Comment Fonctionne Une Lampe LED

La LED (Light Emitting Diode), littéralement « diode émettrice de lumière », est également connue sous le nom de DEL (Diode électroluminescente) en français . Il s'agit d'un composant (opto)électronique qui a deux caractéristiques fondamentales : il ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (ce qui définit la nature d'une diode) et il émet de la lumière.

L'histoire de la LED est relativement récente par rapport aux autres sources d'éclairage. Elle a commencé à prendre de l'importance dans le domaine industriel, en particulier dans la signalétique, à partir des années 1970. Son utilisation s'est véritablement répandue dans l'éclairage général depuis les années 2000 et 2010.

Étapes importantes

En 1907, le chercheur britannique des laboratoires Marconi, Henry Joseph Round, fait une découverte intrigante : lorsqu'une tension de 10 volts est appliquée à du cristal de carborundum (carbure de silicium), il émet une lueur jaunâtre. Cependant, cette observation empirique demeure au stade de la curiosité pendant deux décennies. C'est Oleg Vladimirovich Losev, un chercheur russe, qui creuse davantage le sujet et jette les bases de l'ampoule LED grâce à son article pionnier intitulé : « Détecteur lumineux au carborundum, effet de détection et oscillations avec les cristaux ». Malheureusement, aucune avancée significative n'est réalisée pendant plusieurs décennies, en dépit du fondement théorique posé par le chercheur russe, qui décède prématurément en 1942 à l'âge de 39 ans.

Une décennie après la Seconde Guerre mondiale, Rubin Braunstein de la Radio Corporation of America s'intéresse à la question et remarque que certaines diodes simples émettent une lumière infrarouge lorsqu'elles sont soumises à un courant électrique. Ce moment marquera le début d'une série de découvertes et d'inventions qui nous conduiront finalement à la technologie LED que nous connaissons aujourd'hui.

• 1907 : Découverte du « phénomène curieux » par Henry Round.
• 1962 : Nick Holonyak parvient à créer une LED émettant de la lumière rouge.
• 1991 : Shuji Nakamura développe la LED bleue, qui ouvre la voie à la création de LED blanches.
• Années 2000 : Début de la production de LED à haute puissance.
• 2013 : L'efficacité des LED commercialisées dépasse celle des meilleurs tubes fluorescents.

Du point de vue technique, la production d'une LED implique l'utilisation des éléments suivants

• Un semi-conducteur : Il s'agit d'un matériau dont la conductivité électrique se situe entre celle d'un conducteur et celle d'un isolant. Pour créer une couche où les électrons sont en excès et une autre où ils sont en déficit, les semi-conducteurs sont « dopés ». Cela signifie que la densité d'électrons est augmentée (ou diminuée) en ajoutant des atomes avec plus (ou moins) d'électrons en périphérie. On parle de dopage de type N (excès d'électrons) ou de type P (déficit d'électrons). Les matériaux utilisés, tels que GaAlAS, AlGaInP, GaAsP, GaN ou InGaN, déterminent l'énergie des photons émis, ce qui conduit à une longueur d'onde spécifique (quasiment monochromatique) et donc à une couleur particulière.
• Un substrat : Il s'agit du matériau sur lequel le semi-conducteur dopé est fabriqué par épitaxie (dépôt de couches atomiques successives). Le substrat doit avoir une conductivité thermique élevée pour dissiper la chaleur résultant de la recombinaison des électrons et des trous. De plus, il doit avoir des propriétés cristallographiques similaires à celles du semi-conducteur pour éviter la formation de défauts (comme des dislocations) qui réduiraient l'efficacité des LED. Les matériaux couramment utilisés comprennent le saphir (Al2O3), le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), le silicium (Si), le diamant et le graphite.
• Une connexion électrique : L'alimentation de la LED est assurée par des fils d'or, des microbilles ou des attaches directes.
• Un boîtier mécanique : Ce boîtier assemble tous les composants et contribue à évacuer la chaleur générée. Il joue un rôle crucial dans la protection et le bon fonctionnement de la LED.
• Un luminophore : Pour produire de la lumière blanche, les LED émettent généralement une lumière bleue, transformée en partie en lumière jaune par un élément phosphorescent. Cette combinaison de couleurs couvre le spectre visible, générant ainsi une lumière blanche.

Comment fonctionne une ampoule LED ?

Une ampoule LED, également connue sous les noms de lampe à diode électroluminescente, lampe à DEL ou simplement LED , est un dispositif électronique semi-conducteur utilisant des diodes électroluminescentes pour produire de la lumière. Cette technologie marque la quatrième génération d'éclairage grand public après les ampoules à incandescence classiques, les ampoules halogènes et les lampes fluocompactes. Mais comment fonctionne réellement une LED ? Cette technologie se distingue des concepts de ses prédécesseurs. La lumière ne provient plus de la chaleur, mais plutôt des composants intrinsèques de l'ampoule elle-même. Son fonctionnement repose sur les principes de la physique quantique appliqués aux semi-conducteurs. Cependant, ne vous inquiétez pas, ces concepts sont relativement simples à comprendre.

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui se trouvent à mi-chemin entre les conducteurs métalliques et les isolants (comme le plastique). Ils sont composés de deux bandes proches mais non superposées : la bande de conduction et la bande de valence. Lorsqu'une tension adéquate est appliquée, plusieurs événements se produisent

1. L'électron présent dans la bande de valence passe à la bande de conduction. Cela crée un "trou" dans la bande de valence et un électron excédentaire dans la bande de conduction, ce qui favorise la circulation du courant électrique.
2. Étant donné que cette configuration est instable, l'électron retourne finalement à sa position d'origine dans la bande de valence.
3. Cette séquence d'électrons passant d'une bande à l'autre se répète en continu.
4. Chaque transition électronique libère un photon, la particule élémentaire de la lumière.

Ainsi, grâce à ces processus, une ampoule LED produit de la lumière sans recourir à la chaleur comme le faisaient les technologies d'éclairage antérieures. Maintenant, vous êtes mieux armé pour apprécier les avantages des ampoules LED et peut-être même briller en société en expliquant ce fonctionnement ! Même si certains détails vous échappent, retenez que le passage de l'incandescence à la LED permet d'économiser de l'énergie sans sacrifier le confort lumineux. Et cela, c'est une innovation vraiment intelligente.

Avantages

La LED connaît une adoption généralisée pour de nombreuses raisons. Voici quelques-uns des avantages les plus marquants qui expliquent son succès

1. Efficacité énergétique exceptionnelle : Comparée à une ampoule à incandescence classique, la LED consomme environ 8 à 10 fois moins d'énergie, et elle est jusqu'à 5 fois plus efficace qu'une ampoule fluocompacte (aussi appelée ampoule basse consommation). Les ampoules LED sont généralement classées en catégorie énergétique A, et les plus performantes peuvent même atteindre la classe A++.
2. Durée de vie prolongée : Les ampoules LED affichent une durée de vie exceptionnelle. Contrairement aux ampoules à incandescence qui durent environ 1 000 heures, les LED peuvent perdurer entre 25 000 et 50 000 heures, ce qui équivaut à environ 20 ans d'utilisation quotidienne pendant 3 heures. Un avantage supplémentaire est que le nombre d'allumages et d'extinctions n'affecte pas la longévité des LED, ce qui entraîne moins de remplacements et de coûts cachés.
3. Allumage instantané : Les LED s'allument instantanément à pleine puissance (100%) dès leur allumage, en contraste avec les ampoules fluocompactes qui peuvent nécessiter plusieurs minutes pour atteindre leur luminosité optimale.
4. Température extérieure modérée : Les LED génèrent une chaleur raisonnable, atteignant environ 35°C. Ainsi, il n'y a pas de risque de brûlure en les touchant.
5. Large choix : Les ampoules LED sont disponibles dans une variété de formes, de tailles et de culots, offrant une gamme d'options pour s'adapter à différents luminaires et besoins d'éclairage.
6. Respect de l'environnement : Les LED sont souvent fabriquées à partir de matériaux recyclables, ce qui les rend plus respectueuses de l'environnement que certaines alternatives.
7. Taille réduite et résistance accrue : Les LED sont compactes et durables, ce qui les rend moins sujettes aux dommages en cas de choc par rapport à d'autres types d'ampoules.

Les avantages combinés de l'efficacité énergétique, de la longue durée de vie, de l'allumage instantané et de la polyvalence font des ampoules LED un choix privilégié pour de nombreuses applications, tant pour les particuliers que pour les entreprises, en contribuant à une économie d'énergie et à une utilisation durable.

Inconvénients des ampoules LED

1. Impact environnemental à améliorer : Bien qu'elles aient un impact environnemental 75% inférieur à celui des ampoules à incandescence, les LED sont fabriquées avec des métaux rares tels que l'indium et le gallium, dont l'exploitation nécessite beaucoup d'énergie. Cependant, des avancées dans le recyclage et l'amélioration de leur durabilité contribuent à atténuer cet inconvénient.
2. Coût initial plus élevé : Leur prix à l'achat est plus élevé que celui d'autres types d'ampoules, mais il est rapidement compensé par les économies d'énergie et leur longue durée de vie.
3. Émission de lumière bleue : Les éclairages LED émettent une proportion significative de lumière bleue, ce qui suscite des préoccupations quant à son impact potentiel sur la vue. Comme pour toute technologie à LED (écrans d'ordinateur, tablettes, télévisions et téléphones), quelques précautions simples permettent d'éviter les problèmes : ne pas fixer la lumière directement, orienter correctement l'éclairage et utiliser des protections si nécessaire.