Diode LED et la production de la lumière 

Définition de la lumière blanche 

L’œil humain peut voir différentes couleurs de la lumière selon leur longueur d’onde. Le domaine de ces radiations visibles par l’homme s’étend approximativement de 400 nm qui correspondent aux radiations violettes à 800 nm qui sont les radiations rouges.
Le blanc est la couleur de toute la lumière dont la décomposition par un système dispersif comme le prisme donne des spectres continus qui contiennent toutes les couleurs de l’arc en ciel.
L’efficacité lumineuse d’une source est le rapport entre le flux lumineux en lumen de cette source et la puissance électrique consommée en watt.

Température de couleur et indice de rendu de couleur

Température de couleur 

Par définition, c’est une température exprimée à l’échelle Kelvin, nécessaire pour déterminer la couleur de la lumière en question. Elle détermine la teinte dominante de la lumière. Lorsqu’on chauffe de plus en plus fort un objet, il émet d’abord de la lumière infrarouge, puis de la lumière visible (rouge, orange, jaune, blanche) et enfin une lumière bleutée comme l’indique la figure 1.8
La température de couleur d’une source caractérise la teinte de la couleur blanche. Si la lumière est assez jaune, on dit qu’elle est de teinte chaude et possède comme température de couleur une température inférieure à 3 000K. Ayant comme température de couleur égale à 4 500 K, la lumière est dite neutre et a la couleur blanche. Tandis que la lumière blanche ayant comme température de couleur comprise entre 5 000 à10 000K est assez bleutée et est dite de teinte froide.
En fait, une lumière ayant une température de couleur élevée est ressentie comme plus froide qu’une lumière de température de couleur inférieure.
La longueur d’onde du maximum du spectre et la température de couleur d’une source lumineuse sont reliées par la formule empirique suivante :2 897 800 = T × λmax (1.2)
Dans certains cas, le spectre émis par une source n’est plus continu. Comme le cas de l’émission de la lumière blanche et on ne peut pas connaitre la longueur d’onde.
Pour cela, afin de déterminer la couleur de la lumière émise par la source, on fait recours à ce qu’on appelle « température de couleur proximale ». C’est la température de couleur indicative pour l’œil humain. La température de couleur donnée par les fabricants se référent toujours à cette échelle sensorielle.
Le tableau 1.1 représente quelques valeurs de la température de couleur selon le type de la source.

Quelques unités de mesure

La candela (cd) est l’unité de l’intensité lumineuse vue par l’œil humain, par exemple, une bougie peut diffuser 1cd comme intensité lumineuse. Le lux est l’unité de l’éclairement de la lumière émise par une source. Il se détermine en faisant le rapport entre le flux lumineux et la surface éclairée. De plus, il dépend de la distance entre la source et l’objet à éclairer.

Caractéristique électrique de la LED 

Polarisation d’une diode

Quand on branche la LED à une source de tension, les électrons excédentaires du semi-conducteur dopé N se combinent avec les trous du semi-conducteur de type P. Ce phénomène crée une barrière de potentiel ou un champ électrique E dans la zone de déplétion.
Lorsque la diode est polarisée en direct, on doit vaincre la barrière de potentiel de cette zone : pour faire passer les trous de la zone P vers les électrons de la zone N. Ainsi, l’intensité du champ E interne va diminuer. Des nombreux porteurs majoritaires peuvent franchir la région de déplétion.

Point de fonctionnement d’une diode électroluminescente

Lorsqu’on fait brancher un récepteur avec un générateur, il est important de connaitre le courant et la tension concernant le récepteur. Cette étude nous conduit à la recherche du point de fonctionnement du circuit en question. Ce dernier peut se déterminer par deux méthodes.

La méthode analytique

L’association d’un recepteur avec un générateur engendre des simples équations mathématiques caractérisant le système. Ceci permet d’en déduire le courant et la tension concernant le recepteur. La corespondance entre ces deux valeurs donne un point appelé « point de fonctionnement » ou « point de repos ».
Dans notre cas, la résistance interne du générateur étant négligeable. Ce point de fonctionnement depend de la charge et de la différence de potentiel débitée par le générateur. Il est important de verifier si la diode est en polarisation directe ou en polarisation inverse. Ce que nous interesse ici est la polarisation directe.
La première méthode est la résolution analytique des équations caractéristiques du récépteur et du générateur.
Le choix pour l’utilisation d’une LED nécessite la connaissance de quelques paramètres qui permettent de caractériser la diode tels que la tension seuil, le courant direct de crête maximum, la tension inverse de crête maximum, … Avant d’aborder aux différentes études nécessitant le branchement des diodes électroluminescentes, il suffit de rappeler qu’une diode réelle est équivalente à un générateur de tension Vd monté en série avec une résistance dynamique Rd.

Courant direct de crête maximum

Le courant direct 𝐼 𝐹 est l’une des caractéristiques importantes d’une diode. C’est l’intensité maximale que peut supporter la diode en polarisation directe. Au-delà de cette valeur la diode va détruire très rapidement. Pour déterminer cette valeur limite du courant pouvant circuler dans la diode, on a branchée directement la LED avec un générateur de tension alternative variable sans une résistance de protection. Tout le courant débité par le générateur va traverser dans la diode. A partir de la tension de seuil Eo, la diode laisse passer un courant notons par 𝐼 𝐷 .Lorsqu’on continue à augmenter la tension aux bornes du générateur, l’intensité 𝐼 𝐷 croît de façon très rapide.A une certaine valeur de 𝐼 𝐷 , la LED est grillée. Dans ce cas, lorsqu’on mesure l’intensité aux bornes du générateur, elle vaut 120𝑚𝐴 et est appelée « courant direct de crête maximum ».

Détermination de la tension inverse

La tension inverse est le plus grand paramètre mis en jeu dans cette étude à cause de l’utilisation d’un générateur de tension alternative.
En polarisation inverse, le courant traversé dans la LED est quasiment nul et la diode reste à l’état bloquée. Le courant circulé dans la diode décroit rapidement avec la tension débitée par le générateur et ceci entraîne la destruction de la diode.
C’est la valeur maximale de la tension que la diode peut supporter en polarisation inverse s’appelle « tension inverse de crête maximum » ou tension de claquage.

Résistance dynamique et point de fonctionnement de la diode

D’abord, la résistance dynamique d’une LED joue le rôle de limiteur de courant lorsqu’on la branche directement avec une source de tension. Toutefois, on a déjà vu que cette résistance est très faible et est presque négligeable dans la pratique.
En effet, pour pouvoir assurer la longévité de la diode, il est conseillé de placer une résistance limiteur de courant en série avec elle. Quant au point de fonctionnement, la méthode la plus pratique pour le déterminer est la méthode graphique. En appliquant cette technique au circuit de la figure 2.3, on trouve le point de fonctionnement de la diode utilisée, comme l’illustré par la figure 2.6. Pour cela, on a toujours raisonné avec des valeurs efficaces, c’est-à-dire la valeur maximale de la tension (ou du courant) sur racine carré de deux.Comme la diode est liée directement avec la source, tout le courant débité est traversé dans la diode. Elle est alors traversée par un courant de valeur efficace 40.14mA.
La figure 2.8 représente le point de fonctionnement d’une LED alimentée sous sa tension nominale.

Tension nominale et durée de vie

On sait que la LED grille pour un courant supérieur ou égal à 120mA en polarisationdirecte et elle fonctionne normalement en polarisation inverse, c’est-à-dire elle peut bloquer le courant avec une tension inférieure à 7,8V. C’est pour cela que la tension nominale, qui est par définition la tension minimale avec laquelle la diode brûle normalement, est une notion importante. Une méthode simple et plus pratique pour déterminer cette tension est le branchement en direct d’une LED avec un générateur de tension sinusoïdale réglable.
Lorsqu’on tourne progressivement le réglage du générateur, l’intensité du courant débitée augmente en même temps. La diode commence à émettre de la lumière de faible luminosité à partir d’une tension de 1,8V. Lorsqu’on continu à augmenter la tension débitée par la source, le flux lumineux émis par la diode augmente.
La conception de la lumière à l’œil nu reste inchangée à partir d’une tension de 3,7V que l’on appelle « tension nominale » de la diode. Concernant la durée de vie, tous les fabricants annoncent que la durée de vie maximale pour les LEDs blanches peut atteindre jusqu’à 100 000h dans les laboratoires et 50 000h pour les LEDs commerciales.
La durée de vie d’une LED dépend du type de son application. Pour l’éclairage de secours, par exemple, la durée de vie annoncée par les constructeurs est presque atteinte lorsque la LED ne produit plus que 80% du flux d’origine. Tandis que pour d’autre application d’usage courante, cette valeur est réputée atteinte lorsque la diode produit 70% et même 50% de son flux initial.
La figure 2.7 montre la variation de la durée de vie d’une LED à usage fréquente à différente température.

QUELQUES MONTAGES EN SERIE DES LEDS

Ce chapitre a pour but de déterminer les caractéristiques équivalents des quelques LEDs montées en série avec un générateur de tension variable, puis d’en déduire le nombre de LED compatible avec le courant du secteur de la JIRAMA.

Montage en série de quatre LEDs

Les quatre LEDs montées en série avec un générateur de tension alternative sont représenté par la figure 3.1

Caractéristique équivalente des quatre LEDs en série

Chaque diode utilisée dans ce montage a les mêmes caractéristiques que la LED illustrée dans le chapitre précédent. Afin de déterminer la courbe caractéristique équivalente de ces quatre LEDs en série, on a relevé successivement la valeur de l’intensité du courant aux bornes des diodes en faisant varier la tension débitée par le générateur indiquée dans le tableau 3.1.

Evaluation du point de fonctionnement d’une LED dans le circuit

Comme précédent, les LEDs sont montées en série. La somme de la tension aux bornes de chaque diode est égale la tension d’alimentation. Chaque LED est alors alimentée sous une tension de 3.7V qui n’est autre que sa tension nominale. Le courant est la même en tout point du circuit en série. D’où chaque diode est traversée par la même intensité de courant de valeur efficace 59,4mA. L’intensité du flux lumineux produite par une LED dépend de l’intensité du courant qui la traverse. En effet, chaque diode émet un même flux de lumière.
L’alternance négative de la tension débitée par le générateur peut atteindre jusqu’à 42V. Tandis que la tension inverse de crête maximum pour les huit LED vaut 62V. Les huit LEDs fonctionnent, alors normalement même en polarisation inverse. En bref, chaque LED dans le montage en série de huit LED fonctionne normalement avec une tension alternative de valeur efficace 3.7V et de courant alternatif de valeur efficace 59.4mA.

Interprétation du point de fonctionnement de chaque LED

Le générateur utilisé pour le montage est une source de tension alternative de valeur efficace 55,5V. Comme les deux montages précédents, cette tension débitée par la source est divisée équitablement dans les quinze LEDs. Chaque diode est de ce fait alimentée sous une tension alternative de valeur efficace 3.7V, c’est-à-dire sous sa tension nominale. Lorsqu’on a mesuré l’intensité de courant aux bornes des quinze LEDs, on trouve une valeur efficace 62.3mA. Puisque le montage est en série, chaque diode dans le circuit est traversée par le même courant 62.3mA. En effet, toutes les LEDs produisent la même quantité de la lumière.
Concernant le paramètre tension inverse, les quinze LEDs peuvent supporter en polarisation inverse une tension de crête maximum117V. Or l’amplitude de la tension de la source est de 78.5V.

Evaluation de nombre de LED compatible a une tension 220V alternative

La réalisation des trois montages précédents permet d’en déduire le nombre de LED compatible avec une source de tension 220V alternative. On trouve, d’après les trois courbes caractéristique courant-tension précédentes que la tension seuil des LEDs s’ajoute quand on les monte en série. Cela reste valable pour le paramètre « tension inverse de crête maximum ». L’intensité du courant débitée par le générateur croît avec la tension. Plus le générateur produit une tension élevée, plus l’intensité du courant est importante.
On observe pour les trois montages précédents que l’intensité du courant traversant dans les LEDs varie même si chaque LED est alimentée par la même tension. Pour le montage des quatre LEDs, cette intensité de courant est de 27.1mA. Pour les huit LEDs en série, le courant circulé dans chaque LED est de 59.4mA. Ce dernier vaut 62.3mA pour chaque LED dans le montage en série des quinze LEDs. Le nombre des LEDs compatible avec une source de tension alternative de valeur efficace 220V est obtenu en faisant le rapport entre cette tension et la tension nominale de la diode utilisée. Dans notre cas, la tension nominale d’une LED est de 3.7V. D’où, on a besoin de 60 LEDs montées en série afin de fonctionner avec la source de tension 220V. Pour assurer une longue durée de vie des LEDs utilisées, il est important de mettre une résistance de protection devant les diodes. Cette résistance joue le rôle de limiteur de couranten cas d’une augmentation du courant.

Discussion

Le montage en série des LEDs dans cette étude est intéressant au point de vue économique. La quasi-totalité de l’énergie venant du générateur est transformée en lumière.
De plus, la plupart des lampes LEDs commercialisées sont alimentées à forte intensité qui provoque l’augmentation de la chaleur de la jonction interne et entraîne la destruction rapide de la diode. Mais ce problème d’échauffement est réduit à cause de la présence de l’alternance négative du courant de la source.
Concernant la longévité de la LED, les fabricants ont publiés une durée de vie très large. Ceci est atteinte lorsqu’on obéit les conditions imposées comme la tension seuil et la valeur du courant direct. Des études antérieures on permis de dire que les LEDs fonctionnent avec un faible courant inférieur ou égal à 32mA en régime continu. Mais le problème dans notre cas se pose à la forte intensité du courant traversant dans les LEDs. Pour cela, on doit mettre une résistance de limitation du courant devant les LEDs pour atteindre la durée de vie souhaitée.
La source de tension variable peut produire une importante tension dans certain temps. Or une LED est sensible à une forte tension en polarisation inverse. Pour éviter l’endommagement rapide de la diode, une idée de mettre en série une diode Zener avec les LEDs est conseillée.
Un autre problème de la LED étant le faible reflet de la lumière car une LED de 5mm de diamètre peut fournir une puissance lumineuse environ 25lumens (selon le fabricant). La solution à un tel problème est de mettre un réflecteur de la lumière sur chaque pièce de LED.

Table des matières

NOMENCLATURE 
LISTE DES ACRONYMES
LISTE DES FIGURES 
LISTE DES TABLEAUX 
INTRODUCTION 
Chapitre I : CARACTERISTIQUES THEORIQUE D’UNE DIODE 
I.1. Mécanisme à base de semi-conducteur
I.1.1. Diode LED et la production de la lumière
I.1.2. Jonction PN et la zone de charge d’espace
I.2. Définition de la lumière blanche
I.2.1.Température de couleur et indice rendu de couleur
I.2.2.Quelques unités de mesure
I.3. Fabrication d’une LED blanche
I.3.1. Mélange des couleurs rouge, bleue et verte
I.3.2. Mélange d’une LED bleue et phosphore jaune
I.3.3. Mélange d’une LED bleue et multi phosphore
I.3.4. Mélange d’une LED à UV et trois phosphores
I.4. Caractéristique électrique d’une LED blanche
I.4.1. Polarisation d’une diode
I.4.2. Caractéristique courant-tension d’une LED
I.4.3. Point de fonctionnement d’une diode électroluminescente
I.4.4. Résistance dynamique et schémas équivalents des LEDs
I.5. Influence de la température sur la LED
Chapitre II : CARACTERISTIQUES DES LEDS UTILISEES DURANT L’EXPERIENCE
II.1. Détermination expérimentale de la courbe caractéristique tension-courant
II.1.1. Détermination de la tension de seuil
II.1.2. Courant direct de crête maximum
II.2. Détermination de la tension inverse
II.3. Résistance dynamique et point de fonctionnement de la diode
II.4. Tension nominale et durée de vie
CHAPITRE III : QUELQUES MONTAGES EN SERIE DES LEDs
III.1. Montage en série de quatre LEDs
III.1.1Caractéristique équivalente des quatre LEDs
III.1.2. Analyse du point de fonctionnement
III.2. Montage en série de huit LEDs
III.2.1. Caractéristique équivalente des huit LEDs
III.2.2. Evaluation du point de fonctionnement
III.3. Montage en série de quinze LEDs
III.3.1. Caractéristique équivalente des quinze LEDs
III.3.2.Interprétation du point de fonctionnement
III.4. Evaluation du nombre de LED compatible à une tension 220V alternative
III.5. Discussion
CONCLUSION 
ANNEXES 
REFERENCES