Comment fonctionnent les LED, la source lumineuse la moins chère et la plus résistante du marché

Comment fonctionnent les LED, la source lumineuse la moins chère et la plus résistante du marché
Comment fonctionnent les LED, la source lumineuse la moins chère et la plus résistante du marché
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Crédits : Zishan khan, via Unsplash.

Miniaturisablelumière, durable et puissant: de l’écran de nos téléphones à l’éclairage public, je DIRIGÉ (Diode électro-luminescente) ont désormais évincé toutes les autres sources de lumière, offrant éclairage intense et des couleurs vives avec Faible consommation.

L’intérêt pour cette technologie est tel que même des institutions, comme l’Union européenne, ont décidé d’encourager sa diffusion, en interdisant la vente des vieilles ampoules à incandescence à partir de 2012 et en suivant le même chemin pour les lampes halogènes, partiellement interdites à partir de 2018.

D’où viennent ces vertus des LED et pourquoi leur diffusion n’a-t-elle commencé que dans les années 2000 ?

Les origines des LED

L’éclairage électrique est apparu au début des années 1800, mais ne s’est imposé qu’au 1879avec l’entrée sur le marché de ampoules incandescentes De Thomas Edison. Au début des années 1900, de nouvelles sources lumineuses, comme les néons ou les LED, fluorescenceils offraient une alternative plus efficace, un économie d’énergie et durables par rapport aux ampoules traditionnelles, mais elles n’ont jamais réussi à les remplacer en raison de défauts tels queémission de lumière (mesuré en lumens) lumière réduite et plus « artificielle » pour l’œil humain.

Au début du XXe siècle également, l’ingénieur anglais Henry Joseph Round découvrit leélectroluminescence de la diodes semi-conductricesc’est-à-dire la capacité de certains matériaux à émettre de la lumière s’il fait l’objet d’un Pouvoir électrique. Les LED sont des diodes spéciales développées pour exploiter ce phénomène et sont nées en 1961 avec l’introduction de mené un infrarougeencore répandu aujourd’hui dans les télécommandes ou les photocellules.

Déjà l’année suivante, Nick Holonyak Jr. a inventé le premier LED rougedonc capable d’émettre lumière visible à l’œil nu. Des études sur ces diodes et des applications possibles (par exemple dans laser) s’est concentré sur les matériaux utilisés afin d’obtenir différentes couleurs ou nuances, en travaillant avec plusieurs sources à la fois.

Parmi les principaux protagonistes de ces études, l’ingénieur américain M. George Craford (ancien étudiant de Holonyak à l’Université de l’Illinois) à 1972 j’ai réussi à créer premières LED jaunes distribué commercialement par l’entreprise pour laquelle il travaillait, le Monsanto. Crafrord a consacré toute sa carrière au monde des LED : c’est aussi grâce à ses études que l’on doit la première diffusion à grande échelle de ces sources lumineuses, utilisées par exemple dans les feux tricolores et la signalisation lumineuse publique.

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Les LED sont utilisées depuis des décennies dans la signalisation routière et sont également de plus en plus répandues dans nos voitures. Crédits : Mark Boss, via Unsplash.

Le tournant final est arrivé 1994 par l’ingénieur japonais Shuji Nakamura et ses études sur LED bleue haute intensité: améliorez la Source de lumière et utilisez-la pour déclencher le phosphorescence Grâce aux substances déposées sur la diode, des ampoules LED adaptées à l’éclairage des bâtiments ont finalement été créées, réduisant souvent l’énergie nécessaire de 7 à 10 fois.

Comment fonctionne la LED

Mais comment est fabriquée une LED ? Depuis leur naissance, ces dispositifs reposent sur l’utilisation de semi-conducteursc’est-à-dire des matériaux (tels que Silicium vieuxArséniure de gallium) Que normalement pas Je suis bons conducteurs de courant mais ils peuvent encore le devenir grâce à des sources d’énergie externes comme la chaleur ou la lumière.

Ce qui fait d’un matériau un conducteur, c’est la caractéristique qu’il possède électrons « libres »“, capable de se déplacer le long du matériau en suivant un différence de potentiel (appelé plus simplement ddp). Les électrons possédés par chaque atome ont en effet des énergies différentes, d’autant plus élevées qu’ils sont éloignés du noyau : lorsque l’un d’eux possède une énergie suffisamment élevée pour atteindre le ruban conducteurdevient libre de circuler et n’est plus lié à son atome.

Dans le les métauxmême sans intervention extérieure, les électrons de bande de valence ils peuvent passer à ruban conducteur car ceux-ci sont superposables. A l’inverse, un isolant a des sauts d’énergie importants, il ne conduit donc pas l’électricité dans des conditions normales.

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Dans les semi-conducteurs, une petite quantité d’énergie suffit pour faire « sauter » les électrons de valence vers la bande d’énergie supérieure. Le chemin inverse verra l’électron perdre l’excès d’énergie, comme la lumière ou la chaleur, en fonction du saut.

Dans le cas des semi-conducteurs, le saut d’énergie Et vers le bas. L’énergie nécessaire au saut dépend du matériau utilisé, mais aussi du dopage, c’est-à-dire de l’introduction d’éléments comme le phosphore ou le bore dans la structure cristalline du matériau : cela provoque une abondance de charges négatives (n) ou positives (p) dans le matériel «drogué».

Posant deux semi-conducteurs en contact les charges négatives et positives s’accumulent à la jonction: LE électrons dans le ruban conducteur ils vont du matériau le plus riche en électrons (n) à celui chargé positivement (p) et ici ils se décomposent À bande de valencelibérer l’excès d’énergie sous forme de lumière.

Ce processus est beaucoup plus efficace que celle des ampoules à incandescence, car réduit considérablement la perte de chaleur ou de rayons infrarouges invisible à l’oeil nu : si une ampoule traditionnelle l’énergie transformée en lumière est au maximum de 5%, dans le cas des LED lal’efficacité est généralement de 15 % ou plus, toujours à partir d’une consommation déjà moindre.

Les pertes sous forme de chaleur sont cependant élevées : cela signifie que pour les LED de plus forte puissance (comme celles des phares de voiture ou de moto, qui peuvent consommer des dizaines de W), des mesures sont nécessaires pour la dissiper, généralement avec ailettes métalliques Ou Ventilateurs pour forcer le refroidissement. UN mauvaise dissipation augmenté à réduction de l’émission lumineuse c’est à valeurs par défautet constitue la principale cause de panne des ampoules les moins chères, compte tenu de la simplicité et de la robustesse des LED.

L’économie d’énergie des LED

La caractéristique de faible consommation est la caractéristique qui intéresse le plus les institutions intéressées par les économies d’énergie pour raisons environnementales mais aussi infrastructurel: c’est la raison qui a conduit l’UE à interdire les ampoules à incandescence.

Malgré un prix plus élevé mais en baisse constante, une lampe LED consomme jusqu’à 60 % de moins qu’une lampe fluorescente et jusqu’à 95% de moins que les lampes à incandescence: une économie certes importante pour nous consommateurs, mais encore plus significative pour les Communes, dont l’éclairage public peut être responsable jusqu’à 25% de la consommation d’énergie.

Dans un monde de crise énergétique et de gaspillage, les LED représentent désormais un allié précieux pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d’électricité, nous aidant à nous rapprocher des objectifs de Kyoto et à renforcer nos efforts contre le changement climatique.

 
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