Les LED remplacent rapidement les ampoules à incandescence dans presque tous les domaines où leur position semblait inébranlable. Les avantages concurrentiels des éléments semi-conducteurs étaient convaincants : faible coût, longue durée de vie et, surtout, rendement supérieur. Alors que les lampes avaient un rendement inférieur à 5 %, certains fabricants de LED affirment convertir au moins 60 % de l'électricité consommée en lumière. La véracité de ces affirmations reste sur la conscience des spécialistes du marketing, mais le développement rapide des propriétés des éléments semi-conducteurs pour les consommateurs ne fait aucun doute.
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Qu'est-ce qu'une LED et comment fonctionne-t-elle ?
Une LED (diode électroluminescente, DEL) est une diode semi-conductriceà base de cristaux :
- arséniure de gallium, phosphure d'indium ou séléniure de zinc - pour les émetteurs de portée optique ;
- Nitrure de gallium - pour les dispositifs dans le domaine de l'ultraviolet ;
- sulfure de plomb - pour les éléments émettant dans le domaine de l'infrarouge.
Ces matériaux sont choisis parce que la jonction p-n des diodes qui les composent émet de la lumière lorsqu'une tension continue est appliquée. Les diodes conventionnelles au silicium ou au germanium ont peu ou pas d'émission.
L'émission des LED n'est pas due au degré d'échauffement de l'élément semi-conducteur ; elle est provoquée par la transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre lors de la recombinaison des porteurs de charge (électrons et trous). La lumière qui en résulte est monochromatique.
Ce rayonnement se caractérise par un spectre très étroit, et il est difficile d'isoler la couleur souhaitée à l'aide de filtres à lumière. Et certaines couleurs (blanc, bleu) sont irréalisables avec ce principe de fabrication. C'est pourquoi la technologie actuellement en vigueur consiste à recouvrir la surface extérieure de la LED d'un luminophore et à déclencher son incandescence par le rayonnement de la jonction p-n (qui peut être visible ou se situer dans la gamme des UV).
Conception d'une LED
À l'origine, une LED a été conçue de la même manière qu'une diode normale : une jonction p-n et deux broches. Seul un corps fait d'un composé transparent ou d'un métal avec une fenêtre transparente permet d'observer la lueur. Mais on a appris que des éléments supplémentaires seraient intégrés dans le boîtier de l'appareil. Par exemple, Résistances - pour allumer la LED Dans le circuit de la tension nécessaire (12 V, 220 V) sans aucun circuit externe. Ou un oscillateur avec un diviseur pour créer des éléments clignotants émettant de la lumière. Ils ont également recouvert le boîtier d'un phosphore qui s'allume lorsque la jonction p-n est allumée, améliorant ainsi les capacités de la LED.
La tendance à la commutation sans broche ne s'est pas arrêtée aux LED non plus. Les dispositifs CMS gagnent rapidement des parts de marché dans la technologie d'éclairage grâce aux avantages de la technologie de fabrication. Les produits SMD ne sont pas sans plomb. La jonction P-n est montée sur une base en céramique, remplie de composé et recouverte d'un phosphore. La tension est appliquée via les plots de contact.
Actuellement, les dispositifs d'éclairage sont équipés de LED basées sur la technologie COB. L'essence de cette technologie est que sur une plaque, plusieurs (de 2-3 à des centaines) jonctions p-n sont assemblées en une matrice. Le tout est placé sur le dessus dans un boîtier unique (ou un module SMD est formé) et recouvert de phosphore. Cette technologie est très prometteuse, mais il est peu probable qu'elle remplace complètement les autres modèles de LED.
Quels sont les types de DEL disponibles et où elles sont utilisées ?
Les LED à portée optique sont utilisées comme éléments d'indication et comme dispositifs d'éclairage. Chaque spécialisation a ses propres exigences.
LEDs d'indication
La fonction d'un voyant est d'indiquer l'état d'un dispositif (alimentation, alarme, actionnement d'un capteur, etc.) Les LED à jonction p-n sont largement utilisées dans ce domaine. Les appareils dotés d'un phosphore ne sont pas interdits, mais il n'y a pas de point particulier. Ici, la luminance n'est pas de première importance. La priorité est le contraste et le grand angle de vision. Les LED sont utilisées sur des panneaux de dispositifs (à trou véritable), sur des cartes - à broches et SMD.
Eclairage LED
En revanche, les éléments dotés d'un phosphore sont principalement utilisés pour l'éclairage. Cela permet un flux lumineux suffisant et des couleurs proches du naturel. Les LED de sortie de cette zone sont pratiquement évincées par les éléments SMD. Les LEDs COB sont largement utilisées.
Les appareils conçus pour transmettre des signaux dans le domaine optique ou infrarouge peuvent être placés dans une catégorie distincte. Par exemple, pour des dispositifs de commande à distance d'appareils ménagers ou de dispositifs de sécurité. Et les éléments UV peuvent être utilisés pour des sources UV compactes (détecteurs de monnaie, matériaux biologiques, etc.).
Caractéristiques principales des LEDs
Comme toute diode, les LED présentent des caractéristiques générales de type "diode". Paramètres limites dont le dépassement entraîne la défaillance du dispositif :
- le courant direct maximal admissible ;
- Tension maximale en direct ;
- Tension inverse maximale admissible.
Les autres caractéristiques sont spécifiques aux "diodes".
Couleur de l'éclairage
La couleur de la lumière - ce paramètre caractérise les LED de la gamme optique. Dans la plupart des cas, les luminaires sont blancs avec différents température de la lumière. Dans les voyants lumineux, il peut s'agir de n'importe quelle gamme de couleurs visibles.
Longueur d'onde
Ce paramètre reproduit dans une certaine mesure le précédent, mais avec deux réserves :
- Les dispositifs IR et UV n'ont pas de couleur visible, c'est donc pour eux la seule caractéristique qui caractérise le spectre d'émission ;
- ce paramètre s'applique davantage aux LED à émission directe - les éléments avec phosphores émettent dans une large bande, de sorte que leur luminescence ne peut être caractérisée sans ambiguïté par la longueur d'onde (quelle pourrait être la longueur d'onde de la couleur blanche ?).
Par conséquent, la longueur d'onde émise est un chiffre plutôt informatif.
Consommation de courant
Le courant absorbé est le courant de fonctionnement auquel la lumière émise est à sa luminosité optimale. Si elle est légèrement dépassée, l'appareil ne tombera pas en panne rapidement - c'est la différence avec la valeur maximale admissible. L'abaisser n'est pas non plus souhaitable - l'intensité du rayonnement diminue.
Puissance
La consommation d'énergie est simple. En courant continu, il s'agit simplement du produit de la consommation de courant multiplié par la tension appliquée. Il est souvent déroutant pour les fabricants de produits d'éclairage d'indiquer en gros chiffres sur les emballages la puissance équivalente d'une lampe à incandescence, qui a le même flux lumineux que le luminaire.
Angle solide visible
L'angle solide apparent est plus simplement représenté comme un cône émergeant du centre de la source lumineuse. Ce paramètre est égal à l'angle d'ouverture de ce cône. Dans le cas des voyants lumineux, il détermine comment une alarme sera vue de côté. Pour les luminaires, elle détermine le flux lumineux.
Intensité lumineuse maximale
L'intensité lumineuse maximale est indiquée en candelas dans les spécifications techniques de l'appareil. Mais dans la pratique, il est plus pratique de travailler avec le concept de flux lumineux. Le flux lumineux (en lumens) est égal au produit de l'intensité lumineuse (en candela) par l'angle solide apparent. Deux LED ayant la même intensité lumineuse donnent une lumière différente selon l'angle. Plus l'angle est grand, plus le flux lumineux est important. C'est plus pratique pour le calcul des systèmes d'éclairage.
Chute de tension
La chute de tension directe est la tension qui tombe aux bornes de la DEL lorsqu'elle est ouverte. En la connaissant, vous pouvez calculer la tension nécessaire pour ouvrir une série d'éléments émetteurs de lumière, par exemple.
Comment connaître la tension nominale de la LED ?
Le moyen le plus simple de connaître la tension nominale d'une LED est de consulter des ouvrages de référence. Mais si un appareil non marqué d'origine inconnue est trouvé, il peut être connecté à une alimentation régulée et la tension peut être augmentée progressivement à partir de zéro. À partir d'une certaine tension, la DEL clignote de manière intense. C'est la tension de fonctionnement de la cellule. Il y a plusieurs nuances à garder à l'esprit avec ce test :
- l'appareil testé peut avoir une résistance intégrée et être conçu pour une tension suffisamment élevée (jusqu'à 220 V) - toutes les alimentations ne disposent pas de cette plage de régulation ;
- l'émission de la LED peut se situer en dehors du spectre visible (UV ou IR) - le moment de l'allumage n'est alors pas détectable visuellement (bien que la lueur du dispositif IR puisse dans certains cas être vue par la caméra d'un smartphone) ;
- La connexion de l'élément à une source de tension continue doit se faire dans le strict respect de la polarité, sinon il est facile de détruire la LED avec une tension inverse, dépassant les capacités de l'appareil.
Si vous ne connaissez pas la broche de l'élément, vous feriez mieux d'augmenter la tension à 3...3.5V, si la LED ne s'allume pas - retirez la tension, inversez la connexion des pôles de la source et répétez la procédure.
Comment déterminer la polarité de la LED ?
Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la polarité des broches.
- Avec les éléments sans plomb (y compris les COB), la polarité de la tension d'alimentation est indiquée directement sur le boîtier - soit par des symboles, soit par des éclairs sur le boîtier.
- La DEL ayant une jonction p-n classique, elle peut être sondée avec un multimètre en mode test de diode. Certains testeurs ont une tension de mesure suffisante pour allumer la LED. La bonne connexion peut alors être vérifiée visuellement par la lueur de l'élément.
- Certains dispositifs CCCP avec un boîtier métallique ont une clé (saillie) dans la zone de la cathode.
- Le fil de la cathode est plus long. Seuls les éléments non soudés peuvent être identifiés par cette caractéristique. Avec les LED usagées, les bornes sont raccourcies et pliées pour être installées de manière arbitraire.
- Enfin, vous pouvez connaître la position de la anode et cathode est possible par la même méthode qui est utilisée pour déterminer la tension de la LED. La luminescence ne sera possible que si l'élément est correctement connecté - la cathode au moins de la source et l'anode au plus.
Le développement de la technologie ne s'arrête pas. Il y a quelques décennies, la LED était un jouet coûteux destiné aux expériences de laboratoire. Il est désormais difficile d'imaginer la vie sans elle. Ce qui se passera ensuite - le temps nous le dira.
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