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Fonctionnement et polarisation

 d'une diode LED



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Une diode LED


Figure 1
Composition de la LED
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Figure 2
Composition_diode_led

Tableau 1

Caracteristiques des leds

Figure 3
Caractéristique des Leds
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Figure 4
Caractéristique des Leds

Figure 5
Temperature des couleurs des leds
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Figure 6
Calcul_de_la_resistance_de_limitation_de_la_diode_led


- La diode LED (English) ou DEL (Frankisch) à spectre visible a été mise au point en 1962 par l'Américain Nick Holonyak JR. Au début, il n'existait que des LED infra rouges, les rouges, puis quelques années plus tard les vertes puis les jaunes et les bleues. À noter que la première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et fut découverte par Henry Joseph Round
Actuellement, les diodes électroluminescentes ont beaucoup évolué,  de  nouvelles couleurs sont apparues, comme le bleu et le blanc, avec en plus une très haute luminosité qui permet même une utilisation dans le domaine de l'éclairage public. Elles remplace maintenant l'éclairage classique. (lampes à incandescence classique puis lampes à incandescence halogène).

- Composition de la diode LED :

- Elle est constituée d'un boîtier (silicone)  transparent faisant office de lentille (figure l-2). De la base du boîtier sortent deux électrodes :
I'anode, borne positive et la cathode qui est la borne négative. La longueur de I'anode est supérieure à celle de la cathode, ce qui permet de distinguer I'une de I'autre. L'anode est reliée à une coupelle émettrice dont le rôle consiste à diriger les rayons lumineux dans une direction précise. Au fond de la coupelle se trouve la puce semi-conductrice émettant la lumière d'une surface d' 1 mm environ.. Les deux électrodes sont reliées entre elles par un fil de bonding très fin. À la base du boîtier se trouve une colerette, un méplat (flat spot) qui constitue un deuxième repère, il est du côté cathode (-). Cela est utile par exemple, quand on récupère une diode led, ou les deux pattes sont coupées à la même longueur.

- Caractéristiques de la diode LED :

Les principales caractéristiques sont:
  • Le diamètre.  Les plus courantes ont une forme cylindrique de 3, 5, 10 voire 20 mm de diamètre.
  • Sa couleur, la couleur est définie par la logueur d'onde en nanomètre qu'émmet celle-ci. Ce n'est pas la couleur du boîtier qui fait sa couleur, mais la nature du semi conducteur qui la compose.
  • Sa tension de seuil  (Vs ou Vf ou Vd) à partir duquel elle émet.
 - 1,1V pour les diodes infra-rouge
 -  1,8V à 2,2V pour les leds rouges, jaunes et vertes
 - 3,6V et plus pour les leds bleues
  • La tension maximale inverse (Vr ouVi) qu'elle peut supporter (5 volts)
  • I'intensité nominale de fonctionnement, en mA
  • I'intensité lumineuse du rayonnement émis, en mcd (millicandela)
  • I'angle de diffusion du rayonnement émis
- Composition des diodes leds, selon la couleur :
  • Arséniure de Gallium (GaAs) - infrarouge
  • Arséniure de Gallium phosphure (GaAsP) - rouge à infra-rouge, orange
  • Aluminium Arséniure de Gallium phosphure (AlGaAsP) - haute luminosité rouge, orange-rouge, orange et jaune
  • Gallium phosphure (GaP) - rouge, jaune et vert
  • Aluminium Gallium phosphure (AlGaP) - vert
  • Nitrure de Gallium (GaN) - vert, vert émeraude
  • Gallium Indium Nitride (GaInN) - proche ultraviolet, bleu-vert et bleu
  • Le carbure de silicium (SiC) - bleu comme substrat
  • Séléniure de zinc (ZnSe) - bleu
  • Aluminium Nitrure de Gallium (AlGaN) - ultraviolet

- Fonctionnement de la led :

 La led est constituée de cristaux semi-conducteurs disposés en plaques appelées wafers puis découpés en chips, ou puces. Les diodes électroluminescentes se composent d’un semi-conducteur de base négatif présentant un excédent d’électrons. Puis s’ajoute une très fine couche semi-conductrice positive présentant un manque d’électrons les «trous».
Mis sous tension, les électrons excédentaires et les «trous» se réunissent et se combinent pour former la «couche barrière». L’énergie libérée est alors transformée en lumière et en chaleur dans le cristal semi-conducteur.
Les éléments utilisés sont généralement le phosphore (P) ou I'arsenic (As). Dans le cas du dopage B on incorpore un élément " accepteur " d'électrons. Celui-ci présente une lacune (trou) en électrons. Les éléments  mis en æuvre sont le bore (B), I'aluminium (Al), le gallium (Ga) ou l'indium (ln).

- La durée de vie d'une led blanche est de l'ordre de 100.000 heures, contre 1000 h pour les lampes à incandescence, et 4000h pour les halogènes. Il faut préciser que les 100.000 heures annoncées par les constructeurs sont à revoir à la baisse, compte tenu du fait que la quantité de flux lumineux décroit dans le temps, de telle sorte qu’il existe un seuil de lumière (70%) à partir duquel on considère la LED comme inopérante, il faut donc compter sur 60.0000 heures environ de fonctionnement normal.

- La température de couleur : La température de couleur d’une source lumineuse caractérise la teinte du blanc. Une teinte bleutée sera dite froide tandis qu’une teinte jaunâtre sera dite chaude (Figure 5). 

- Type de LED

- Les leds infrarouges. Ces leds sont de fabrication antérieure aux leds à spectre visible, elles existent depuis de nombreuses années, notamment dans le domaine de la télécommande. Elles émettent dans le spectre invisible de l'infrarouge et fonctionnent souvent en mode impulsionnel.
- Astuce : Pour voir si votre télécommande infrarouge fonctionne, prendre un téléphone portable en mode vidéo et filmer la diode de la télécommande, on voit très bien les pulsations de la diode infrarouge quand elle fonctionne.

- Les leds à spectre visible. Le boîtier peut être de la même couleur que celle de la lumière émise, il peut aussi être transparent. On trouve des leds carrées, triangulaires ou rectangulaires. Certains afficheurs sept segments sont constitués de Leds. Le tableau 1 résume les principales caractéristiques des leds.

Les leds multicolores :  La led bicolore comporte deux électrodes. Selon le sens du courant, la led émet dans une couleur ou dans I'autre (Figure 4).
ll existe aussi des leds tricolores à trois électrodes. L'une des électrodes correspond au commun tandis que chacune des deux autres est affectée à une couleur. On fera attention que les anodes ont des tensions différentes selon les couleurs, l'intensité quant à elle est indentique. Voir Figure 3 (Led multicolore RVB à cathode commune. Boîtier transparent "ref gotronic.fr"). On remarque sur la figure 3 que la tension sur les bornes de la led varie selon la couleur.

- Les leds clignotantes :  Ces leds comportent un circuit électronique interne qui génère leur clignotement. La période est comprise entre 0,4 à 1 seconde (2,5 à 1 Hz), selon le type. Elles sont alimentées par une tension continue de 6 à 12 V sans insérer une résistance de limitation de courant.

- Les leds à résistance interne : Ces leds nous dispense de calculer la résistance série à mettre sur les leds ordinaires. La tension de service est donnée par le constructeur.

- Calcul de la résistance de limitation de courant :  Soit à alimenter une led rouge (Vs=2V  Id nominal 10mA). Vs= 5V : R=5-2/.10= 300 Ohms.

- Réglage de l'intensité lumineuse de la led :  La luminosité d'une led peu être commandé en faisant varier le courant circulant à travers elle. Mais la meilleure façon de contrôler la luminosité des LED est d'utiliser un processus de contrôle appelé "Pulse Width Modulation" ou PWM.





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