Théorie sur les LED. Séminaire FOCAL 29 septembre 2015 Libero Zuppiroli

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1 Théorie sur les LED Séminaire FOCAL 29 septembre 2015 Libero Zuppiroli

2 Consignes Théorie sur les LEDs par M. Zuppiroli : 45 min C est quoi un LED Comment c est fait, comment ça marche Comment obtient-on de la lumière blanche La température de couleur L indice de rendu des couleurs (IRC, CRI) Courant continu ou alternatif? Fréquence des LEds, (problème de scintillement parfois à la prise de vue) Efficacité lumineuse (équivalence avec les autres types de source de lumière) Les LEDs de différentes puissances Dégagement de chaleur, comment le refroidir, (ventilation bruyante) Fabrication des LEDs en masse en usine, où? Contrôle de leur qualité Améliorations possibles

3 C est quoi une LED? C est une diode capable de redresser un courant On crée donc une barrière électrique en accolant deux semi-conducteurs de la même famille, mais dans lesquels les électrons ne voyagent pas à la même énergie (n et p) Dans le sens passant, les électrons subissent un chute d énergie convertie en lumière. La LED rouge est en arséniure de galium (Ga As), la LED bleue est en nitrure de galium (Ga N) Photo Christiane Grimm

4 Comment c est fait, comment ça marche? La diode est fabriquée couche atomique par couche atomique sur un substrat en saphir monocristallin (épitaxie par jet moléculaire) La couche active entre les deux types de semi-conducteur (n et p), là où la lumière est émise, a une épaisseur de 20 nm, c est le «multi quantum well» (MQW) La perfection de cette région est déterminante pour le bon fonctionnement de la LED. En fait on ne sait pas très bien pourquoi les diodes à nitrure de galium fonctionnent si bien. En effet leurs interfaces contiennent des défauts en concentrations variables qui, en principe devraient limiter l émission.

5 Comment c est fait, comment ça marche? C est forcément une source très ponctuelle

6 Comment obtient-on de la lumière blanche? On mélange le bleu de la LED avec des lumières d autres couleurs (par exemple du vert et du rouge). On peut le faire directement avec trois LED accolées. En général l on produit le complément nécessaire à l obtention du blanc par FLUORESCENCE.

7 Daniel Schlæpfer

8 Comment obtient-on de la lumière blanche? La lumière bleue rencontre des substances fluorescentes qui en changent la couleur. On les appelle improprement des «phosphores» En recombinant le tout, bleu de la source et lumières de fluorescence, on obtient une lumière ayant l apparence du blanc. Pour l essentiel les LED fabriquent du blanc en combinant le bleu de la source avec sa couleur complémentaire, le jaune, obtenu par fluorescence. Ce blanc peut être corrigé en ajoutant des phosphores supplémentaires Spectre typique de deux LED blanches (chaude et froide).

9 Comment obtient-on de la lumière blanche? Le phosphore de base de la LED blanche fut longtemps le grenat d yttrium dopé au cérium : (Y 1-x Gd x ) 3 (Al 1-y Ga y ) 5 O 12 :Ce Pour améliorer la qualité de la lumière on utilise aujourd hui des phosphores complémentaires à base d europium et de terbium L yttrium (Y), Le gadolinium (Gd), le cérium (Ce), l europium (Eu) et le terbium (Tb) font partie des 17 terres rares de plus en plus utilisées dans l électronique de masse, pour les batteries, dans les éoliennes etc. (Dans l alternateur d une éolienne industrielle de 100m, on utilise 500kg de néodyme, une autre terre rare).

10 L œil doit son existence à la lumière solaire qui est une lumière thermique. La courbe ci-dessous permet de transformer les watts de lumière en lumens

11 Sources thermiques et température de couleur

12 Christiane Grimm

13 Pascal Cotte, Michel Schær, Libero Zuppiroli Température de couleur Lumière du jour Blanc moyen Lampe à incandescence 6500 K 3900 K 2700 K

14 On sait aussi définir une température de couleur pour les sources non thermiques

15 Source thermique LED froide

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18 L indice de rendu des couleurs La température des couleurs ne dit rien sur la qualité de la lumière Lorsque les tubes fluorescents; appelés improprement néons, ont été développés pour le marché de masse, on a cherché à se prévenir contre le risque de subir des lumières blafardes (ou glauques). La commission internationale de l éclairage a défini un indice de rendu des couleurs.

19 Daniel Schlæpfer

20 L indice de rendu des couleurs (Color Rendering Index) se construit en comparant la source inconnue avec une source thermique de même température de couleur Les fabricants de lampe ont imposé des tests portant sur la réflectivité des couleurs pastel ci-contre en évitant les couleurs saturées

21 M. Schaer, P. Cotte, L. Zuppiroli, dans Lumières du Futur, PPUR, 2011 Température de couleur 3900 K Source thermique Indice de rendu des couleurs : 100 couleurs1100% LED Philips NR 63 Indice de rendu des couleurs : 67

22 Courant continu ou alternatif? Comme dans toute diode, les deux sont possibles, le courant alternatif étant redressé par la diode ellemême. Alimentée en alternatif, la puissance lumineuse de la LED suit instantanément la puissance électrique à la fréquence de 100 Hz Cet effet de papillotement (en anglais flicker) pourrait facilement être réduit par un bon driver (ballast) avec un bon condensateur. Malheureusement la place manque souvent (radiateur, driver, dimmer, etc). Le papillotement est particulièrement élevé pour les LED dont on peut varier l intensité (dimmable)

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28 Efficacité lumineuse (équivalence avec les autres types de sources de lumière) Mais l on observe une très grande différence entre la théorie et la pratique

29 Les LED dans les grandes surfaces de Suisse romande (novembre 2014) extrait d une communication au LED Forum 2015 à Lausanne Libero Zuppiroli co-auteur du livre Lumières du futur

30 68 lm/w

31 31

32 Comment remplacer 500 lumen par 1000 candela, c est-à-dire 330 lumen? 32

33 33

34 12,3 lm/w 4 CHF 54 lm/w 14,95 CHF Ra=80 34

35 62 lm/w Ra=80

36 Etat de l art Lampes LED (blanc chaud) destinées à remplacer les petits spots halogène de 35 watts : Rendement : de 50 à 60 lm/w Flux lumineux insuffisant Indice de rendu des couleurs : 80 36

37 Ampoule de 75 watts 81 lm/w CHF

38 38

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40 blanc chaud Lampe halogène Projecteur LED 40

41 La LED investit aussi l éclairage public

42 Philips Sodium basse pression Durée de vie h 206 lm/w!

43 Rendements énergétiques en lumens par watt Lampes jaunes au sodium basse pression : 200 lm/w Lampes blanches à halogénures métalliques : 100 lm/w Lampes LED blanches : 80 à 100 lm/w

44 Dégagement de chaleur, comment les refroidir? Quelques chiffres typiques (OSRAM, 2011) LED bleue : 53% de l énergie électrique est transformée en lumière bleue. A la traversée des phosphores seulement la moitié de la puissance lumineuse est transformée en lumière blanche 70% de l énergie électrique est transformé en chaleur dans l espace extrêmement confiné de la LED Lorsque l on allume une LED, la puce passe en une minute de la température ordinaire à celle de 120 degrés. Toute excursion notable au delà de cette température diminue les rendements et les durées de vie. On refroidit comme on peut

45 La fabrication de masse des LED Elle souffre d un problème majeur : la non-reproductibilité. Dans une même fabrication, on observe une importante dispersion des résultats. Chacune des LED est mesurée individuellement en une milliseconde en bout de chaîne de fabrication. On trie ainsi les bonnes LED, de grandes efficacité et durée de vie et on les sépare des moyennes et des mauvaises (en nombres à peu près égaux) qui en fin de compte devront aussi être vendues. L Europe et l Amérique ne produisent pratiquement pas de LED Les Multinationales de l éclairage essaient de tirer les ficelles.

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48 Améliorations possibles Fabriquer mieux (très difficile pour l instant) Alimenter mieux (meilleurs drivers et si possible courant continu). C est possible quand on dispose de volumes suffisants dans des lustres adaptés aux LED. On cherche à augmenter la durée de vie des lampes à décharge comme celles à halogénures métalliques (HMI), en éliminant les électrodes et en induisant le courant par un champ magnétique (lampes dites «plasma»). Essayer d éviter le «tout LED». Ce n est pas facile à cause des lobbies.

49 suisse énergie, Octobre 2013

50 LES INFOS / NOVEMBRE 2014 distribuées par ROMANDE ENERGIE à ses clients avec la facture d électricité «Les LED reproduisent la lumière du jour sans les UV, ce qui est bon pour votre moral et vos plantes.» 50

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