Principe de fonctionnement
Le mot
LED est
l'acronyme de Light Emitting Diode (Diode Electroluminescente en
français). Le symbole de la LED ressemble à celui de la diode mais on y a
ajouté deux flèches sortantes pour représenter le rayonnement lumineux
émis.
Symbole de la LED.
Electroluminescence
La physique des semi-conducteurs nous enseigne que les électrons dans
les solides cristallins se situent à des niveaux d'énergie spécifiques.
Ces niveaux très proches les uns des autres, sont regroupés en "bandes
d'energie".
Un électron de la bande de valence peut passer dans la bande de
conduction à condition d'acquérir une énergie supplémentaire au moins
égale à Delta E.
C'est l'
effet photoelectrique.
Un électron de la bande de conduction peut passer dans une bande de
valence. Dans ce cas il libère une énergie au moins égale à Delta E.
Cette énergie peut être :
- Dissipée sous forme de chaleur (phonons),
- émise sous forme de lumière (photons).
C'est l'effet électroluminescence (visible ou non).
Jonction P.N.
Ce phénomène d'électroluminescence sera obtenu à la condition de
créer une forte quantité d'électrons dans la bande de conduction.
On l'obtient par injection de porteurs en polarisant dans le sens
direct, une jonction PN à semi-conducteur.
Le même résultat aurait pu être obtenu en irradiant le cristal avec une
source lumineuse d'énergie importante (photoluminescence) ou par
bombardement électronique (cathodoluminescence).
Selon la fabrication, la lumière peut être émise soit latéralement, soit perpendiculairement à travers la mince couche N ou P.
Caractéristiques optiques
Longueur d'onde du pic d'émission
Cette valeur nous indique la longueur d'onde (lambda p), en
nano-mètre, à laquelle est émis la plus importante partie du rayonnement
(wavelength). La valeur est donnée pour une intensité de
courant (IF).
Spectre ou largeur spectrale à mi-intensité
Le spectre d'émission d'une diode LED est relativement étroit.
Exemple : pour une longueur d'onde à intensité maximale égale à 520
nm,
la longueur d'onde à intensité moitié pourra être comprise de 505 nm à 535 nm (soit une largeur spectrale de 30 nanomètres).
Il existe actuellement plusieurs types de LED donnant chacun des
spectres différents. Cela est obtenu par la variété des semi-conducteurs
utilisés pour fabriquer les jonctions PN.
Exemples dans le tableau suivant pour l'obtention de certaines longueurs d'onde :
| Matériaux | Rayonnement | Longueur d'onde |
|---|
| InAs | infra-rouge | 315 nm ou 3,15 µm |
| InP | infra-rouge | 910 nm |
| GaAsP4 | rouge | 660 nm |
| GaAsP82 | jaune | 590 nm |
| GaP | vert | 560 nm |
Correspondance couleurs, longueurs d'onde et énergie des photons
| Couleur | Longueur d'onde (nm) | Energie des photons (eV) |
|---|
| UltraViolet | < 390 | > 3,18 |
| Violet | 390-455 | 2,72-3,18 |
| Bleu | 455-490 | 2,53-2,72 |
| Cyan | 490-515 | 2,41-2,53 |
| Vert | 515-570 | 2,18-2,41 |
| Jaune | 570-600 | 2,06-2,18 |
| Orange | 600-625 | 1,98-2,06 |
| Rouge | 625-720 | 1,72-1,98 |
| InfraRouge | > 720 | < 1,72 |
Diagramme de rayonnement
Le flux lumineux n'est pas homogène tout autour de la LED. La répartition spatiale de la puissance émise dépend de la forme de la diode LED :
- forme de la partie émissivee (point, trait...),
- avec lentille de concentration ou sans,
- diffusante ou non.
Cette répartition est définie par le diagramme de rayonnement qui
représente la répartition angulaire de l'intensité relative émise.
Exemple :
Angle d'émission à mi-intensité
Les fabricants précisent souvent l'angle pour lequel l'intensité lumineuse a été réduite de moitié.
Sur le diagramme ci-dessus, le point rouge indique un angle de 10 degrés
et le point vert un angle de 50° pour une intensité relative émise de
50%.
Intensité lumineuse
L'intensité lumineuse (mesurée en candelas) est la quantité de
lumière émise dans une certaine direction à 1 mètre de distance. Dans
les caractéristiques optiques des leds nous l'exprimons aussi en
micro-candela (
mcd) et se note I
V.
Caractéristiques électriques
Point de fonctionnement et tension direct
Une LED se comporte électriquement comme une diode. Pour émettre elle doit être
polarisée en direct.
La caractéristique I
F(V
F) montre que la tension de conduction de la diode LED (forward voltage) est environ 1,5 Volts à 2
V.
Le courant I
F vaut environ
E-2V/R.
En pratique, le constructeur préconise 10 à 20
mA.
Le courant traversant la LED détermine l'intensité lumineuse émise.
Remarque : certaines diodes ont des tensions de construction de l'ordre de 3 Volts et plus.
Tension inverse (VR)
Dans certains cas, on peut avoir besoin de polariser en inverse la LED.
La diode est alors éteinte : elle n'émet plus d'intensité lumineuse.
Mais attention, la diode LED ne peut pas supporter des tensions inverses
trop importantes comme une diode de redressement par exemple.
Les valeurs courantes se situent telles que V
R max = ± 3V à
5V (reverse voltage) ; au dela de ces valeurs il y a endomagement ou
destruction du composant. En cas de besoin nous plaçons une diode
normale en série avec la LED.
Courant direct en continu (IF)
Le courant direct (mA) est donné en règle générale pour une température ambiante (TA) de 25
°C. C'est le courant permanent que peut suporter la diode. Comme un semi-conducteur chauffe (avec agravement si
TA > 25°C), il est recommandé de réduire l'intensité du courant (forward current).
Courant direct de crête (IFM)
C'est l'intensité d'une impulsion de courant direct maximum qui peut
être appliquée à la LED pendant une durée déterminée. Entre deux
impulsions de cette intensité,
le composant doit avoir le temps de refroidir. Il faudra donc choisir un
rapport entre durée d'impulsion et durée de pause assez grand.
Puissance et température de fonctionnement
La température de jonction doit rester inférieure à 125°C.
Mais souvent les diodes LED sont montées dans des boitiers plastiques.
Dans ce cas, la température de fonctionnement ne doit pas dépasser
100°C.
La puissance que peut dissiper une diode LED commune (ou utilisée en
tant que témoin lumineux) est de l'ordre de 20 à 100
mw.
Les puissances des diodes LEDs destinées aux applications d'éclairage de
locaux ou des lieux publiques sont de l'ordre du Watt voir beaucoup
plus quand il s'agit de module LED.
Influence de la tension directe
Toutes les LEDs présentent des variations de tension directe en
fonction des changements de température de jonction. Le coefficient de
température dépend du type de jonction. Les LEDs InGaAlP (jaune, orange
et rouge) ont un coefficient compris entre -3,0
mV/K à -5,2 mV/K, et la LED InGaN (bleu, vert et blanc) ont un coefficient compris entre -3,6 mV/K et -5,2 mV/K.
Influence du courant IF sur l'intensité lumineuse
L'œil est sensible à l'intensité lumineuse moyenne
émise. L'intensité lumineuse donnée par le fabricant est obtenue dans
des conditions de fonctionnement qu'il doit spécifier. Généralement il
utilise un courant continu (à TA = 25°C).
D'autres valeurs de courant se traduisent par d'autres intensités lumineuses. En exploitant d'autres caractéristiques Iv (IF)
on s'aperçoit alors que l'intensité lumineuse augmente plus vite que le courant, c'est-à-dire que le rendement augmente
pour un courant IF, élevé mais bref, appelé .
Il est alors extrêmement intéressant d'alimenter la LED en courant pulsé au lieu du courant continu.
La valeur crête du courant permet alors d'obtenir des intensités lumineuses importantes.
De ce fait nous pouvons :
- augmenter l'intensité lumineuse émise à consommation électrique moyenne égale,
- diminuer la consommation électrique tout en obtenant une intensité lumineuse égale,
- réduire l'échauffement de la jonction.
Influence de l'intensité lumineuse sur la température
L'intensité lumineuse diminue à mesure que la température augmente.
Il s'agit d'un résultat de l'évolution des gains d'efficacité dans le
semi-conducteur, et non le résultat de la variation de la tension direct
en fonction de la température. Ce changement de température est non
linéaire.
Décalage des coordonnées de chromaticité
Les caractéristiques de couleur des LED sont dépendantes du courant
direct. Une attention particulière doit être accordée lors de
l'utilisation des pilotes ou driver utilisés avec des LEDs
RVB.
Les gradateurs d'éclairage ne devraient pas modifier le rendu des
couleurs. La solution préférée, est une gradation par PWM pour que
chaque LED, de la composante RVB, soit pilotée avec le courant direct
adapté.
Caractéristiques physiques
Composants traversants
Les fabriquants proposent maintenant des leds de formes variées ; la
plus commune de toutes étant la ronde. Elle se décline en plusieurs
diamètre : 1,35 mm, 3 mm, 5 mm... 10mm. Nous trouvons également des led
rectangulaires, triangulaires, carrées et en barre. Il faut bien repérer
les connexions anode et cathode et respecter les consignes de mise en
oeuvre lors de l'implantation de la led sur le circuit imprimé ou du
soudage avec des fils.
Composants CMS
Sous cette forme les boitiers sont moins encombrants et nous pouvons
en souder plus sur une surface données. Ils conviennent pour la
réalisation d'affichage, de feux de signalisation, modules électroniques
miniatures ou une matrice de leds.
Réseau de LEDs
Les diodes électroluminescences discrètes peuvent être organisées en réseaux linéaires ou plan.
Dans le premier cas, elles peuvent remplacer un affichage analogique classique (galvanomètre).
Dans le second cas, elles serviront à toutes sortes d'affichages, y
compris graphiques et leur commandes sera généralement multiplexée.
Commande d'un réseau linéaire avec signal analogique
Après l'affichage par galvanomètre, puis l'affichage numérique, on
trouve maintenant de plus en plus, un affichage mixte, où les valeurs
analogiques sont quantifiées et affichées en échelle par tout ou rien.
C'est l'affichage analogique linéaire "bar-graph".
Formes
Les formes peuvent être variées :
- en ligne horizontale,
- verticale,
- multiple,
- circulaire simple,
- multiple.
Exemples de reseau lineaire à LEDs :
Schéma interne d'un réseau de leds :
sur cette configuration, on remarque bien la disponibilité de chacune des connexions des leds.
Illustration d'un réseau circulaire à LEDs :
L'affichage peut respecter toutes les lois mathématiques (logarithmiques
par exemple) et être commandé à partir d'informations codées de toutes
sortes.
.PNG)
