il n'est pas rareen effet d'atteindre une autonomie de plusieurs heures (voire dizaines d'heures) pour des lampes portables alimentés par de simple pilesde 1,5V !Longueur d'onde - La lumière visible est une onde électromagnétique comme l'est l'onde qui vous permet de recevoir la télé ou laradio. Sa principale particularité est d'être... visible.Toute onde électromagnétique est définie par sa longueur d'onde, qui couvre laplage 400 à 800 nanomètres environ pour le spectre visible. Cette piqure de rappel passée, vous ne serez sans doute pas surpris desvaleurs 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 parson courant nominal. Il s'agit de la valeur de la tension que vous devrez faire intervenir dans votre calcul de limitationde courant. Plusde détail à la pageAlimentation d'une led. Attention ! Quand j'écris qu'une led verte peut présenter une chute de tension de 3,0 à 3,6V,cela ne signifie pas que vous pouvez adopter n'importe quelle tension dans cette plage ! Cela signifie que l'on trouve desleds quiprésentent une chute de tension de 3,0 V, et d'autres leds quiprésentent une chute de tension de 3,6V. Vous devez respecter les valeursdonnées 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, jeles ai d'ailleurs relevées d'après leurs fiches techniques. Mais celà vous permet tout de même de vous faire une idée de l'ordre degrandeur des principales caractéristiques.

Couleur Matériau Longueur d'onde (ennanomètres)

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



Rougefoncé

Aluminium-Antimoine (AlSb) 775 nm 1,6 à 2,0 V

Rouge clair Arséniure/phosphure de gallium (GaAsP) 610 (ou625) à 660 nm (1) 1,6 à 2,0 V

Orangefoncé

- 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) ouPhosphure de gallium (GaP)

525 à 565 nm 2,1 à 2,5V - 3,0 à 3,6V

Bleuturquoise

- 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 à3,6 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 leOrange.Nota (2) : Certaines couleurs sont classées avec deux plages de tensions. Cela s'explique par le fait que les leds haute luminositénécessitent parfois une tension plus élevée.

Led clignotanteIl 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 courement employé dans les systèmes d'alarme (vrai ou faux), dans les systèmes d'avertissement de défaut, ou pour lalocalisation d'un point particulier (repérage d'un interrupteur, d'une sortie de secours). Elle peut servir de base à la réalisation d'unoscillateur le plus simple qu'il est donné de pouvoir réaliser. Il suffit en effet de se servir de la tension présente à sesbornes pourdétecter les changements d'état (tension basse quand la ledest allumée, tension haute quand elle est éteinte).

Led multicoloreLed bicoloreSont 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 ledsen "série-inversé" avec point milieu).

L'allumage simultané des deux puces vert et rouge (résultatjaune-orange) est plus facile avec la led à trois pattes, sous une simpletension continue. Pour la led à deux pattes, il y a obligationd'inverser la polarité de la tension appliquée, selon la puce que l'on veututiliser. Une tension alternative est donc requise pour allumer les deux puces en même temps (il est faux de dire en même temps, maisgrâce à la persistance rétinienne, cet effet "continu" peutêtre obtenu avec un signal alternatif de fréquence suffisante, sans scintillementvisible).

Led à plus de deux couleursSont associées dans un même boitier transparent, 3 ou 4 puces émettant chacune une couleur précise : rouge, vert et bleu. Du fait d'unéclairement 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 sivous préférez, il faut rendre variable l'intensité lumineuse de chaque couleur, de façon indépendante. Pour celà, il faut utiliser unsystème de commande de led àrapport cyclique variable, c'est ce que j'ai fait par exemple avec monlampadaire multicolore.

Leds haute luminositéCe type de led, qui peut émettre dans l'ensemble des couleursvue précédement (les leds haute luminosité ne sont pas forcementblanches) constituera sans doute dans un très proche avenir, une solution alternative interressante à l'éclairage grand public, voir àl'éclairage professionnel de forte puissance (ça commenceà venir, il suffit de regarder un peu autour de soi quand on va dans certainspetits spectacles ou dans des salons).

Il est à noter que vu la puissance lumineuse développée par ces leds (certaines atteignent ou dépassent 50000 mcd), les mêmesprécautions que celle qui s'appliquent pour les LASER sontde rigueur (ne pas diriger directement ces leds vers les yeux). J'ai déjàutilisé ce genre de leds pour la réalisation de lampes de poche, d'unlampadaire multicolore, et d'un petitprojecteurpour mon APN. Ontrouve désormais dans le commerce des stroboscopes (pour les loisirscomme làet pour l'industriel), des lampes de chevet, des lampesd'éclairage ("ampoules" ou spots, voir photos ci-avant), des lampes portatives et frontales (pour le bricolage perso ou pour laspéléologie) utilisant de tels composants. Regardez aussiun peu comment sont fait les éclairages des feux tricolores récents, des feuxstop (arrières) de certaines voitures, et des éclairages dans les trains, métros et RER... Certaines rampes d'éclairage de scène (concerts,théatres) commencent aussi leur conversion. Le prix des leds haute luminosité peut sembler assez élevé pour le particulier, maiscomparons ce qui est comparable...et comparons aussi la durée de vie. Si vous faites un petit tour de temps en temps sur eBay, vousaurez peut être la chance de tomber sur des ventes de lots de telles leds à des prix très interressants (genre 2 ou 3 euros les10). Vouspouvez aussi profiter des périodes de Noël, pendant laquelle on trouve de plus en plus de guirlandes à leds. Certaines en comportentplus 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 plutôtinterressant (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 (HBLed, HPLed)Si les leds haute luminosité sont déjà remarquables par rapport aux leds ordinaires, que dire alors des leds très haute luminosité ?

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 (de l'ordre de 4V), d'uncourant de l'ordre de l'ampère (où sont passés nos 20 petits millampères ? )et usage obligatoire d'un radiateur, comme pour nos régulateurs de tension ou transistors qui chauffent beaucoup... Plus de détails sur lapageLeds, Watts, Lux, Lumen, Candela....

Diodes émettrices infra-rougeLes diodes IR (Infra-Rouge), qui émettent sur une longueur d'onde invisible à l'oeil humain, sont principalement utilisées dans lestélécommandes, 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 pourl'insertion directe d'une fibre optique.



Diodes émettrices ultra-violetCes diodes sont utilisées dans la constitution de détecteurs miniatures de faux billets, mais trouvent d'autres applications telles quedétection de substances particulières réagissant aux UV (par fluorescence par exemple). De telles leds équipent par exemple des stylosd'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. Mêmeprincipe que les tampons à encre invisible utilisés dans certaines discothèques ou clubs pour "marquer" les clients au moment de leurentrée (contrôles plus simple sur les entrées / sorties, un tube UV situé à l'entrée permet de voir les personnes entrant qui sont déjàtatouées).

Diodes LASERLASER =L ight Amplification byStimulatedEmission ofRadiations

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, quinécessitent des tensions d'alimentation élevées ou des sources lumineuses intenses. Les diodes LASER fonctionnent avec des tensionsd'alimentation faibles et permettent leur emploi dans des élements portables fonctionnant sur pile (porte-clés,pointeur, lecteurs code-barre). La qualité de l'alimentation requise pour ce type dediode est extrèmement critique, il est vivement conseillé de préférer lesdiodes LASER déjà équipées de leur électronique de régulation.

Lienshttp://www.national.com/appinfo/power/led.html

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