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BASES
LED
La diode électroluminescente (également appelée DEL ou LED : light emitting diode) est composée de semi-conducteurs engendrant de la lumière. On parle aussi d'électroluminescence car un solide, excité par l'application d'une tension électrique, devient éclairant.
Pour ce faire, des structures cristallines de semi-conducteurs, tel le nitrure de gallium (GaN) ou le phosphure d'indium (InP), sont rendus conducteurs en étant dopés par des atomes. Ainsi, une couche de la structure cristalline, par incorporation d'atomes étrangers, est en excès d'électrons (bande n) et l'autre couche est en déficit d'électrons (bande p). Le déficit d'électrons est aussi appelé trou. Une LED intègre toujours une cathode et une anode. Lors de l'application d'une tension électrique à la cathode et l'anode, les excès et déficits d’électrons se recombinent dans la couche de transition des deux semi-conducteurs. Celle-ci est appelée également jonction pn.
Lors de la recombinaison des excès et déficits d'électrons, un rayonnement électromagnétique est émis sous forme de photons, c'est à dire de lumière visible. Toutefois, de la chaleur est également formée, car toutes les paires d'électrons-trous ne se recombinent pas. Cet excès de chaleur doit être dissipé par conduction (= gestion thermique). Dans la lumière émise, il n'y a cependant pas de chaleur (= infrarouge). Une LED crée toujours un rayonnement monochromatique en fonction du semi-conducteur utilisé. Les couleurs habituelles (en fonction du semi-conducteur) sont le rouge, l'orange, le jaune, le vert et le bleu. Aucun semi-conducteur ne peut produire directement de la lumière blanche. Une LED émettant du «blanc» est en fait une LED bleue recouverte de phosphore jaune. Il y a alors mélange entre le bleu initial du semi conducteur et le jaune issu de la phosphorescence. Une lentille polymère placée devant le chip protège et sert de lentille optique.
HISTOIRE
En 1907, l'Anglais Henry Joseph Round découvre que des matériaux inorganiques peuvent éclairer lorsqu'une tension électrique est appliquée.
En 1962, la première diode électroluminescente rouge (type GaAsP), développée par l'Américain Nick Holonyak, est mise sur le marché. Elle marque le début des LED fabriquées industriellement.
En 1995 apparait la première LED dont la lumière blanche est générée à partir de la conversion de luminescence par addition de luminophores. Deux années plus tard, les LED blanches sont mises sur le marché.
AVANTAGES
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Les LED n’utilisent moins d’énergie par rapport aux technologies traditionnelles actuelles.Le rendement (lumen/Watt) des éclairages LED est en effet supérieur à celui des lampes à incandescence, halogène et fluorescentes.
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Les LED ont une durée de vie de 35’000 à 40’000 heures (suivant les modèles, la qualité de l’intégration et les conditions d’utilisation comme la température de l’environnement).Pour comparaison, les lampes à incandescence durent en moyenne 1’000 heures, les lampes halogène 2’000 à 3’000 heures et les lampes fluorescentes 10’000 heures.
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Comparativement aux lampes «classiques», les LED n’émettent moins de chaleur.
Les LED n’émettent pas de radiation infrarouge. La principale conséquence est que le faisceau de lumière n’est pas de température élevée. C’est un réel avantage lors de l’éclairage de denrées alimentaires par exemple.
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Le meilleur rendement des LED participe aussi à la diminution d’émission de chaleur.
Dans certains lieux, le dégagement de chaleur des lampes à incandescence ou halogène est un réel problème. Il faut également prendre en compte les économies de climatisation que représente le passage à la technologie LED.
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Les LED n’émettent pas de rayons ultraviolets.
Les sources de lumière classiques émettent, en plus du spectre visible, des rayons ultraviolets qui endommagent les matériaux et les couleurs. Au contraire, les LED n’émettent pas d’UV.
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Les LED sont ultra-résistantes aux chocs.
Contrairement aux lampes classiques, une lampe LED supportera d’être déplacée ou de subir des chocs. Cet avantage est surtout valable pour les personnes effectuant des prestations et devant déplacer des équipements d’éclairage.
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Les LED émettent dès l’allumage à 100% de leur flux.
Contrairement à maintes lampes fluorescentes dites «économiques», les LED sont directement opérationnelles à 100% de leur flux lumineux. De plus, elles permettent de très nombreux allumages et extinctions.
TYPES
TYPES DE LED
LED de basse puissance (Low-Power LED)
Les LED de basse puissance - aussi dénommées LED radiales - sont présentées sous les formes classiques de grandeur 3 ou 5 millimètres. Elles sont alimentées avec des courants de 20 mA à 100 mA. Des modèles Superflux sont surtout intégrés dans la fabrication automobile.
LED de haute puissance (High-Power LED)
Les LED de haute puissance, aussi appelées High-Power LED, émettent le plus de lumière. Elles sont d'abord apparues sous la forme efficace d'un Watt alimentées par un courant de 350 mA. Peu après sont apparues les LED de puissance de 3 et 5 Watt. En même temps, les LED ont pu être miniaturisées.
TYPES DE CONSTRUCTIONS
LED sur fils (LED radiales)
Elles proviennent des premiers jours de la technologie LED. Le chip interne de la LED est encapsulé d'une calotte en plastique le protégeant des agressions. A cause de leur faible flux lumineux, ces LED de basse puissance sont principalement utilisées pour des applications de témoins lumineux.
LED COB (= Chip on Board)
Elles sont intégrées dans des modules LED particulièrement puissants et compacts. Dans ce type de construction, des chips de LED nus (non encapsulés) sont fixés directement à une carte de circuit imprimé. Les contacts sont assurés par des fils de bonding. Une lentille époxy, appelée "bubble", est fixée devant les LED et définit l'angle de diffusion.
LED SMD (= Surface Mounted Devices)
Elles sont des produits standard compacts pour les applications industrielles. Elles sont fixées directement sur un circuit imprimé et sont soudées dans un bain de soudure. Comme les LED à fils, elles sont directement encapsulées. Les LED SMD sont la forme la plus fréquente dans la fabrication des modules et des luminaires. Le type de construction SMD concerne aussi bien les LED basse puissance que les LED haute puissance. Il rend possible la production industrielle de modules puissants et extrêmement plats et étroits.
GESTION THERMIQUE
Même si la lumière émise par une LED n'est pas chaude, il est faux de croire que les LED n'émettent pas de chaleur. Comme pour d'autres sources de lumière, seulement une partie de l'énergie de la LED est convertie en lumière. Il subsiste de la chaleur dans le semi-conducteur. Cette chaleur doit être absolument évacuée afin qu'une longue durée de vie et une efficacité élevée soient assurées. Cela concerne particulièrement les LED avec un flux lumineux élevé.
BINING
Dans la production industrielle des LED, il y a toujours des différences entre les lots. Par exemple, les LED présentent des écarts au niveau de la couleur et de l'éclairement. Afin de garantir un même niveau d'éclairement et une uniformité de la couleur, les LED d'un lot doivent être triées. C'est ce qu'on appelle le "binning".
Les principaux critères de tri sont:
- Le flux lumineux, mesuré en Lumen (lm)
- La température couleur, mesurée en Kelvin (K)
- La tension directe, mesurée en Volt (V).
Le système de référence colorimétrique CIE ou système de couleur standard CIE a été développé par la CIE (Commission internationale de l'éclairage). Il établit une relation entre la perception humaine de la couleur et les causes physiques du stimulus de la couleur. Il représente toutes les couleurs perceptibles. Si le bin de la LED se trouve sur la courbe de Plank, il s'agit alors d'un "blanc pur". Si le bin est au-dessus de la courbe, la LED aura alors une tendance vers le vert.
De nos jours, les LED sont assorties selon la norme ANSI (ANSI = American National Standards Institute). L'ellipse MacAdam mesure la variation chromatique possible autour de ses axes, avant que l'œil humain ne détecte une variation chromatique. Une série d'ellipses peut ensuite être tracée autour de toutes les couleurs cibles, et plus une LED donnée est proche de la cible, moins la déviation chromatique sera importante lorsque ces LED seront placées l'une à côté de l'autre.
La distance depuis le point cible dans chaque ellipse est mesurée en déviations standards de concordance de couleur (SDCM). Un SDCM de 1 indique qu'il n'y a pas de différence chromatique entre les chips ou puces de la LED, 2 ou 3 SDCM indiquent une différence chromatique difficilement perceptible. Une stabilité chromatique de 4 SDCM est généralement acceptée par le marché.
ALIMENTATIONS ET CONTRÔLE
Certains luminaires sont alimentés directement par la tension du réseau (p.ex. lampes E27 et GU10). Dans ce cas, les convertisseurs sont intégrés dans les luminaires. La variation de ces produits se fait généralement par coupure de phase. D'autres luminaires sont alimentés par des convertisseurs externes (p.ex. modules LED). La variation de ces produits se fait par des signaux de commande séparés (p.ex. 1-10V, DALI, DMX) ou par modulation de fréquence (PWM).
ALIMENTATIONS
Selon le type d'implantation des LED, il y a deux types d'alimentations:
Les alimentations avec une tension de sortie constante. Elles convertissent la tension du réseau de 230V AC en une petite tension DC - par exemple 12 ou 24 Volt.
Les alimentations avec un courant de sortie constant. Elles convertissent la tension du réseau de 230V AC en un courant de sortie stabilisé - par exemple 350 mA, 700 mA ou 1050 mA. Dans ce cas, les LED peuvent être alimentées directement et sont alors câblées en série.
SYSTEMES DE CONTRÔLE ET VARIATION
Les luminaires LED peuvent être intégrés dans des systèmes de contrôle modernes grâce à des interfaces spécifiques. Pour les systèmes techniques simples, des interfaces analogiques sont utilisées (p.ex. système de contrôle 1-10V pour la variation).
Les protocoles digitaux DALI et DMX512 peuvent être intégrés dans les systèmes de contrôle des bâtiments tel le KNX. Ces systèmes mettent en réseau tous les composants techniques tel le chauffage, l'éclairage, les stores, la ventilation et l'équipement de sécurité. Ils offrent ainsi un grand confort avec une efficacité maximale.
Pour les applications plus restreintes (p.ex. éclairage blanc), les solutions de contrôle basées sur le protocole digital DALI (Digital Addressable Lighting Interface) sont appropriées. Avec peu de conducteurs, il peut contrôler individuellement des luminaires, même sur des longues distances. Une unité de commande centrale permet de contrôler des groupes de luminaires et les niveaux d'éclairage. Des dispositifs de détection de présence et de mesure de lumière ambiante peuvent y être intégrés. Ils permettent des économies d'énergie.
Pour les applications plus conséquentes (p.ex. avec éclairage architectural), les solutions de contrôle basées sur le protocole digital DMX512 (Digital Multiplexing) sont plus appropriées. Celui-ci est couramment utilisé par les architectes et les concepteurs d'éclairage. En effet, le DMX512, grâce à une unité de commande centrale, peut contrôleur jusqu'à 512 canaux avec une vitesse de transmission élevée. Ce protocole est préconisé pour l'éclairage architectural avec des mélanges de couleurs, des transitions de scènes et des séquences.