Diode électroluminescente

Pour les articles homonymes, voir DEL et LED.

Diodes de différentes couleurs

Symbole de la diode électroluminescente

Une diode électroluminescente (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED), est un dispositif opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant) et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent à partir de la conversion d’énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.

Elle compte plusieurs dérivées, principalement, l'OLED, l'AMOLED ou le FOLED (pour flexible oled). Les LED sont considérées, par beaucoup, comme une technologie d'avenir dans le domaine de l'éclairage général. Elles pourraient représenter 75 % du marché de l'éclairage avant 2020^[1]. Elles sont aussi utilisées dans la construction des écrans plats de télévision : pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides, comme source d'illumination principale dans les télévisions à LED.

Les premières LEDs ne produisaient que de la lumière rouge, verte, jaune^[2] ou bleue^[3], mais les progrès techniques et d'assemblage permettent aujourd'hui (2015) de couvrir « la bande des longueurs d'ondes d'émission s’étendant de l'ultraviolet (350 nm) à l’infrarouge (2000 nm), ce qui répond à de nombreux besoins » ^[4].

Histoire

La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et fut découverte par H. J. Round. Quelques années après, en 1927, O. V. Losev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente. Ce n’est qu’en 1962 que la première LED rouge est créée par Nick Holonyak Jr et S. Bevacqua. Durant quelques années, les chercheurs se sont limités à quelques couleurs telles que le rouge (1962), le jaune et le bleu (1972)^[2]^,^[5] ou le vert.

Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano

Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création de LED bleues, ensuite adaptées en LEDs blanches, par adjonction d'un luminophore jaune^[6]. Cette avancée permit de nouvelles applications majeures telles qu'éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs. Le 7 octobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues^[7].

Les LEDs et l'économie

Loi de Haitz : Le développement de la technologie des LED suit une loi analogue à la loi de Moore, appelée loi de Haitz, du nom de Roland Haitz d’Agilent Technologies, et qui prévoit que les performances des LED doublent tous les 3 ans, pour des prix divisés par 10 tous les dix ans^[8]. Il semble que depuis quelques années les progrès soient plus rapides, avec un doublement tous les 2 ans.^{[réf. nécessaire]}

L'intérêt des lampes à LEDs en termes de consommation électrique, de durée de vie et de sécurité électrique s'est rapidement confirmé pour l’automobile (dans l'habitacle et pour les phares et clignotants où les LEDs se montrent parfois plus performantes que les sources xénon ou halogène), l'éclairage urbain, l'éclairage d'infrastructures, les usages dans la marine et l’aéronautique. Cet intérêt a au début des années 2000 dopé le marché, qui a dépassé en 2010le seuil des 10 milliards de dollars américains (USD), soutenu par une croissance annuelle globale de 13,6 % de 2001 à 2012, et devrait atteindre 14,8 milliards USD avant la fin 2015^[9]. Dans ce marché la part de l’éclairage augmente régulièrement de 2008 à 2014 et devrait se stabiliser en 2018, alors que la part du rétro-éclairage devrait décroître dès 2014 en raison d'évolutions techniques^[9]. La part destinée à l'automobile semble dans les années 2010-2015 stable (environ 10% du marché global et pourrait le rester jusqu'à 2020)^[9]. Les Leds dont d'abord équipé des véhicules de luxe (AUDI, MERCEDES) puis de moyenne gamme (ex : SEAT Léon, VOLKSWAGEN Polo en 2014).

En 2015, les 5 principaux fabricants, leaders sur ce marché sont NICHIA et TOYOTA GOSEI au Japon (notamment pour les LEDs GaN de « forte » puissance, c'est-à-dire de plus d'un watt), PHILIPS LUMILEDs en Europe, CREE aux États-Unis et OSRAM en Europe. SAMSUNG et SEOUL SEMICONDUCTOR produisent aussi des LEDs pour l'automobile.

Mécanisme d'émission

C’est par recombinaison d’un électron et d’un trou dans un semiconducteur qu'un photon est émis. En effet, la transition d’un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d’onde $\vec{k}$ . Elle est alors radiative (émissive) c'est-à-dire accompagnée de l’émission d’un photon. Dans une transition émissive, l’énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d’énergie avant (E_i) et après (E_f) la transition :

h\nu = E_i - E_f

(eV)

Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c’est la plus radiative^[10].

Gros-plan d’une diode électroluminescente
L’anode et la cathode d’une DEL. Les signes indiquent la polarisation (courant conventionnel) lorsque la diode est utilisée en sens direct
Fonctionnement d'une DEL.

Techniques de fabrication

La longueur d’onde du rayonnement émis dépend de la largeur de la « bande interdite » et donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. L’infrarouge est obtenu grâce à l’arséniure de gallium (GaAs) dopé au silicium (Si) ou au zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. Les diodes à l’arséniure de gallium sont les plus économiques et les plus utilisées. Les diodes à l’arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) offrent une plus grande puissance de sortie mais nécessitent une tension directe plus élevée et ont une longueur d’onde plus courte (< 950 nm, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) ; elles présentent une bonne linéarité jusqu’à 1,5 A. Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) en ayant des temps de commutation très courts (durée nécessaire pour qu’un courant croisse de 10 % à 90 % de sa valeur finale ou pour décroître de 90 % à 10 %), permettant des débits de données très élevés dans les transmissions de données numériques par fibres optiques. Les temps de commutation dépendent de la capacité de la jonction dans la diode.

Rendement lumineux

Le rendement lumineux varie selon le type de diodes, de 20 à 100 lm/W, et atteignant en laboratoire les 200 lm/W^[11]. Une grande disparité de performances existe selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque. Les bleues n’excèdent pas 30 lm/W alors que les vertes ont une efficacité lumineuse atteignant 100 lm/W^[12]. D'importants efforts de R&D ont permis aux LED blanches d’être aussi efficaces (voire plus) que les LED de couleurs.

La limite théorique d’une source qui transformerait intégralement toute l’énergie électrique en lumière visible est de 683 lm/W (cette valeur dérive directement de la définition de la candela et par extension du lumen). Pour cela, il faudrait qu’elle possède un spectre monochromatique de longueur d’onde 555 nm. Le rendement lumineux théorique d’une LED blanche est de l’ordre de 250 lm/W^[13]. Ce chiffre est inférieur à 683 lm/W du fait que le maximum de sensibilité de l’œil se situe vers 555 nm.

Le rendement lumineux des LED blanches de dernière génération est supérieur à celui des lampes à incandescence mais aussi à celui des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les diodes électroluminescentes n’émettent quasiment pas d’infrarouge.

Le rendement lumineux dépend de la conception de la LED. Pour sortir du dispositif (semi-conducteur puis enveloppe externe en époxy), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semi-conducteur, de la jonction jusqu’à la surface, puis traverser la surface du semi-conducteur sans subir de réflexion et, notamment, ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l’enveloppe externe en résine époxy (quelquefois teintée pour des raisons pratiques et non pour des raisons optiques), la lumière traverse les interfaces vers l’air à incidence proche de la normale ainsi que le permet la forme de dôme avec un diamètre bien plus grand que la puce (3 à 5 mm au lieu de 300 µm). Dans les diodes électroluminescentes de dernière génération, notamment pour l’éclairage, ce dôme plastique fait l’objet d’une attention particulière car les puces sont plutôt millimétriques dans ce cas et le diagramme d’émission doit être de bonne qualité. À l’inverse, pour des gadgets, on trouve des LED quasiment sans dômes.

Effet Auger

Aux fortes intensités le rendement lumineux des LED chute. Il a été suspecté en 2007-2008^[14]^,^[15], mieux compris en 2010-2011^[16]^,^[17] puis confirmé début 2013 que cette diminution est attribuable à un « Effet Auger » qui dissipe une partie de l'énergie sous forme de chaleur^[18]^,^[19]. Des projets de recherche visent à limiter ou contrôler cet effet^[20].

En 2013, les meilleurs tubes fluorescents 4000K ont un meilleur rendement lumineux avec un appareillage EEI A2BAT que les meilleures LED 4 000 K lorsque l'alimentation électrique est du 230 V alternatif.^{[réf. nécessaire]}

Bilan environnemental

Spectres de lampes 1) sodium haute pression et 2) LED testées pour leur caractère plus ou moins attractif sur les insectes^[21] (l'étude a montré que le spectre lumineux de la LED était beaucoup plus attractif pour les insectes^[21])

Il reste à faire, car le développement massif de l'éclairage par LED pourrait augmenter les tensions existant sur le marché de certaines ressources non-renouvelables (terres rares ou métaux précieux) mais avec d'autre part un fort potentiel d'économie d'énergie (si ces lampes ou l'éclairage qu'elles permettent ne sont pas respectivement gaspillées et gaspilleur).

Des préoccupations sérieuses existent concernant les impacts sanitaires de lampes qui seraient mal utilisées, et surtout concernant leurs effets sur la pollution lumineuse.
Par exemple, selon une étude^[21] publiée en 2014 dans la revue Ecological Applications, alors que l’éclairage nocturne municipal et industriel a déjà changé la répartition des différentes espèces d'invertébrés autour des sources lumineuses^[22] et semble contribuer à la régression ou la disparition de nombreuses espèces de papillons^[23], l'éclairage public tend à utiliser à grande échelle les diodes électroluminescentes (LED) ; la question de l’impact des spectres lumineux des lampes prend donc de l’importance^[24]. Ces spectres lumineux ont récemment beaucoup changé, et ils changeront encore avec le développement des LED^[25]. Or, il apparaît que le spectre lumineux émis par les LED mises sur le marché dans les années 2000-2014 attire les papillons de nuit et certains autres insectes plus que la lumière jaune des ampoules à vapeur de sodium, en raison d’une sensibilité élevée de ces invertébrés nocturnes aux parts vert-bleue et UV du spectre. Des pièges lumineux à insectes volants équipés de LED capturent 48 % plus d'insectes que les mêmes pièges utilisant des lampes à vapeur de sodium, avec un effet également lié à la température de l’air (les invertébrés sont des animaux à sang froid, naturellement plus actif quand la température s’élève). Lors de cette étude plus de 20 000 insectes ont été capturés et identifiés : les espèces les plus fréquemment piégées étaient des papillons et des mouches^[21].

Ces lampes sont froides et ne brûleront pas les insectes comme pouvaient le faire des lampes halogènes, mais le caractère très attractif des LED pour de nombreux invertébrés peut leur être fatal ; leur vol est perturbé et dans la zone d'attraction ils sont mis en situation de « piège écologique », car largement surexposés à des prédateurs de type araignées et chauve-souris, avec de possibles effets écologiques plus globaux si ces lampes étaient utilisées à grande échelle (perturbation des réseaux trophiques et possible renforcement des infestations de certaines cultures ou sylvicultures par des « ravageurs phytosanitaires » attirés par ces lampes, tels que le Bombyx disparate qui est source de dégâts importants depuis qu’il a été introduit aux États-Unis et qui se montre très attiré par la lumière^[26] (les auteurs pointent un risque spécifique près des ports où un éclairage LED pourrait directement attirer des ravageurs ou des espèces exotiques envahissantes accidentellement apportées par des bateaux^[21]). Ces espèces anormalement favorisées pouvant à leur tour mettre en péril des espèces natives rares ou menacées^[27].

L’étude de 2014 n’a trouvé aucune preuve démontrant que manipuler la température du couleur de ces LEDs diminuaient leur impact ; cependant les auteurs estiment qu'utiliser des filtres ou une combinaison de LED rouges, vertes, et bleues pourraient peut-être diminuer cette fatale attraction, mais alors avec des coûts en termes de consommation électrique et d’énergie^[21] ou de terres rares. Les auteurs concluent qu’il existe un besoin urgent de recherche collaborative entre écologues et ingénieurs de la lumière pour minimiser les conséquences potentiellement négatives des développements futurs de la technologie LED^[21]. Ces effets négatifs pourraient être plus ou moins atténués, en amont par des processus d'écoconception facilitant le recyclage des LED usagées et en aval par le ré-usage de LED présente dans des objets devenus désuets ou en fin de vie, de même que par le développement de systèmes intelligents d'asservissement de l'éclairage aux besoins réels (lampes équipées de filtres limitant les émissions dans le bleu-vert et le proche-UV, mieux bafflées c'est-à-dire produisant moins de halo et moins éblouissantes, ne s'allumant qu'à l'intensité nécessaire et uniquement quand on en a besoin, via un processus d' éclairage intelligent incluant la détection de présence et de luminosité ambiante, si possible intégré dans un smartgrid ou un système écodomotique plus global. En 2014, 4 villes dont Bordeaux, Riga en Lettonie, Piaseczno en Pologne et Aveiro au Portugal testent ce type de solution dans le cadre du programme européen « LITES »^[28] (à l'installation ces systèmes sont 60 % plus cher, mais ce surcoût doit être rapidement récupéré par les économies d'électricité et l'amélioration de la qualité de l'environnement nocturne.

Article détaillé : Pollution lumineuse.

Caractéristiques techniques

Forme

DEL 1 W

Ce composant peut être encapsulé dans divers boitiers destinés à canaliser le flux de lumière émis de façon précise : cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et 10 mm de diamètre, cylindrique à bout plat, ou de forme plate (LED SMD^[29]), rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (CMS).

Les LED de puissance ont des formes plus homogènes : la luxeon 1 W ci-contre est assez représentative. Ces types de LED sont également disponibles en version "multicœur", "multipuces" ou "multichips" en anglais, dont la partie émissive est composée de plusieurs puces semi-conductrices.

L'enveloppe transparente, ou capot, est généralement en résine époxy, parfois colorée ou recouverte de colorant.

Luminosité

L’intensité lumineuse générale des diodes électroluminescentes est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Les bleues sont également suffisamment puissantes pour signaliser les bords de route, la nuit, aux abords des villes. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en LED (quelques millions).

Les LED de puissance sont aussi utilisées dans la signalisation maritime comme sur les bouées permanentes. Deux de ces diodes sont situées l’une par dessus l’autre et suffisent à un éclairement important et visible par les bateaux de nuit.

Lampes à diode électroluminescente

Des LED de fortes puissances ont vu le jour au début des années 2000. Dans la première décennie du XXI^e siècle, des rendements lumineux d'environ 130 lumens/watt sont atteints avec ces LED^{[réf. nécessaire]}. Par comparaison, les ampoules à filament de tungstène de 60 W atteignent un rendement lumineux d'environ 15 lumens/watt^{[réf. nécessaire]}.

Les LED sont aujourd'hui (2014) suffisamment puissantes pour servir d'éclairage dans le secteur de l'automobile. Employées d'abord pour les feux de stop, clignotants ou de recul, celles-ci remplaceront probablement, à terme, toutes les ampoules classiques.

Couleurs

La couleur d’une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières^[30]^,^[31]:

coloration due à la longueur d’onde du semi-conducteur (capot transparent) ;
coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV + revêtement à base de luminophores) ;
coloration par plusieurs émissions de longueur d’onde différentes (diodes électroluminescentes polychromatiques). Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs^[32].

Voici quelques colorations en fonction du semi-conducteur utilisé :

Couleur	Longueur d’onde (nm)	Tension de seuil (V)	Semi-conducteur utilisé
InfraRouge	λ > 760	ΔV < 1,63	arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
Rouge	610 < λ < 760	1,63 < ΔV < 2,03	arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Orange	590 < λ < 610	2,03 < ΔV < 2,10	phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Jaune	570 < λ < 590	2,10 < ΔV < 2,18	phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Vert	500 < λ < 570	2,18 < ΔV < 2,48	nitrure de gallium (GaN) phosphure de gallium (GaP)
Bleu	450 < λ < 500	2,48 < ΔV < 2,76	séléniure de zinc (ZnSe) nitrure de gallium-indium (InGaN) carbure de silicium (SiC)
Violet	400 < λ < 450	2,76 < ΔV < 3,1
Ultraviolet	λ < 400	ΔV > 3,1	diamant (C) nitrure d'aluminium (AlN) nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN)
Blanc	Chaude à froide	ΔV = 3,5

Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d’onde mais de température de couleur proximale. Celle des diodes électroluminescentes est assez variable en fonction du modèle.

Câblage et alimentation électrique

Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on raccordera le pôle "-" à la cathode "-" et donc le pôle "+" à l'anode "+". Les diodes ont généralement trois détrompeurs : la cathode est plus courte, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus grosse et le bord extérieur du dôme est plat. Inversement, l'anode est plus longue, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus petite et le bord extérieur du dôme est arrondi (dessins en haut de page).

Il est indispensable de ne pas dépasser l’intensité admissible (typiquement : 10 à 30 mA pour une LED de faible puissance et de l'ordre de 350 à 1 000 mA pour une LED de forte puissance) et donc d’intercaler une résistance en série ou d'utiliser une limitation en courant. Utiliser les données du fabricant pour calculer la résistance en fonction de cette intensité désirée I, de la tension d’alimentation, de la tension directe de la LED et du nombre n de LED en série (loi d'Ohm : R = (V_alim - n × V_LED) / I). Une méthode peu dispendieuse en énergie consiste à utiliser un circuit de régulation de courant basé sur des principes analogues à ceux mis en œuvre dans les alimentation électriques à découpage. Pour les applications d’éclairage, on pourra regrouper plusieurs diodes dans un schéma série-parallèle : il faudra dans ce cas tenir compte de la chute de tension provoquée par les diodes en série pour calculer la résistance en série : plus il y aura de diodes en série, plus forte sera la chute de tension ; ce qui permettra de diminuer la résistance en série et donc d’augmenter le rendement du dispositif. Le courant maximal admissible sera, quant à lui, multiplié par le nombre de groupes de diodes en parallèle.

Il est également primordial d'apporter un soin particulier à l'alimentation électrique des LED pour conserver leurs caractéristiques colorimétriques (température de couleur proximale, IRC…) ^[33].

Points forts et faiblesses

Article détaillé : Lampe à diode électroluminescente.

Avantages

Facilité de montage sur un circuit imprimé, traditionnel ou CMS (Composant Monté en Surface).
Consommation inférieure aux lampes à incandescence et du même ordre de grandeur que les tubes fluorescents
Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations).
Taille beaucoup plus réduite que les lampes classiques ce qui offre la possibilité de réaliser des sources de lumière très ponctuelles, de faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) et avec un bon rendement. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
Durée de vie (20 000 à 50 000 heures environ) beaucoup plus longue qu’une lampe à incandescence classique (1 000 heures) ou qu'une lampe halogène (2 000 heures), mais du même ordre de grandeur que les lampes fluorescentes (5 000 à 70 000 heures). Les lampes puissantes voient leur durée de vie limitée, mais pouvant néanmoins atteindre 10 000 voire 15 000 heures selon le type d'utilisation qui en est fait^[34]^,^[35].

Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Il existe pour les campeurs des lampes de poche à LED actionnées par une simple dynamo à main (« lampe à manivelle ») de mouvement lent.
Atout non négligeable en matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, leur inertie lumineuse est quasiment nulle. Elles s’allument et s’éteignent en un temps très court, ce qui permet l’utilisation en transmission de signaux à courte distance (optocoupleurs) ou longue (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
Vu leur puissance, les LED classiques 5 mm ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur, sans quoi la diode sera fortement endommagée, voire détruite du fait de l’échauffement. En effet, une diode électroluminescente convertit environ 20 % de l’énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.
Les LED RVB (rouge-vert-bleu) permettent des mises en valeur colorées avec des possibilités de variations sans limite.

Inconvénients

Spectre du rayonnement émis par une lampe à LED blanche

En 2006, le prix à l’achat des lampes à LED reste deux à quatre fois plus élevé que celui d'une lampe classique, à luminosité égale, mais devrait diminuer avec le développement rapide des ventes^[36]^{[Passage à actualiser]}.
Le rendu des couleurs (IRC) est souvent médiocre (bien que meilleur avec les LED apparues en 2009). Les LED dites blanches sont généralement des LED bleues ou émettant dans l'UV dont une partie de la lumière produite est transformée par fluorescence en lumière jaune au moyen d'un luminophore qui est souvent un grenat d'aluminium et d'yttrium dopé par des ions de terres rares tels que le cérium trivalent Ce3+ (d'autres matériaux luminescents pouvant être utilisés pour produire un blanc plus chaud)^[37]^,^[38] : le spectre est moins régulier que celui d'une lampe halogène. Rarement, le blanc est obtenu au moyen de trois diodes de couleurs différentes.
les LED ne supportent pas les hautes températures qui affectent leur durée de vie (et la dissipation thermique des ampoules à LED est un facteur limitant leur montée en puissance^{[réf. nécessaire]} notamment en assemblages multipuces^[39]). La recherche porte sur des moyens de limiter la montée en température et de mieux dissiper la chaleur de Leds de puissance (par exemple pour des lampadaires ou phares automobiles)^[39]^,^[40]
les LED bleues^[41] ainsi que les LED blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux^[42] pour la rétine si elles entrent dans le champ de vision, même périphérique. Ceci est bien sûr proportionnel à leur puissance. Cela devient de plus en plus préoccupant puisque des LED toujours plus puissantes sont mises sur le marché^[43]. Toutefois sont récemment apparues des LED à tons chauds, au spectre appauvri en lumière bleue.

Utilisations

Différents types de DEL/LED

Costume DEL (design Beo Beyond)

Les différentes familles

Il existe plusieurs manières de classer les diodes semi-électroluminescentes :

Classement selon la puissance

La première est un classement par puissance :

Les diodes électroluminescentes de faible puissance < 1 W. Ce sont les plus connues du grand public car elles sont présentes dans notre quotidien depuis des années. Ce sont elles qui jouent le rôle de voyant lumineux sur les appareils électroménagers par exemple.
Les LED de forte puissance > 2 W. Elles sont en plein essor et leurs applications sont de plus en plus connues du grand public : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle, lampe de poche ou frontales… Le principe de fonctionnement est identique. Certaines différences significatives existent entre les deux familles, consacrées chacune à un champ d’application spécifique.

Classement selon le spectre d'émission

Une autre manière de les classer est de considérer la répartition de l'énergie dans la gamme de longueur d'onde couvrant le visible (longueurs d'ondes de l'ordre de 380 - 780 nm) ou l'invisible (principalement l'infrarouge). La raison de la distinction réside dans le fait que certaines diodes peuvent servir à éclairer, ce qui est l’une des applications phares du futur (proche) :

Les chromatiques : l'énergie est concentrée sur une plage étroite de longueur d'onde (20 à 40 nm). Ces sources ont un spectre quasiment monochromatique ;
Les blanches : l'énergie est répartie dans le visible sur toute la gamme de longueurs d'onde 380 à 780 nm} environ.
Les infrarouges : l'énergie est émise hors du spectre de la lumière visible, au-delà de 700 nm de longueur d'onde. Elles sont utilisées pour transmettre des signaux de télécommandes ou pour de la télémesure exploités par exemple dans la détection de position des consoles de jeux telles que la Wii, ou servir d'éclairage pour les caméras infrarouge, etc.

Autres classements

D'autres classements sont possibles par exemple selon le caractère monopuce ou multipuce, la durée de vie, la consommation d'énergie ou encore la robustesse en cas de sollicitations sous contraintes (par exemple pour certains matériel industriel, militaire, spatial...)

Diodes électroluminescentes ordinaires

Éclairage

Feux arrières LED de voiture

Ampoule LED allumée

Ampoule LED

Signalisation routière, feux arrière de voitures ou de bicyclettes
Signalisation ferroviaire
Éclairage invisible pour caméras de surveillance (dans l’infrarouge)
Luminaires et éclairage urbain (plus récemment), avec par exemple Los Angeles, première métropole qui remplace ses 140 000 ampoules d'éclairage urbain par des diodes électroluminescentes depuis 2009 (programme qui s'achèvera en 2014), ce qui devrait réduire de l'équivalent de 40 500 tonnes de carbone les émissions annuelles de cette ville (soit l'équivalent des émissions de 6 700 voitures). La ville pense aussi diminuer ses charges de maintenance avec au total une économie espérée de 48 millions de dollars en 7 ans sur la facture d'électricité de la ville.

Affichage

Signalisation d’état d’appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité)
Affichage alphabétique ou numérique d’appareils de mesure, de calculatrices, d’horloges
Affichages de niveaux de mesures (niveaux de cuves, VU-mètres)
Affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux)

Source de lumière quasi monochromatique

Photocoupleur
Transmission de signaux par fibre optiques
Télécommandes (LED infrarouges)
Cellules photoélectriques (LED infrarouges)
Faisceau laser pour les appareils de mesure
Faisceau laser pour la lecture et la gravure des CD et DVD
Luminothérapie contre l'acné

Diodes électroluminescentes blanches

L’amélioration du rendement des LED permet de les employer en remplacement de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant :

LED noyées dans le bitume pour la matérialisation des pistes la nuit ou par temps de brouillard.
Signalisation portative individuelle (piéton, cycliste).
Éclairages de secours
Éclairage de courte portée portatif.
Feux de signalisation automobile ou motocycliste (clignotant, veilleuses, feux de position).
Signalisation ferroviaire (feu blanc, feu blanc clignotant et œilleton notamment, sur le Réseau ferré national)
Éclairage stroboscopique
Lampes de poche à piles ou accumulateur à génératrice de recharge incorporé.
Lampes de balisage des jardins alimentées par panneau solaire.

- En 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé un mouvement nommé Led throwies (lancer de LED) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur des surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance l’ensemble sur une surface magnétique ^[44]. - En 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à base de LED. - En 2009, la Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED. - En 2010 La RATP expérimente l'éclairage des espaces du métro parisien, notamment à la station Censier-Daubenton première station de métro entièrement éclairée par cette technologie.

Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d’électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L’exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d’énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.

En 2012 estimant le produit mature la RATP (réseau de transport en commun de Paris) décide de modifier la totalité de son éclairage vers la technologie LED. C'est plus de 250 000 luminaires qui seront modifiés, faisant ainsi du métro parisien le 1^er réseau de transport en commun d'envergure à adopter le "tout LED"^[45].

Depuis peu, les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV salon dans des grands halls, stade…)
Le rétroéclairage de l’écran par des diodes électroluminescentes permet de fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux, ayant une étendue colorimétrique plus importante et plus économes que son prédécesseur ACL à rétroéclairage par tube fluorescent (technologie CCFL). À noter que les constructeurs restent assez flous sur le fait que les LED dégagent plus de chaleur.

Notes et références

↑ Elsa Bembaron, « Les lampes passent aux LED », sur lefigaro.fr,‎ 2010 (consulté le 25 mars 2010)
1 2 C. Noé, Photobiomodulation en dermatologie : Comprendre et utiliser les LED, John Libbey Eurotext - Doin, coll. « Lasers et technologies apparentées »,‎ 2014, 182 p. (ISBN 9782704014361, lire en ligne).
↑ Jonathan Parienté, « La belle histoire des LED », sur En quête de sciences,‎ 24 mars 2009 (consulté le 21 octobre 2015)
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↑ Article Blue Light Induces Mitochondrial DNA Damage and Free Radical Production in Epithelial Cells
↑ En particulier, ce problème se pose pour les LED utilisées dans les flashs ou dans les projecteurs de véhicules.
↑ LED-Throwies
↑ La RATP lance un appel d’offres pour remplacer l’ensemble des points lumineux par un éclairage à LED.

Bibliographie

Frank Wohlrabe, Guide pratique de l’infrarouge : télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002, (ISBN 2866611284).
Libero Zuppiroli et Daniel Schlaepfer, Lumières du futur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2011, (ISBN 9782880749422).

Annexes

Liens externes

[vidéo] Vidéo sur le fonctionnement du diode électroluminiscente (Anglais) sur YouTube
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