Que sont les LED et comment fonctionnent-ils?

Les LED, ou diodes émettant de la lumière, ont changé notre façon de penser l'éclairage car elles économisent de l'énergie, durent plus longtemps et peuvent être utilisées de différentes manières.Contrairement aux ampoules à l'ancienne qui font la lumière en chauffant un fil, les LED créent une lumière en déplaçant un courant électrique à travers un matériau spécial appelé semi-conducteur.Cette façon de faire de la lumière utilise beaucoup moins d'énergie et ne devient pas aussi chaude.En raison de ces avantages, les LED sont utilisées pour tout, des minuscules lumières dans les gadgets aux grands systèmes d'éclairage dans les bâtiments.Ils viennent dans différents types et couleurs, chacun adapté à différentes utilisations.Apprendre comment les LED fonctionnent et pourquoi elles sont meilleures que les lumières traditionnelles nous aident à voir pourquoi ils deviennent si populaires aujourd'hui.

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Figure 1: LEDS ou diodes émettrices de lumière

Définition et fonctionnement de base

Les LED, ou diodes émettant de la lumière, sont des dispositifs qui émettent une lumière lorsqu'un courant électrique les traverse.Chaque LED est composée de deux matériaux: un type P avec de nombreux trous (porteurs de charge positifs) et un type N avec de nombreux électrons (porteurs de charge négatifs).Lorsqu'une tension directe est appliquée, les électrons de la région de type N gagnent de l'énergie et se déplacent vers la région de type P.À la jonction P-N, les électrons remplissent les trous, libérant de l'énergie sous forme de lumière.

Contrairement aux sources d'éclairage traditionnelles, telles que les ampoules à incandescence qui convertissent l'énergie électrique en chaleur puis la lumière, les LED convertissent l'énergie électrique directement en lumière.Ce processus est beaucoup plus efficace, produisant moins de chaleur et utilisant moins d'énergie.Par conséquent, les LED sont préférées pour leur efficacité énergétique et leur longue durée de vie, nécessitant des remplacements moins fréquents et offrant des performances plus solides.

Types de LED

LED de type lampe (plomb)

Figure 2: LED de type lampe (plomb)

Les LED de type lampe (au plomb) sont un type de base de diodes émettrices de lumière (LED) avec des jambes métalliques, également appelées leads, qui relient la LED à un circuit électrique.Ces LED sont généralement recouvertes d'une petite ampoule en plastique colorée.Cette ampoule a quelques fonctions.Il propage la lumière plus uniformément, donc il ne brille pas dans une seule direction.Il protège également les minuscules pièces à l'intérieur de la LED des dommages et empêche la poussière et l'humidité.

Les LED au plomb ont une conception simple, ce qui les rend très utiles et faciles à utiliser dans de nombreux projets électroniques.En raison de cette conception simple, ils sont souvent utilisés comme voyants pour montrer si un appareil est allumé ou désactivé.Vous pouvez également les trouver dans des écrans numériques, comme ceux des calculatrices et des horloges, où ils aident à afficher les numéros et autres informations.

Pour l'éclairage décoratif, les LED au plomb sont un favori car ils sont faciles à installer et peuvent être utilisés pour créer de nombreux motifs d'éclairage différents.Les jambes métalliques permettent de les attacher aux cartes de circuits imprimées ou de les connecter à l'aide de planches à pain pour les tests.Cela les rend populaires auprès des amateurs et des ingénieurs professionnels.Ils viennent dans de nombreuses couleurs et tailles, ajoutant à leur utilité dans les configurations d'éclairage créatives et pratiques.

LED de type de puce (support de surface)

Figure 3: LED de type puce (support de surface)

Les LED de type de puce (montage de surface) sont une amélioration moderne de la technologie LED, conçue pour être attachée directement sur les circuits imprimés (PCB).Ils sont beaucoup plus petits et plus efficaces que les LED de type lampe traditionnelles, ce qui les rend parfait pour les petits appareils électroniques comme les smartphones, les tablettes et les téléviseurs LED.

Le principal avantage des LED de type puce est leur petite taille et leur efficacité.Parce qu'ils sont compacts, ils peuvent être placés près les uns des autres sur les PCB.Cela permet la création de conceptions électroniques complexes qui font beaucoup de choses différentes.Ce placement proche est très utile pour les appareils modernes qui doivent bien fonctionner dans un petit espace.Les LED de type de puce utilisent également mieux l'énergie.Ils transforment plus d'électricité en lumière avec moins de chaleur, ce qui les fait durer plus longtemps et utilisent moins de puissance.Ceci est particulièrement utile dans les appareils qui fonctionnent sur des batteries, où l'économie d'énergie est très importante.

La technologie de montage de surface (SMT) utilisée pour les LED de type puce permet aux machines de les placer rapidement et avec précision sur les circuits imprimés.Cela accélère le processus de fabrication et réduit les coûts de production.De plus, cette méthode garantit que les LED sont placées de manière cohérente et de manière fiable, ce qui est important pour que les appareils fonctionnent correctement et durent longtemps.

Les deux types de LED fonctionnent sur le même principe de base: produire de la lumière lorsqu'un courant électrique passe par un matériau spécial à l'intérieur.Le choix entre le type de lampe et les LED de type de puce dépend des exigences du projet telles que la taille, l'efficacité et la facilité d'intégration.

Longueur d'onde et couleur

La couleur d'une LED est déterminée par les matériaux utilisés pour le faire, qui émettent différentes couleurs de lumière lorsque l'électricité les traverse.Deux facteurs principaux influencent la couleur d'une LED:

Longueur d'onde maximale (λp)

Figure 4: graphique montrant la longueur d'onde de crête (λp) d'une LED

La longueur d'onde maximale (λp) est la longueur d'onde à laquelle une LED émet le plus de lumière.Par exemple, une LED rouge brille généralement la plus brillante à environ 630 nanomètres.Cela signifie que la LED produit sa lumière rouge la plus forte à cette longueur d'onde. Cendre la longueur d'onde de crête est très utile pour différentes applications.Il détermine la couleur et la luminosité de la lumière LED.Pour trouver la longueur d'onde de pointe, nous mesurons le spectre lumineux de la LED et localisons le point où la lumière est la plus intense.Par exemple, dans la technologie d'écran, la longueur d'onde de pointe exacte aide à produire les bonnes couleurs.Dans les lumières végétales, la longueur d'onde de pointe doit correspondre aux longueurs d'onde que les plantes absorbent mieux pour les aider à mieux pousser.

La longueur d'onde maximale affecte également la façon dont les LED sont faites.Les ingénieurs peuvent modifier les matériaux et la conception de la LED pour obtenir la longueur d'onde de pointe souhaitée, ce qui rend la LED meilleure pour des utilisations spécifiques.Cela implique de choisir les bons matériaux semi-conducteurs car ces matériaux déterminent l'énergie et la longueur d'onde de la lumière émise.

Longueur d'onde dominante (λd)

Figure 5: Un graphique montrant la longueur d'onde dominante (λd) d'une LED

La longueur d'onde dominante (λd) est une idée de base dans l'étude de la couleur, en particulier lorsque l'on comprend comment les yeux humains voient la lumière des LED et d'autres sources lumineuses.La longueur d'onde dominante est la couleur que les gens voient le plus clairement lorsqu'ils regardent une source lumineuse, même si cette lumière est composée de plusieurs couleurs différentes.Cette mesure est importante parce que la vision humaine combine ces multiples couleurs en une seule couleur que nous percevons.Lorsqu'une LED émet une lumière, elle le fait généralement sur une gamme de couleurs.Ces couleurs individuelles se mélangent, et la longueur d'onde dominante est la couleur qui se démarque le plus à l'œil humain.Trouver cette couleur n'est pas toujours facile car cela dépend du mélange et de la force spécifiques des différentes couleurs.Ce processus implique des calculs détaillés qui considèrent à quel point les yeux humains sont sensibles à différentes parties du spectre lumineux.

Pour trouver la longueur d'onde dominante, un dispositif appelé spectromètre est utilisé pour étudier la lumière à partir de la LED.Les données recueillies montrent à quel point la lumière est forte à chaque couleur.Ces informations sont ensuite tracées sur un diagramme de chromaticité, qui est un graphique qui représente les couleurs basées sur la vision humaine.La longueur d'onde dominante est trouvée en tirant une ligne à partir d'un point blanc central sur le diagramme à travers les coordonnées de la source lumineuse et en l'étendant jusqu'au bord du graphique.Le point où cette ligne rencontre le bord est la longueur d'onde dominante.

Connaître la longueur d'onde dominante est très utile dans les champs où une couleur précise est nécessaire, comme dans la technologie d'affichage, la conception d'éclairage et tout domaine où une correspondance précise des couleurs est requise.En contrôlant la longueur d'onde dominante, les fabricants peuvent créer des LED qui émettent des couleurs spécifiques adaptées à différentes fins, comme aider les plantes à mieux développer avec certaines couleurs claires ou produire des couleurs vives et réalistes sur les écrans.

Créer une lumière blanche avec des LED

Figure 6: Deux méthodes de création de lumière blanche avec des LED

La création de la lumière blanche avec des LED implique deux méthodes principales, chacune avec ses propres avantages et utilisations.

Une méthode consiste à combiner les LED rouges, vertes et bleues (RVB).En ajustant soigneusement l'intensité de ces trois couleurs primaires, elles peuvent être mélangées pour créer une lumière blanche.Cette technique est couramment utilisée dans les appareils qui nécessitent un contrôle précis des couleurs et une représentation précise des couleurs, telles que des écrans LED en couleur et un éclairage décoratif.Bien que cette méthode offre un excellent contrôle sur la sortie des couleurs, elle est plus complexe et plus coûteuse par rapport à l'approche du phosphore à LED bleue.Il nécessite des circuits de contrôle avancés et de l'étalonnage pour garantir que les couleurs se mélangent correctement pour produire de la lumière blanche.

L'autre méthode utilise une LED bleue associée à un revêtement en phosphore jaune.Lorsque la LED bleue est allumée, elle excite le phosphore jaune, ce qui lui fait émettre une lumière jaune.La combinaison de la lumière bleue restante et de la lumière jaune émise produit une lumière blanche.Cette méthode est populaire car elle est simple et rentable, ce qui le rend adapté à une large gamme d'applications d'éclairage.Cependant, cela peut parfois entraîner une lumière blanche avec une légère teinte bleue ou fraîche, ce qui peut ne pas être idéal pour chaque situation.

Chaque méthode est choisie en fonction de l'équilibre souhaité entre le coût, la complexité et la qualité des couleurs.La méthode LED RVB est sélectionnée pour les applications qui nécessitent un réglage précis des couleurs et une sortie lumineuse de haute qualité, tandis que la LED bleue avec méthode de phosphore jaune est souvent préférée pour sa simplicité et son abordabilité.

Efficacité d'éclairage LED

Les LED utilisent beaucoup moins d'énergie que les ampoules à incandescence traditionnelles, économisant jusqu'à 90% d'énergie.Ils produisent de la lumière en passant un courant électrique à travers une petite puce, éclairant de minuscules sources lumineuses appelées LED.Contrairement aux ampoules à incandescence, qui produisent la lumière en chauffant un filament jusqu'à ce qu'elle brille, les LED génèrent de la lumière avec beaucoup moins d'énergie.

Les LED ont des pièces appelées dissipateurs de chaleur qui aident à faire face à la chaleur qu'ils font.Ces dissipateurs de chaleur prennent et étalent la chaleur pour que les LED fonctionnent bien.Une bonne gestion de la chaleur fait que les LED durent plus longtemps et les maintient brillants.Si la chaleur n'est pas bien manipulée, les LED peuvent s'useau plus rapidement et devenir plus sombres.Combien de temps durent les LED et leur fonctionnement dépend de leur qualité et de la façon dont leurs dissipations de chaleur fonctionnent.

Durée de vie et de dégradation

La durée de vie et la répartition sont les principaux points de la compréhension des performances LED (diode émettant de la lumière).Contrairement aux ampoules régulières, qui s'épuisent généralement soudainement, les LED deviennent lentement le gradateur au fil du temps.Ce processus de gradation lente est appelé dépréciation de la lumen.

La dépréciation de la lumière se produit parce que les matériaux à l'intérieur de la LED s'usent, ce qui le fait produire moins de lumière.Nous mesurons généralement la durée de vie d'une LED par le point où sa luminosité est tombée à 70% de son niveau d'origine.Par exemple, si une LED démarre à 1000 lumens, sa durée de vie utile est considérée comme une luminosité tombe à 700 lumens.

Plusieurs choses peuvent provoquer une dépréciation de la lumière dans les LED, telles que la température, la contrainte électrique et la qualité des matériaux utilisés pour les fabriquer.Des températures élevées peuvent accélérer le port des pièces LED, ce qui les rend plus rapides.De même, le stress électrique, comme trop de courant ou de tension, peut raccourcir la durée de vie d'une LED en causant des dommages supplémentaires à ses pièces internes.

La qualité des matériaux utilisées pour fabriquer des LED affecte également considérablement la durée de leur durée.Les LED fabriquées avec de meilleures matériaux et les méthodes de construction ont tendance à durer plus longtemps et à diminuer plus lentement.D'un autre côté, les LED de qualité inférieure peuvent diminuer plus rapidement et avoir une durée de vie utile plus courte.

La dépréciation de la lumière se produit lorsque les LED perdent la luminosité au fil du temps.Cela peut être causé par plusieurs facteurs principaux:

• Une chaleur excessive peut endommager les parties internes de la LED.Les dissipateurs de chaleur aident à gérer cette chaleur, mais si elles ne fonctionnent pas bien, les pièces LED peuvent être blessées.

• Les courants et tensions électriques élevés peuvent épuiser les composants à l'intérieur de la LED.Cette usure peut rendre la LED moins brillante.

• Les matériaux utilisés dans les LED, en particulier les blancs, peuvent se dégrader avec le temps.Cette dégradation du matériau entraîne également une perte de luminosité.

• Des conditions environnementales comme l'humidité et la poussière peuvent affecter les LED.L'humidité peut provoquer la rouille des pièces ou un court-circuit, et la poussière peut bloquer la lumière ou interférer avec le fonctionnement de la LED.

Applications des LED

Les LED, ou diodes émettant de la lumière, ont beaucoup changé l'industrie de l'éclairage car elles sont polyvalentes et efficaces.Ils peuvent être utilisés à bien des égards, des ampoules régulières aux luminaires intégrés.L'un des principaux avantages des LED est leur petite taille, qui permet des conceptions d'éclairage créatives et innovantes.Cela rend les LED parfaites pour remplacer les ampoules traditionnelles et être intégrés dans des luminaires personnalisés, offrant des solutions d'éclairage durables et économiques.

Dans les solutions d'éclairage hybrides, les LED sont combinées avec des conceptions d'éclairage traditionnelles.Ces systèmes ont souvent des pièces LED remplaçables dans des luminaires spécialement conçus, ce qui facilite les entretenir et les améliorer.Cette combinaison prend les meilleures parties des technologies d'éclairage anciennes et nouvelles, améliorant l'expérience utilisateur globale.

Les LED peuvent être utilisées dans de nombreux endroits différents, des maisons aux milieux industriels.Leur efficacité énergétique est un gros avantage car les LED utilisent moins d'énergie par rapport aux lumières traditionnelles.Cela signifie des factures d'énergie plus faibles et un impact plus faible sur l'environnement.De plus, les LED durent plus longtemps, ils n'ont donc pas besoin d'être remplacés aussi souvent, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent.

Gestion thermique dans les LED

Figure 7: Gestion thermique dans les LED

Une bonne gestion de la chaleur est très utile pour la façon dont les LED fonctionnent bien et combien de temps ils durent.Lorsque les LED sont utilisées, elles produisent de la chaleur.Si cette chaleur n'est pas bien gérée, elle peut rapidement endommager les LED, ce qui les rend moins efficaces et raccourcissait leur vie.

Une partie importante de la gestion de la chaleur LED est le dissipateur thermique.Les dissipateurs de chaleur aident en se déménageant et en étalant le feu loin de la connexion de la puce LED avec le circuit imprimé, ce qui le rend plus frais.Le fonctionnement d'un dissipateur de chaleur dépend beaucoup de ce dont il est fait et de sa conception.

Des matériaux comme l'aluminium et le cuivre sont souvent utilisés pour les dissipateurs de chaleur car ils peuvent éloigner efficacement la chaleur.De plus, la conception des dissipateurs de chaleur comprend généralement des caractéristiques telles que les ailettes, qui augmentent la surface qui peut libérer la chaleur.Cette surface plus grande aide la chaleur à étaler la chaleur de la LED, en gardant la LED plus froide et en s'assurant qu'il fonctionne bien pendant longtemps.

Différences entre l'éclairage LED et traditionnel

Les LED offrent plusieurs avantages par rapport à l'éclairage traditionnel à incandescence et CFL (lampe fluorescente compacte), en particulier dans le sens léger et la gamme de couleurs:

• Éclairage directionnel: les LED émettent la lumière dans une direction spécifique, idéale pour les besoins d'éclairage ciblés comme la lecture de lampes ou des projecteurs.En revanche, les ampoules à incandescence et CFL émettent la lumière et la chaleur dans toutes les directions, nécessitant souvent des réflecteurs ou des nuances pour concentrer la lumière, entraînant un gaspillage énergétique.

• Options de couleur: les LED offrent une large gamme de couleurs, notamment l'ambre, le rouge, le vert et le bleu.La lumière blanche peut être créée en mélangeant différentes LED de couleur (par exemple, rouge, vert et bleu) ou en utilisant des LED enrobées de phosphore qui émettent de la lumière blanche lorsque la lumière bleue ou ultraviolette passe à travers le phosphore.Cette large gamme de couleurs permet aux LED de répondre à divers besoins d'éclairage, de l'éclairage chaud et confortable à un éclairage vif et semblable à la lumière du jour.

Comment fonctionnent les LED?

Figure 8: Structure d'une LED

Les LED (diodes émettant de la lumière) fonctionnent comme des diodes et dégagent la lumière lorsqu'elles sont biaisées vers l'avant.Dans cette configuration, le côté négatif (cathode) est connecté à la borne négative d'une source d'alimentation, et le côté positif (anode) est connecté au terminal positif.Cet arrangement permet aux électrons de la région n gagne de l'énergie et se déplace vers la région p.Lorsque ces électrons traversent la jonction et rencontrent des trous dans la région p, ils libèrent de l'énergie sous forme de lumière.

La couleur de la lumière qu'une LED émet dépend des matériaux semi-conducteurs utilisés.Par exemple, l'arséniure de gallium produit une lumière infrarouge, tandis que le phosphure de gallium peut produire une lumière verte ou rouge.Ces différences de couleur proviennent des différents niveaux d'énergie des matériaux, qui décident de la longueur d'onde de la lumière dégagée.

Une LED est construite avec un cadre de plomb, souvent appelé enclume, qui est connecté au terminal de la cathode.Ce cadre contient le matériau semi-conducteur.La région P du semi-conducteur est placée près de la surface pour s'assurer que plus de lumière sort de la LED au lieu d'être piégée à l'intérieur.Cette conception aide à augmenter la luminosité et l'efficacité de la LED.

Conclusion

Les LED présentent de nombreux avantages par rapport aux lumières traditionnelles.Ils utilisent moins d'énergie, durent plus longtemps et offrent une meilleure qualité de lumière.Les LED fonctionnent en déplaçant des électrons à travers un semi-conducteur, transformant directement l'énergie électrique en lumière avec très peu de chaleur.Ils peuvent produire différentes couleurs en fonction des matériaux utilisés, et les différentes conceptions des LED de type de lampe et de type de puces les rendent encore plus utiles.À mesure que la technologie s'améliore, les LED continuent de s'améliorer, offrant plus d'avantages et utilisés de plus de manières.En comprenant comment fonctionnent les LED et leurs avantages, il est clair pourquoi ils deviennent le choix préféré pour l'éclairage dans nos maisons, nos bureaux et au-delà.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Comment fonctionne l'affichage LED?

Un écran LED fonctionne en utilisant de nombreuses petites lumières appelées diodes émettantes (LED).Ces minuscules lumières brillent de différentes couleurs pour créer des images et du texte.Les circuits électroniques contrôlent ces lumières, les allumant et les éteignent rapidement pour montrer les images et les motifs souhaités.

2. À quoi servent les deux principales choses?

Les LED sont principalement utilisées pour l'éclairage et les écrans.Pour l'éclairage, ils offrent une lumière brillante et économique pour les maisons, les rues et les véhicules.Pour les écrans, ils sont utilisés dans des écrans pour les téléviseurs, les ordinateurs et les panneaux d'affichage.

3. Quel est le principe de LED et de son travail?

Le principe d'une LED est basé sur un processus appelé électroluminescence.Lorsqu'un courant électrique traverse le matériau de la LED, il dégage de la lumière.Cela se produit parce que l'énergie électrique fait que les électrons se combinent avec d'autres particules, libérant l'énergie comme de la lumière.

4. Pourquoi les LED sont-elles importantes?

Les LED comptent parce qu'ils économisent de l'énergie, durent longtemps et sont bons pour l'environnement.Ils utilisent moins d'électricité que les lumières traditionnelles et ont une durée de vie beaucoup plus longue, ils n'ont donc pas besoin d'être remplacés aussi souvent.

5. Quels sont les avantages des LED?

Les avantages des LED comprennent l'utilisation de moins d'énergie, une durée de vie plus longue, d'être plus durable, d'être plus petite et de s'allumer et plus rapidement.Ils produisent également moins de chaleur et viennent en plusieurs couleurs, ce qui les rend utiles à différentes fins.