Éclairage à LED Blanche

1. Éclairage à LED Blanche I.ROUDIL Lycée A.Artaud

2. Éclairage à LED Les lampes à diodes électroluminescentes blanches sont appelées à remplacer les ampoules à incandescence Elles offrent une bonne qualité de lumière et autorisent d’importantes économies d’énergie

3. Nouvelle filière Poste de consommation auparavant peu important (face au chauffage, climatisation …), l'éclairage représente aujourd’hui un fort pourcentage de la consommation électrique au m² Fortement accéléré par l’arrivée de la norme RT 2012, le développement de nouvelles solutions d’éclairage à LED impose une nouvelle organisation de la filière Les LEDs ouvrent de nouveaux horizons et de nouvelles possibilités, mais nécessitent la réunion de compétences nouvelles pour le secteur : l’électronique, l’optique, la thermique, la compatibilité électromagnétique, …

4. Comparaison

5. Principe de fonctionnement • Le mot LED est l'acronyme de • Light Emitting Diode (Diode Électroluminescente en français) • Le symbole de la LED ressemble à celui de la diode mais on y a ajouté deux flèches sortantes pour représenter • le rayonnement lumineux émis Symbole de la LED

6. L'effet électroluminescence • Un électron de la bande de conduction peut passer dans une bande de valence. Alors,il libère une énergie au moins égale à Delta ECette énergie peut être: • - dissipée sous forme de chaleur (phonons) • - émise sous forme de lumière (photons) • C'est l'effet électroluminescence (visible ou non)

7. Ordres de grandeurs pour les meilleures LEDs La physique des semi-conducteurs nous enseigne que les électrons dans les solides cristallins se situent à des niveaux d'énergie spécifiques. Ces niveaux très proches les uns des autres, sont regroupés en "bandes d‘énergie". Un électron de la bande de valence peut passer dans la bande de conduction à condition d'acquérir une énergie supplémentaire au moins égale à Delta EC'est l'effet photoélectrique

8. Ordres de grandeurs pour les meilleures LEDs

9. Comparaison des technologies

10. LED blanches Divers principes technologiques

11. Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement des LED blanches est très différent de celui des lampes à incandescence et fluorescentesNous allons voir qu’il est fondé sur la physique des semi-conducteurs et qu’il a nécessité une cinquantaine d’années de recherches et de développements avant d’aboutir à des lampes commerciales dont le coût devrait baisser avec l’amélioration des techniques de fabrication

12. Diverses technologies L’obtention de LED blanche (LED d’émission lumineuse la plus proche de celle du soleil) peut ainsi se faire de différentes manières : - reconstitution RGB (3 semi conducteurs) - LED bleue + phosphore jaune - LED bleue + multiples phosphores - LED UV+ Phosphore RGB - méthode de Schubert (PRS-LED)

13. Méthode RGB Utilisée en premier elle ne dépend pas d’une technologie complexeCette façon de produire du blanc consiste simplement à mélanger les trois couleurs primaires Ce mode de fabrication a été très peu employé pour les LEDs blanche haute luminosité

14. Méthode RGB • Il est difficile de qualifier ce type de LED par son IRC car le spectre possède 3 pics significatifs avec beaucoup d’énergie au niveau de ces pics d’une part, et d’autre part ces pics sont très proches les uns des autres • Même si cette technologie permet d’obtenir une couleur blanche bien précise (en jouant sur les rapports de puissance des 3 couleurs), les LEDs rouges, vertes, bleues ne réagissent pas de la même manière à des gradients de température, et au vieillissement, modifiant ainsi la couleur blanche déterminée au départ

15. LED bleue + phosphore jaune C’est la méthode la plus couramment utilisée dans l’industrie pour la fabrication de LED blancheLe spectre caractéristique de ce type de LED blanches provient du fait que le phosphore jaune excité par la radiation bleue émet une couleur jaune Il y a alors mélange entre le bleu initial du semi conducteur et le jaune issu de la phosphorescence

16. LED bleue + phosphore jaune On peut parler de l’aspect bleuté qu’ont parfois pour ce type de LED qui provient de la mauvaise mise en oeuvre du phosphore jaune au dessus du semi conducteur bleu Ici encore des améliorations ont été apportées afin de résoudre en partie ce problème et d’augmenter le rendement de la LED

17. LED bleue + multi phosphores Suite à l’amélioration des semi conducteurs bleuson a vu se développer des méthodes plus complexes à l’aide phosphores différents. La connaissance des phosphores a évoluée pour les améliorer et les diversifier Cette manière plus complexe de fabrication de lumière blanche est réservée à certains types d’applications qui requièrent des spectres bien spécifiques (de couleur de température plus chaude par exemple) Ainsi, une LED bleue utilisée avec 2 phosphores rouge et vert permet d’atteindre un spectre bien spécifique, qui se rapproche de celui des LED RGB

18. LED bleue + multi phosphores Une LED bleue utilisée avec 2 phosphores rouge et vert permet d’atteindre un spectre bien spécifique qui se rapproche de celui des LED RGB

19. LED bleue + multi phosphores Le fabricant LUMILED a développé une méthode utilisant deux phosphores jaune et rouge améliorant ainsi considérablement l’indice de rendu des couleurs en atteignant un indice de plus de 94

20. LED UV + phosphore RGB Ce type de LED blanche fournit une des lumières blanches qui se rapproche le plus de la lumière émise par un corps noir (à température de couleur identique) L’IRC peut ainsi atteindre 90 voire 95

21. LED UV + phosphore RGB La mise en œuvre d’un semi conducteur émettant des radiations violettes (coût et performances) n’est encore que peu utilisée sur le marché comparé à la technologie semi conducteur bleu + phosphore jaune Cette technologie permet d’obtenir une lumière proche de la lumière naturelle

22. LED UV + phosphore RGB • La qualité du packaging de la LED doit être d’excellente qualité afin de ne pas exposer les utilisateurs à des radiations UV (même si elles sont relativement faibles) • Le boîtier de la LED doit avoir été choisi pour ne pas être sensible (ou le moins possible) au UV de la source, qui ont tendance à rendre opaque des boîtiers en résine époxy par exemple (d’où une perte d’efficacité de la LED)

23. Comparatif des spectres

24. Méthode de Schubert Pas encore utilisée de façon industrielle elle consiste à émettre des radiations bleues à l’aide d’une première source vers une seconde Cette dernière absorbe une partie de ces radiations bleues pour ré émettre du rouge Cette méthode découverte en 1999 a pour efficacité théorique 330lm/W, supérieure donc à celle des LED blanches conventionnelles (280lm/W) Néanmoins, les performances actuelles de ce type de LED atteignent 10-15lm/W. De plus, l’IRC est faible comparé aux LED à technologies plus standard En ajoutant une seconde couche d’AlInGaP on peut tout de même atteindre un IRC=60

25. Méthode de Schubert

26. Diodes bleues+phosphore Ce sont celles qui sont le plus usitées actuellement

27. Diode bleue +phosphore La méthode la plus courante pour faire du blanc est d’associer une LED bleue à un convertisseur de lumière (appelé généralement «phosphore») Cette technique a l’avantage d’utiliser une LED dont l’efficacité est plus stable en fonction de la température Par contre, la dérive chromatique va engendrer un déplacement du point de couleur vers le vert et le convertisseur perdra en efficacité avec cette variation de longueur d’onde C’est pourquoi, la gestion thermique est primordiale dans la « fabrication » du blanc avec des LED que ce soit dans le cas d’un module RVB ou dans le cas d’une LED blanche convertie

28. Schéma diode LED bleue

29. Schéma global

30. Lumière blanche avec Led bleue

31. Principe La LED bleue est recouverte d’un luminophore qui absorbe de la lumière bleue et ré émet dans le jaune L’épaisseur du luminophore est choisie de telle sorte qu’une partie seulement de la lumière bleue est absorbée En ajustant les rapports d’intensité entre bleu et jaune la lumière perçue est blanche

32. LED bleues Les LED bleues à base de nitrure de gallium ont permis d’obtenir un bon rendement quantique interne Ce dernier est défini comme le rapport du nombre de photons émis au nombre d’électrons injectés provenant du courant électrique qui alimente la jonction p-n interne, encore faut-il pouvoir extraire les photons du cœur de la LED avant qu’ils ne soient réabsorbés par le matériau lui-même Or du fait de la forte interaction entre la lumière et la matière dans les semi-conducteurs, l’indice de réfraction est élevé (2,4 pour le nitrure de gallium)

33. Puissance lumineuse en fonction de la température

34. Caractéristiques optiques Longueur d'onde du pic d'émission Spectre ou largeur spectrale à mi-intensité Diagramme de rayonnement Angle d'émission à mi-intensité Intensité lumineuse

35. Longueur d'onde du pic d'émission Cette valeur nous indique la longueur d'onde (lambda p) en nanomètre à laquelle est émise la plus importante partie du rayonnement (wave length) La valeur est donnée pour une intensité de courant (IF)

36. Spectre ou largeur spectrale à mi-intensité Le spectre d'émission d'une diode LED est relativement étroit Exemple : pour une longueur d'onde à intensité maximale égale à 520 nm, la longueur d'onde à intensité moitié sera comprise entre 505 nm et 535 nm (soit une largeur spectrale de 30 nanomètres)

37. Diagramme de rayonnement Le flux lumineux n'est pas homogène tout autour de la LED La répartition spatiale de la puissance émise dépend de la forme de la diode LED : - forme de la partie émissive (point, trait...) - avec lentille de concentration ou sans - diffusante ou non Cette répartition est définie par le diagramme de rayonnement qui représente la répartition angulaire de l'intensité relative émise

38. Le diagramme de rayonnement Il représente la répartition angulaire de l'intensité relative émise Les fabricants précisent souvent l'angle pour lequel l'intensité lumineuse a été réduite de moitié

39. Angle d'émission à mi-intensité Les fabricants précisent souvent l'angle pour lequel l'intensité lumineuse a été réduite de moitié Sur le diagramme le point rouge indique un angle de 10 degrés et le point vert un angle de 50° pour une intensité relative émise de 50%

40. Intensité lumineuse L'intensité lumineuse (mesurée en candelas) est la quantité de lumière émise dans une certaine direction à 1 mètre de distance Dans les caractéristiques optiques des LED nous l'exprimons en micro-candela (mcd)

41. Rendement lumineux Les LED blanches ont un rendement lumineux déjà élevé, mais il reste inférieur aux maxima théoriques qui, en fonction de la qualité de la lumière blanche, sont d’environ 350 à 400 lumens par watt Le rendement actuel est de l’ordre de 100 lumens par watt pour les LED blanches (50 à 80 lumens par watt pour les lampes fluo compactes et 15 lumens par watt pour les ampoules à incandescence, qui émettent surtout dans l’infrarouge)

42. L‘efficacité lumineuse L'efficacité lumineuse des LED dépend de la technologie utilisée Elle varie énormément avec la couleur émise par la LED et avec le fabricant

43. Liaison IRC efficacité lumineuse

44. Caractéristiques électriques

45. Polarisation Une LED se comporte électriquement comme une diode Pour émettre elle doit être  polarisée en direct le courant IF vaut environ (E-VF)/R Le constructeur préconise 10 à 20 mA Le courant traversant la LED détermine l'intensité lumineuse émise Remarque : certaines diodes ont des tensions de construction de l'ordre de 3 V et plus

46. Courbe courant tension La caractéristique IF(VF) montre que la tension de conduction de la diode LED (Forward voltage) est environ 1,5 Volts à 2 V

47. Tension inverse (VR) Dans certains cas, on peut avoir besoin de polariser en inverse la LED La diode est alors éteinte : elle n'émet plus d'intensité lumineuse Mais attention, la diode LED ne peut pas supporter des tensions inverses trop importantes comme une diode de redressement par exemple Les valeurs courantes sont telles que VR max = ± 3V à 5V (reverse voltage) au delà de ces valeurs il y a endommagement ou destruction du composant En cas de besoin nous plaçons une diode normale en série avec la LED

48. Courant direct en continu (IF) Le courant direct (mA) est donné en règle générale pour une température ambiante (TA) de 25°C. C'est le courant permanent que peut supporter la diode. Comme un semi-conducteur chauffe (avec aggravement si TA > 25°C), il est recommandé de réduire l'intensité du courant (forward current).

49. Puissance et température de fonctionnement La température de jonction doit rester inférieure à 125°C Mais souvent les diodes LED sont montées dans des boîtiers plastiques. Dans ce cas, la température de fonctionnement ne doit pas dépasser 100°C La puissance que peut dissiper une diode LED commune (ou utilisée en tant que témoin lumineux) est de l'ordre de 20 à 100 mW Les puissances des diodes LED destinées aux applications d'éclairage de locaux ou des lieux publics sont de l'ordre du Watt voir beaucoup plus quand il s'agit de module LED

50. Led à nanotubes