Qu'est ce qu'une LED et comment ça marche ?

Introduction

La diode électroluminescente, DEL en Français, mieux connue sous son acronyme anglais LED (Light Emitting Diode), a révolutionné le monde de l'éclairage au cours des dernières décennies. Depuis leur apparition sur le marché dans les années 1960, les LED ont fait des bonds prodigieux en termes de performances, d'efficacité et de variété d'applications, ce qui a permis leur adoption massive dans de nombreux secteurs.

Les LED sont des dispositifs semi-conducteurs qui émettent de la lumière lorsqu'un courant électrique les traverse. Le terme "diode électroluminescente" provient de cette capacité : "diode" fait référence à la structure semi-conductrice du dispositif, "électro-" indique que le dispositif fonctionne grâce à l'électricité, et "luminescente" décrit la production de lumière.

Les LED sont réputées pour leur durabilité, leur efficacité énergétique et leur capacité à produire une lumière de différentes couleurs sans avoir besoin de filtres colorés, contrairement aux anciennes technologies d'éclairage. Ces avantages ont permis aux LED de pénétrer presque tous les aspects de notre vie quotidienne, du simple éclairage domestique aux écrans de télévision, en passant par l'éclairage des véhicules, et même l'éclairage public.

L'histoire de la LED est celle d'une véritable révolution dans le domaine de l'éclairage qui a abouti à un éventail de technologies d'éclairage avancées. Cet article va explorer en profondeur l'histoire, le fonctionnement, les applications et l'impact des LED.

Découverte et Histoire des LED

La diode électroluminescente, ou LED, trouve son origine dans les recherches sur les semi-conducteurs menées au début du 20e siècle. C'est en 1907 que le britannique H.J. Round, collaborateur de Marconi, observe pour la première fois la luminescence d'un cristal de carbure de silicium soumis à un courant électrique. Cependant, cette découverte reste inexploitée, car elle ne correspond pas aux objectifs de l'époque, qui se concentraient davantage sur l'amélioration des technologies radio.

C'est seulement en 1962 que le premier prototype de LED est créé par l'ingénieur américain Nick Holonyak Jr, qui travaille alors chez General Electric. Holonyak est à la recherche d'une source de lumière plus efficace et invente la première LED pratique, qui émet une lumière rouge visible. Ce fut un tournant majeur dans l'histoire des LED, car c'est à partir de là que la technologie a commencé à être utilisée dans des applications commerciales.

Au cours des années suivantes, la technologie LED a connu des développements importants. En 1972, l'ingénieur M. George Craford, un ancien élève de Holonyak, a mis au point la première LED jaune et une LED rouge plus lumineuse. Les années 90 ont été marquées par la création des LED bleues par Shuji Nakamura, un chercheur japonais, qui ont permis de compléter le spectre de couleurs des LED et ont ouvert la voie à la création des LED blanches, par combinaison des trois couleurs primaires.

Au 21e siècle, la technologie LED s'est démocratisée et est devenue omniprésente. Grâce à leurs nombreux avantages, notamment leur efficacité énergétique, leur longue durée de vie et leur faible production de chaleur, les LED sont aujourd'hui largement utilisées dans une grande variété d'applications. Les LED sont désormais une part essentielle de notre quotidien, et l'évolution des LEDs marque un véritable bouleversement dans l'histoire de l'éclairage.

Qu'est-ce qu'une LED ?

Une LED est un type de diode, qui est elle-même un type de composant électronique semi-conducteur. Une diode électroluminescente est un dispositif électronique semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique la traverse. La lumière produite par une LED n'est pas le résultat d'une incandescence (comme c'est le cas pour les ampoules à filament traditionnelles), mais plutôt d'un processus appelé électroluminescence.

L'électroluminescence est un phénomène optique et électrique au cours duquel un matériau émet de la lumière en réponse à un champ électrique ou à un courant électrique. En termes simples, lorsqu'un courant électrique traverse la LED, les électrons se déplacent à travers la structure semi-conductrice de la diode, rencontrent des "trous" (des emplacements vacants d'électrons) et libèrent de l'énergie sous forme de photons, qui sont des particules de lumière.

La couleur de la lumière produite par la LED dépend de la nature du matériau semi-conducteur utilisé et de l'énergie des photons émis. Par exemple, les premières LED utilisaient du gallium arsenide pour produire une lumière rouge. Au fil du temps, l'adoption de matériaux semi-conducteurs différents et l'amélioration de la technologie LED ont permis de produire une vaste gamme de couleurs, allant de l'ultraviolet au rouge profond, en passant par toutes les couleurs visibles et même l'infrarouge.

La structure d'une LED est généralement petite et compacte, et elle est souvent encapsulée dans du plastique transparent qui sert de lentille, concentrant la lumière dans une direction spécifique. Contrairement aux ampoules traditionnelles, les LED n'ont pas de filament qui peut brûler ou se casser, ce qui les rend beaucoup plus durables et fiables.

En résumé, une LED est une petite source de lumière extrêmement efficace et résistante qui émet de la lumière en réponse à un courant électrique, offrant une flexibilité et une durabilité qui ont révolutionné l'industrie de l'éclairage.

Comment fonctionne une LED ?

Pour comprendre comment une LED fonctionne, il est nécessaire de comprendre d'abord ce qu'est une diode et comment elle opère. Une diode est un dispositif qui permet au courant de circuler dans une seule direction. Sa structure comprend deux parties principales : une région dite "N" et une région "P". La région N a un excès d'électrons (particules négatives), tandis que la région P a un manque d'électrons, appelé trous (particules positives). Quand ces deux régions sont connectées ensemble, les électrons de la région N cherchent à combler les trous de la région P, créant une jonction.

Dans une LED, quand le courant est appliqué dans la bonne direction, les électrons de la région N traversent la jonction et remplissent les trous de la région P. Ce mouvement d'électrons vers les trous est ce qui permet à la lumière d'être produite. Chaque fois qu'un électron remplit un trou, il tombe dans un état d'énergie inférieur et libère de l'énergie sous forme de photon, c'est-à-dire une particule de lumière. Ce processus est connu sous le nom d'électroluminescence.

La couleur de la lumière émise par la LED dépend de la quantité d'énergie, ou plus précisément de la différence d'énergie, que l'électron libère lorsqu'il tombe dans le trou. Cette différence d'énergie est déterminée par le matériau semi-conducteur utilisé pour fabriquer la LED. Par exemple, les LED en arséniure de gallium émettent de la lumière rouge, les LED en nitrure de gallium émettent de la lumière bleue, et les LED en phosphure de gallium émettent de la lumière verte.

Ces couleurs peuvent être combinées pour produire une lumière blanche, ou une gamme de couleurs différentes peuvent être produites en utilisant des matériaux semi-conducteurs différents. De plus, la forme et la taille de la LED peuvent être modifiées pour obtenir des effets d'éclairage différents. L'intensité de la lumière peut être contrôlée par le courant appliqué.

En résumé, une LED fonctionne en appliquant un courant électrique qui permet aux électrons de traverser une jonction entre deux régions de matériaux semi-conducteurs. Lorsque ces électrons tombent dans les trous de l'autre région, ils libèrent de l'énergie sous forme de photons, créant ainsi de la lumière.

Principaux points forts de l'éclairage LED

1. Efficacité énergétique: Les LED sont extrêmement efficaces en termes d'énergie par rapport aux sources d'éclairage traditionnelles. Elles sont capables de transformer environ 90% de leur énergie en lumière, contre seulement 20% pour une ampoule à incandescence, les 80% restants étant perdus sous forme de chaleur. Cela signifie que les LED consomment beaucoup moins d'énergie pour produire le même niveau de lumière, ce qui se traduit par des économies significatives sur la facture d'électricité. De plus, leur efficacité énergétique les rend plus respectueuses de l'environnement, contribuant à la réduction de l'empreinte carbone.
2. Durabilité: Les LED sont conçues pour durer. Contrairement aux ampoules à incandescence qui ont une durée de vie moyenne de 1 000 à 2 000 heures, une LED peut fonctionner pendant 25 000 à 50 000 heures, voire plus. C'est en partie dû au fait qu'elles produisent très peu de chaleur, ce qui signifie qu'elles ne sont pas sujettes à l'usure que peuvent subir les autres types d'ampoules. Cela signifie moins de remplacements au fil du temps, ce qui est à la fois pratique et économique.
3. Flexibilité de conception: Les LED offrent une grande flexibilité en matière de conception. Elles sont disponibles dans une grande variété de formes, de tailles et de couleurs, et peuvent être utilisées de manière individuelle ou combinées pour créer des effets d'éclairage sur mesure. Que ce soit pour un éclairage d'accentuation, de paysage, de tâche ou d'ambiance, les LED peuvent répondre aux besoins. De plus, leur taille compacte permet de les intégrer dans des espaces réduits où les autres types d'éclairage pourraient ne pas convenir.
4. Lumière de qualité: Les LED sont capables de produire une lumière de haute qualité. Elles offrent un excellent indice de rendu des couleurs (IRC), ce qui signifie qu'elles reproduisent les couleurs de manière très précise. De plus, elles permettent un contrôle précis de la distribution de la lumière, ce qui réduit les problèmes d'éblouissement et améliore le confort visuel. Les LED peuvent également être dimmées pour ajuster l'intensité de l'éclairage selon les besoins, et certaines peuvent même changer de couleur.
5. Sécurité: Les LED sont l'un des types d'éclairage les plus sûrs disponibles. Comme elles fonctionnent à basse tension, le risque de choc électrique est réduit. De plus, comme elles produisent très peu de chaleur, elles sont moins susceptibles de causer des incendies que les autres types d'éclairage. Et contrairement aux lampes fluorescentes, elles ne contiennent pas de mercure, ce qui les rend plus sûres pour l'environnement en cas de casse ou de mise au rebut.
6. Respect de l'environnement: Les LED sont une source d'éclairage respectueuse de l'environnement pour plusieurs raisons. Premièrement, comme mentionné précédemment, leur grande efficacité énergétique signifie qu'elles consomment moins d'électricité, contribuant ainsi à réduire les émissions de gaz à effet de serre. De plus, leur longue durée de vie signifie qu'elles doivent être remplacées moins fréquemment, ce qui réduit les déchets. Ensuite, de nombreux fabricants de LED travaillent à développer des méthodes de production plus vertes et plus durables, y compris l'utilisation de matériaux recyclés et l'amélioration de l'efficacité de la fabrication pour réduire encore plus leur empreinte environnementale.

Les différents types de LED

Il existe plusieurs types de LED, chacune ayant des caractéristiques et des applications spécifiques. Parmi les types les plus courants, on trouve :

• LED à couleur unique: Comme leur nom l'indique, ces LED émettent une seule couleur. Elles sont largement utilisées dans une variété d'applications, allant des écrans de télévision aux éclairages intérieurs et extérieurs. Elles sont disponibles dans une variété de couleurs, y compris le rouge, le vert, le bleu, l'ambre et le blanc.
• LED RVB (Rouge, Vert, Bleu): Ces LED sont capables de produire une gamme de couleurs en ajustant l'intensité des trois diodes de couleur primaire - rouge, vert et bleu. Elles sont couramment utilisées dans les éclairages d'ambiance, les panneaux d'affichage et les écrans de télévision.
• LED blanches: Ces LED émettent une lumière blanche et sont largement utilisées pour l'éclairage général. Elles sont fabriquées en utilisant une combinaison de LED bleues et d'un phosphore jaune, ou en combinant les lumières rouge, verte et bleue.
• LED organiques (OLED): Ce type de LED utilise des matériaux organiques pour produire de la lumière. Elles sont souvent utilisées dans les écrans de télévision, les écrans d'ordinateur et les smartphones en raison de leur capacité à être fabriquées en feuilles minces et flexibles.
• LED à infrarouge: Ces LED émettent de la lumière infrarouge, qui n'est pas visible à l'œil humain. Elles sont souvent utilisées dans les télécommandes, les systèmes de sécurité et d'autres applications qui nécessitent une transmission sans fil.

L’efficacité lumineuse des LED

Les diodes électroluminescentes, plus couramment appelées LED, présentent une efficacité lumineuse impressionnante. Cette efficacité, ou quantité de lumière produite par unité d'énergie consommée, varie selon le type de LED, avec des valeurs allant de 20 à 100 lumens par watt (lm/W). En conditions expérimentales contrôlées, des rendements allant jusqu'à 200 lm/W ont même été atteints.

Un certain nombre de facteurs influencent l'efficacité lumineuse des LED, y compris leur couleur ou température de couleur dans le cas des LED blanches, leur puissance et la marque de fabrication. Par exemple, l'efficacité des LED bleues est généralement plafonnée à environ 30 lm/W, tandis que les LED vertes peuvent atteindre une efficacité lumineuse jusqu'à 100 lm/W.

Il est intéressant de noter que l'efficacité lumineuse maximale théorique, dans le cas où toute l'énergie électrique serait convertie en lumière visible, est de 683 lm/W. Cependant, cela suppose un spectre monochromatique de longueur d'onde de 555 nm. En comparaison, l'efficacité lumineuse théorique d'une LED blanche est d'environ 250 lm/W. Cette différence est due à la sensibilité optimale de l'œil humain, qui se situe autour de 555 nm.

Avec les avancées technologiques, les LED blanches de dernière génération offrent une efficacité lumineuse supérieure à celle des lampes à incandescence et même des lampes fluorescentes compactes. Le spectre de la lumière émise par ces LED est principalement dans le domaine du visible (longueurs d'onde entre 400 nm et 700 nm), avec très peu d'émission d'infrarouges, sauf si elles sont spécialement conçues pour cela.

L'efficacité lumineuse d'une LED est également déterminée par sa conception. Les photons, pour s'échapper du semi-conducteur et traverser l'enveloppe externe en époxy, doivent éviter l'absorption et la réflexion à la surface du semi-conducteur. Une fois à l'intérieur de l'enveloppe en résine époxy, la lumière doit également traverser les interfaces air-époxy avec le moins de réflexion possible, ce qui est facilité par la forme du dôme. En somme, l'efficacité lumineuse des LED est une caractéristique remarquable qui continue de s'améliorer avec le temps, offrant un éclairage plus performant et plus durable.

Les domaines d'utilisation des LED

L'éclairage LED présente une large gamme d'applications grâce à ses multiples avantages et à la diversité de ses types. Voici quelques-unes des nombreuses applications de l'éclairage LED:

• Éclairage domestique: Les LED sont couramment utilisées pour l'éclairage intérieur dans les maisons sous forme de lampes, luminaire, appliques murales. Elles sont également utilisées pour l'éclairage extérieur. Si vous cherchez à avoir un éclairage LED optimal chez vous, essayez de trouver un bon électricien à Paris 15eme notamment afin d'avoir une installation personnalisée et sécuritaire.
• Décoration: Les LED sont largement utilisées pour la décoration intérieure et extérieure. Les guirlandes LED, les projecteurs LED, les rubans LED et les autres formes d'éclairage décoratif à LED sont populaires pendant les périodes de fêtes et pour les événements spéciaux.
• Éclairage commercial et industriel: Les LED sont utilisées dans les usines, les ateliers, les entrepôts et d'autres installations industrielles, où leur longue durée de vie et leur faible consommation d'énergie sont particulièrement bénéfiques. Elles sont également largement utilisées dans les enseignes lumineuses et les écrans d'affichage.
• Éclairage public: Les LED sont de plus en plus utilisées pour l'éclairage public et les panneaux d'affichage. Elles sont également utilisées pour les feux de signalisation et les enseignes de circulation.
• Éclairage de véhicules: Les LED sont largement utilisées dans l'éclairage des véhicules, y compris les phares, les feux arrière, les feux de signalisation, les feux de freinage, l'éclairage intérieur et l'éclairage du tableau de bord.
• Électronique: Les LED sont utilisées dans une variété d'appareils électroniques, y compris les télévisions, les ordinateurs, les smartphones, les tablettes, les consoles de jeux, les lecteurs de musique et d'autres appareils.
• Utilisation médical: Les LED sont utilisées dans une variété d'applications médicales, y compris l'éclairage chirurgical, l'éclairage dentaire, la photodynamique (traitement du cancer et d'autres maladies) et la thérapie par la lumière (traitement des troubles de l'humeur et du sommeil).
• Éclairage d'urgence et de sécurité: En raison de leur longue durée de vie et de leur fiabilité, les LED sont couramment utilisées dans les systèmes d'éclairage d'urgence et de sécurité. Cela inclut les feux de sortie et les éclairages de secours.

Avantages et inconvénients des LED

Les +

1. Durabilité: Les LED ont une durée de vie prolongée, souvent mesurée en dizaines de milliers d'heures, ce qui signifie qu'elles nécessitent moins de remplacements que les ampoules traditionnelles.
2. Efficacité énergétique: Elles consomment moins d'énergie que la plupart des autres sources de lumière, ce qui peut conduire à des économies d'énergie significatives sur le long terme.
3. Résistance: Les LED sont robustes et résistantes aux chocs et aux vibrations, ce qui les rend particulièrement utiles dans des environnements où ces conditions sont courantes.
4. Sécurité: Comme les LED n'émettent pas de chaleur, elles sont sûres au toucher, même après des heures de fonctionnement et sont une bien meilleur option pour lutter contre les incendies.
5. Flexibilité de conception: Les LED peuvent produire une variété de couleurs sans l'utilisation de filtres de couleur, ce qui offre une grande flexibilité de conception.
6. Petite taille: Les LED sont généralement très petites et peuvent facilement être montées sur des circuits imprimés, ce qui les rend idéales pour une large gamme d'applications.
7. Facilité de montage: Grâce à leur taille réduite et leur flexibilité, les LED peuvent être facilement montées sur des circuits imprimés, ce qui facilite leur intégration dans divers produits.
8. Fonctionnement en basse tension: Les LED peuvent fonctionner à très basse tension, ce qui les rend sûres et facile à utiliser même dans des environnements à faible tension.
9. Rapidité d'allumage: Les LED s'allument et s'éteignent en un temps très court, ce qui les rend idéales pour une utilisation dans des applications nécessitant une réponse rapide.

Les -

1. Limites de température de fonctionnement: Les LED ont des limites de température de fonctionnement, ce qui signifie qu'elles peuvent ne pas fonctionner efficacement dans des environnements très chauds ou très froids.
2. Efficacité lumineuse: Pour certaines LED elle peut diminuer rapidement tout au long de leur durée de vie, ne fournissant plus que 20% de leur lumière initiale en fin de vie. Cependant, les LED haut de gamme maintiennent jusqu'à 70% de leur luminosité originale. Le vieillissement et la température peuvent accélérer cette baisse, et certaines LED blanches peuvent même virer au vert avec le temps.
3. Couleur de LED: L'indice de rendu des couleurs (IRC) des LED a nettement évolué depuis 2010. Les LED blanches sont généralement des LED bleues ou UV dont une partie de la lumière est transformée en lumière jaune par fluorescence. Ce processus, utilisant un luminophore, donne un spectre moins régulier que les lampes halogènes. Dans certains cas, le blanc est obtenu par la combinaison de trois diodes de différentes couleurs.

Conclusion

En somme, les diodes électroluminescentes (LED) représentent une avancée technologique majeure en matière d'éclairage, qui a complètement révolutionné ce domaine au fil des années. Grâce à leur longévité, leur efficacité énergétique, leur robustesse, leur diversité et leur flexibilité, elles ont ouvert un large éventail de possibilités et d'applications, allant des écrans de télévision à l'éclairage domestique, en passant par l'art, les automobiles, la signalisation, et bien plus encore.

Cependant, comme toute technologie, elles ne sont pas exemptes de défis et de limitations. Néanmoins, la progression rapide de la technologie des LED et l'innovation constante dans ce domaine signifient que leurs performances ne cessent de s'améliorer. Les recherches et les développements en cours s'efforcent de résoudre les problèmes existants et d'améliorer encore plus leurs avantages. Et il est certain qu'elles continueront à jouer un rôle clé dans l'avenir de l'éclairage et de l'électronique.