Lorsque nous appliquons une tension sur une LED, cela produit de la lumière. Tout cela provient d’un minuscule morceau de matériau semi-conducteur à l’intérieur de la LED, qui émet de l’énergie sous forme de photons. Fait intéressant, si nous éclairons la LED avec une lumière, nous y renversons des photons, inversant le processus et produisant une faible tension. Les LED existent sous différentes formes, couleurs et tailles pour diverses applications. LED signifie Diode Émettrice Luminique.

Symbole LED et bases

Dans les plans d’ingénierie, nous utilisons un symbole spécifique pour les LED. Remarquez qu’elle ressemble beaucoup à un symbole de diode mais comporte des flèches indiquant que de la lumière est émise. Les LED et les diodes fonctionnent selon le même principe : un matériau semi-conducteur est coincé entre des connecteurs électriques. Bien que les deux émettent des photons, seules les LED émettent des photons dans la plage visible par l’homme, spécifiquement des longueurs d’onde autour de 400 à 700 nanomètres. Selon la longueur d’onde, nous percevons différentes couleurs.

Par exemple:

• Les signaux radio FM sont des ondes photoniques d’environ 3 mètres.
• Les signaux Wi-Fi sont plus petits, environ six centimètres.
• Les radiographies médicales sont minuscules, autour de 0,01 nanomètre.

Tout cela est en dehors de notre spectre visible. Vous avez peut-être remarqué une LED dans la télécommande de votre télévision émettant une lumière infrarouge, généralement autour de 940 nanomètres — imperceptible pour l’humain mais visible sur la caméra d’un téléphone.

En quoi les LED diffèrent des diodes standard

À l’intérieur de la LED, les électrons se combinent avec des trous, libérant des photons dans le processus. Les diodes standard utilisent différents matériaux dans leurs couches semi-conductrices, produisant des photons dans la gamme du proche infrarouge. Ces photons sont absorbés par le boîtier et convertis en chaleur, ce qui fait chauffer les diodes. En revanche, les LED produisent très peu de chaleur, ce qui les rend beaucoup plus économes en énergie que les lampes à incandescence traditionnelles, qui génèrent une chaleur importante en chauffant un filament pour produire de la lumière visible.

La plupart des LED que vous reconnaîtrez sont de type cinq millimètres à trou traversant, qui ont souvent un côté avec un bord plat. Ce bord plat indique le côté cathode, ce qui facilite l’identification de la polarité correcte. Les LED à trou traversant sont parfaites pour apprendre l’électronique, disponibles en grande quantité à bas prix et adaptées à l’insertion sur des cartes de test ou à la soudure sur des circuits imprimés. Il existe aussi des versions plus petites en 3 millimètres et des versions plus grandes en 10 millimètres, généralement en forme de dôme, ainsi que des variantes carrées.

Dispositifs de montage en surface (SMD) et LED de haute puissance

Les LED SMD, ou dispositifs montés en surface, sont soudés directement sur des circuits imprimés pour des conceptions compactes. Ces versions sont beaucoup plus petites, nécessitant parfois un microscope pour souder. Les LED SMD sont couramment utilisées dans les ampoules. Par exemple, une LED bleue avec une couche de phosphore jaune combine la lumière jaune et bleue pour créer une lumière blanche. Les LED à haute puissance, qui sont essentiellement de nombreuses LED serrées les unes contre les autres, sont souvent utilisées pour les torches et les projecteurs en raison de leur luminosité et de leur visibilité à grande distance.

Polarité et protection des LED

Les LED ne s’allument que lorsque la borne d’anode est connectée au positif et la cathode au négatif. La plus longue borne de la LED est généralement l’anode, ce qui facilite l’identification de la polarité. Si les fils sont coupés, le bord plat sur le boîtier de la LED indique le côté cathode. De plus, les LED ont deux plaques métalliques à l’intérieur — la plus grande plaque est la cathode. Certaines LED comportent un petit point pour indiquer la polarité, mais il est essentiel de vérifier la fiche technique du fabricant ou de la tester vous-même.

Connecter une LED directement à une source de tension plus élevée, comme une batterie de neuf volts, peut la détruire. Pour éviter cela, une résistance est utilisée pour réduire le courant des électrons, protégeant la LED en éliminant l’excès d’énergie électrique sous forme de chaleur. Par exemple, avec une batterie de 9 volts, une résistance peut retirer environ 7 volts, permettant à la LED de fonctionner en toute sécurité aux 2 volts restants. La résistance règle le courant du circuit, qui peut être varié pour contrôler la luminosité de la LED.

Pilotes et circuits LED

Les transducteurs LED sont utilisés dans les ampoules et les unités dédiées alimentant les bandes lumineuses pour fournir la bonne tension et le bon courant. Par exemple, une lampe fonctionnant à 230 volts utilise un redresseur pour transformer le courant alternatif en courant continu, un condensateur pour l’apaiser, et une puce pour fournir un courant constant aux LED, empêchant ainsi le scintillement.

Les bandes lumineuses USB sont des circuits simples où le port USB fournit un rail de 5 volts et un rail de masse, avec une résistance et une LED connectées en parallèle. Cette conception permet une flexibilité en termes de longueur, car la coupe de la bande affecte le courant en fonction du nombre de LED.

À l’intérieur de la LED

À l’intérieur du boîtier LED, les pattes d’anode et de cathode ont des plaques métalliques séparées par un petit espace. La plaque plus grande indique le côté cathode. Le semi-conducteur de la LED se compose d’une couche de type n avec des électrons libres et d’une couche de type p avec des trous. Lorsqu’ils sont alimentés, les électrons circulent de la couche de type n vers la couche de type p, libérant des photons à la jonction PN. La longueur d’onde de ces photons détermine la couleur de la lumière, qui dépend du matériau semi-conducteur utilisé.

Matériaux semi-conducteurs et couleur de la lumière

Différents matériaux semi-conducteurs produisent différentes longueurs d’onde lumineuses. Par exemple:

• Les diodes au silicium émettent une lumière proche infrarouge, que les humains ne peuvent pas voir.
• L’arsenic de gallium combiné au phosphure de gallium permet une gamme de couleurs en ajustant la bande interdite du matériau semi-conducteur.

En mélangeant différents matériaux, les scientifiques peuvent obtenir n’importe quelle couleur entre le rouge et le vert, permettant la production de différentes couleurs et de lumière blanche en combinant des LED rouges, vertes et bleues.

Conclusion

Les LED sont des sources lumineuses polyvalentes et économes en énergie, utilisées dans un large éventail d’applications, allant des indicateurs simples aux systèmes d’éclairage complexes. Comprendre le fonctionnement des LED implique des connaissances en physique des semi-conducteurs, conception de circuits et science des matériaux, qui contribuent autant aux solutions d’éclairage dynamiques et efficaces dont nous dépendons aujourd’hui.

Foire aux questions (FAQ)

1. Que signifie LED ?

LED signifie Diode Émettrice Luminique. C’est un dispositif semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu’un courant électrique le traverse.

2. Pourquoi les LED produisent-elles des couleurs différentes ?

La couleur de la lumière produite par une LED dépend de la longueur d’onde des photons émis, déterminée par le matériau semi-conducteur utilisé dans la construction de la LED. Différents matériaux ont des bandes interdites différentes, ce qui entraîne des longueurs d’onde et des couleurs de lumière différentes.

3. Comment puis-je protéger une LED contre la destruction due à une haute tension ?

Pour protéger une LED contre la haute tension, utilisez une résistance dans le circuit pour limiter le courant circulant dans la LED. La résistance réduit la tension à un niveau sûr, empêchant un courant excessif qui pourrait endommager la LED.