L'éclairage LED

L'éclairage LED est de plus en plus souvent utilisé dans les locaux commerciaux et d'habitation pour remplacer les formes d'éclairage plus traditionnelles.

Malgré les restrictions initiales de cette technologie, qui faisaient que les premières LED pouvaient seulement émettre une lumière rouge de faible intensité, les progrès ultérieurs ont fait apparaître des options de lumière visible suffisamment puissante qu'on les considère aujourd'hui comme une alternative viable aux lampes à filament résistif (à incandescence).

 

L'histoire des LED

Se concentrant sur le phénomène observé d'électroluminescence (à différents points au cours du XXe siècle, les chercheurs et scientifiques avaient constaté que les matériaux semiconducteurs s'éclairaient quand un courant les traversait), la première « vraie LED » a été inventée par un scientifique dont le nom a été effacé par des développements dans ce domaine qui allaient se produire plusieurs décennies après sa mort.

Autour de 1925, Oleg Losev remarque que les redresseurs en oxyde de zinc et cristaux de carbure émettent de la lumière quand le courant les traverse. Le rapport de recherche qu'il rédige alors sur l'émission des diodes en carbure de silicium présente la plupart des informations que nous connaissons aujourd'hui sur le comportement des diodes. Les travaux de Losev témoignent aussi d'une compréhension poussée de la nature non-thermique de l'émission des diodes et anticipent les développements ultérieurs de la mesure des attributs de courant et tension de la diode.

Les travaux de Losev sont malheureusement perdus dans les brouillards des bouleversements du milieu du vingtième siècle et il meurt tragiquement aux mains des Nazis pendant le siège de Leningrad.

Il a fallu attendre vingt ans pour que le reste de la communauté de chercheurs suive cette piste. Gary Pittman et James Baird travaillent chez Texas Instruments lorsqu'ils découvrent qu'un matériau semiconducteur très utilisé à l'époque – l'arsenide de gallium – émet de la lumière aux longueurs d'onde infrarouges en présence d'un courant appliqué. Sur la base de LED à jonction P-N (autorisant le flux de courant dans une direction mais pas dans l'autre), et en utilisant un contact de cathode espacé pour émettre de la lumière infrarouge, ils réussissent à poser les bases de la première LED fabriquée.

À ce stade, la nature non-visible de la lumière émise par les diodes limite leur utilisation aux applications de détection et photoélectriques. La percée concernant la lumière visible intervient en 1962, lorsque Nick Holonyak Jr, de General Electric Company, invente la première diode émettant de la lumière dans le spectre visible en utilisant du phosphure de gallium d'indium, un alliage semiconducteur.

À partir de là, des sociétés telles que Monsanto et Hewlett-Packard commencent à fabriquer des LED à une échelle industrielle, même si leur puissance lumineuse reste comparativement faible par rapport aux développements ultérieurs.

Pour les scientifiques et les techniciens s'intéressant au remplacement de l'éclairage à incandescence, il faut attendre plusieurs décennies pour voir de grandes percées dans la production de LED à lumière « blanche ». En 1996, la société japonaise Nichia démontre qu'on peut obtenir des diodes à lumière blanche en couvrant une diode bleue de phosphore blanc. Quand le courant est appliqué et que la diode émet de la lumière bleue, elle frappe la surface intérieure du phosphore et se transforme en lumière blanche. De nouvelles expériences faites en « mélangeant » la lumière RGB (ou reflétée) sont également couronnées de succès.

 

Différents types d'éclairage

Les LED sont essentiellement des semiconducteurs qui exploitent le flux de courant partiel des matériaux semiconducteurs pour produire de la lumière de couleur et d'intensité variable. Utilisées dans des applications telles que les tableaux de bord des voitures, les feux de circulation, les appareils électroménagers et les luminaires, les LED ont un meilleur rendement énergétique que les lampes traditionnelles à incandescence et un cycle de vie utile optimale plus long.

 

Éclairage LED MR16

L'éclairage LED MR 16 est un alternative aux lampes halogènes MR16 bulbs. De manière stricte, « MR » désigne un réflecteur à multiples facettes. Il s'agit d'un réflecteur comportant plusieurs facettes recueillant la lumière émanant du filament et qui la concentre dans un faisceau. Les lampes halogènes sont relativement inefficaces quand on les compare aux LED, qui n'exigent aucun réflecteur interne car elles dégagent une lumière directionnelle par défaut.

 

Spots à LED

Les spots à LED sont conçus pour remplacer les spots traditionnels déjà installés dans une pièce. Généralement présentés pour remplacer l'éclairage halogène, ce sont aussi des substituts plus efficaces pour l'éclairage à incandescence.

La plupart des spots halogènes ont une puissance d'environ 55 watts. Les LED de substitution ramènent ce chiffre à entre 4,5 et 14 watts, avec une perte d'intensité qui se remarque à peine.

 

Projecteurs à LED

Conçus pour remplacer les projecteurs halogènes ou à incandescence, ces lampes offrent une vie utile de plus de 50 000 heures. Leur puissance est généralement spécifiée entre 10 et 200, pour obtenir une luminosité équivalente aux lampes à incandescence ou halogènes de 20 à 1260 watts.

 

Plafonniers à LED

Les plafonniers à LED sont disponibles sous forme de panneaux encastrés ou dans différents styles de lampes y compris des suspensions, des spots et des cristaux. De plus en plus appréciés à cause de leur capacité à fonctionner à froid (ils produisent très peu d'énergie exothermique), les plafonniers à LED ont l'avantage supplémentaire d'offrir une luminosité maximale dès leur mise en route.

 

Lampes torches à LED

Les lampes torches à LED utilisent des LED blanches et remplacent les lampes torches traditionnelles à ampoule à incandescence. On sait qu'elles sont plus efficaces que les technologies basées sur la production de lumière par la résistance d'un filament, et les diodes des lampes-torches à LED produisent environ 100 « lumens » par watt (les lumens étant définis comme la quantité totale de lumière du spectre visible émise par un appareil) contre entre 8 et 10 lumens par watt pour une lampe torche contenant une ampoule à incandescence. Elles ont aussi d'autres avantages, comme une plus grande longévité de la pile et un bloc lumineux moins fragile.

 

Éclairage Sylvania

L'éclairage Sylvania est conçu et produit par Havells Sylvania, une société qui possède un pédigrée de plus d'un siècle dans l'industrie de l'éclairage. Elle fabrique des lampes pour extérieur et intérieur en utilisant des techniques telles que l'halogène, les LED et l'incandescence, mais Sylvania se spécialise également dans les sports, les boules LED, les tubes LED et les options d'éclairage encastré modulaire.

 

Chargeur solaire de pile

Les chargeurs solaires de pile utilisent des panneaux photovoltaïques pour maîtriser la puissance du soleil et la transformer en énergie électrique. L'énergie lumineuse, qui prend la forme des rayons du soleil, est convertie en courant direct et transmise à l'appareil connecté qui contient la pile. De nombreux chargeurs solaires sont également équipés d'une connectivité USB permettant de charger la pile interne depuis un ordinateur ou un adaptateur USB raccordé au secteur.

 

Aspects techniques de l'éclairage LED

Les lampes LED sont bâties sur notre compréhension des propriétés connues des semiconducteurs. En termes simples, une LED est un dispositif utilisant des semiconducteurs polarisés et « dopés » chimiquement pour contrôler et définir le flux d'électrons entre les deux pôles. L'énergie fournie par les électrons est convertie en lumière lorsqu'elle traverse le dispositif.

Un exemple simple devrait suffire pour expliquer les principes sous-jacents : L'éclairage à incandescence utilise toujours le même concept de base initialement défini par Thomas Edison. La résistance d'un filament accumule de l'énergie thermique qui finit par produire de la lumière visible. Au lieu d'utiliser une résistance pour obtenir une luminosité, les LED produisent de la lumière au point de jonction entre deux matériaux semiconducteurs. On peut dire que la lumière produite de cette manière est une fonction de l'application de tension sur la jonction.

Le cœur de la LED est le matériau semiconducteur – principalement du silicium – qui prend la forme d'une puce. Les semiconducteurs ont des propriétés intermédiaires entre les conducteurs (comme le métal) et les isolants (comme le caoutchouc). On peut donc les manipuler pour contrôler le flux d'électrons. La puce est placée sur une cuvette spéciale appelée cuvette réflecteur, qui est alors placée dans un cadre en plomb. On fixe deux câbles au cadre avant de placer l'ensemble dans une enveloppe en époxy. La puce semiconductrice est divisée en deux régions - la première portant une charge positive, la seconde une charge négative. Ces charges positive et négative sont appelées respectivement type n et type p ; elles donnent leur nom à la jonction n-p qui caractérise la diode.

À l'endroit où l'on applique du courant à la puce, les électrons négatifs et positifs se combinent, et on obtient une réduction du niveau d'énergie. En fonction du « dopage » du matériau semiconducteur ou de son « altération » avec de petites quantités de matériaux « étrangers » conçus pour modifier le comportement de la puce, des photons lumineux peuvent être émis, présentant différentes propriétés en présence de la substance de dopage. En dernière analyse, les propriétés de la lumière émise par une diode sont régies par les matériaux utilisés pour construire la puce, le substrat du semiconducteur (le matériau de dopage) et les qualités de la cuvette réflecteur.

 

LED à lumière blanche

La plupart des personnes qui envisagent de changer leur éclairage à incandescence ou halogène recherchent un substitut identique produisant des résultats similaires ou meilleurs que leur solution actuelle. Récemment, les LED à lumière blanche sont devenues une alternative viable aux formes traditionnelles de luminescence, alors que les efforts pour produire un éclairage plus efficace s'accélèrent.

Les LED à lumière blanche sont nées en conséquence des LED rouges, vertes et bleues qui sont arrivées sur le marché après la production de masse des premières diodes dans les années 1960. En utilisant une combinaison des trois couleurs à différentes intensités de sortie, on peut créer toutes les couleurs du spectre lumineux visible.

En termes techniques, les cellules coniques photosensibles qui font partie de la rétine régulent la perception de la lumière par l'œil comme étant « blanche ». Quand on stimule ces cellules à certains ratios, les informations qui sont envoyées au cerveau par le nerf optique décodent ces ratios comme étant des couleurs. Pour résumer, les cellules coniques de la rétine produisent des signaux de réponse. Les réponses les plus aiguës interviennent lorsque le rouge, le vert et le bleu sont mélangés à différentes longueurs d'onde ; c'est ainsi que la perception de toutes les couleurs du spectre visible est possible.

Un aspect de la technique RGB est le fait que le maintien du mélange de couleurs et de la diffusion (deux aspects importants pour que la « lumière blanche » perçue par l'œil humain reste constante) est généralement l'une des fonctions d'un circuit électronique de contrôle. C'est pour cette raison que l'on utilise plus souvent d'autres méthodes pour produire de la lumière blanche.

L'une de ces méthodes consiste à incorporer des convertisseurs de longueur d'onde au phosphore qui modifient la couleur de la lumière lorsque la luminescence de la diode frappe le phosphore.

Les diodes au phosphore souffrent de la dégradation du revêtement en phosphore pendant la vie utile de la lampe, mais offrent certains avantages de production par rapport à la technique RGB. En effet, elles sont bien plus faciles à fabriquer que les diodes exigeant une forme de contrôle électronique, et le processus d'application de phosphore peut être effectué de manière relativement simple en utilisant des techniques modernes de construction électronique.

En termes d'efficacité de puissance, les diodes enduites de phosphore peuvent obtenir des résultats satisfaisants en ce qui concerne la capacité de l'œil humain à percevoir la luminosité. La plupart des diodes construites en utilisant cette technique sont bleues, avec une couche de phosphore jaune. Si l'on applique du courant à la LED bleue d'origine et à son équivalent dopé au phosphore, la première semble jusqu'à 80 pour cent moins lumineuse à l'œil humain, à cause de la manière dont l'œil (et le cerveau) humain perçoit le jaune par rapport au bleu.

 

Fabrication et recherche

Les recherches continuent pour trouver le moyen le plus efficace de produire des LED à lumière blanche alors que leur adoption sur le marché (et l'intérêt témoigné à la faible consommation énergétique et la faible production de chaleur de l'éclairage par semi-conducteurs) continue à augmenter.

Un domaine clé se rapporte à la production de phosphore ayant un plus haut niveau d'efficacité native et ne souffrant pas du phénomène de déplacement Stokes. Ce phénomène indique que lorsqu'il existe une différence entre l'état énergétique d’une photo quittant un système et celui que le système absorbe, une différence énergétique globale se produit. À l'heure actuelle, c'est le phosphore YAG (grenat d'yttrium-aluminium) qui est le plus utilisé pour mélanger le bleu et le jaune pour obtenir du blanc, mais les expériences dans ce domaine se poursuivent. Les pertes supplémentaires dues à la réabsorption dans le boîtier de la LED sont également un problème, et on continue à investir temps et énergie pour préparer des phosphores présentant différentes propriétés et pour affiner continuellement la conception des diodes.

En termes de puissance, les sources de lumières classiques offrent généralement une moyenne de 15 à 100 lumens par watt d'énergie. À titre de comparaison, les prévisions pour l'éclairage LED blanc suggèrent qu'il pourrait atteindre plus de 300 lumens par watt – une énorme progression par rapport aux rapports watt/luminescence bien établis.