Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance

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1 RÉSUMÉ U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance par IUFM de Bretagne Saint-Brieuc loic.poullain@bretagne.iufm.fr Cet article décrit la mise en œuvre simple de diodes électroluminescentes de forte puissance lumineuse avec des couleurs variées (blanc, rouge, vert, bleu ). Elles offrent la possibilité de concevoir des travaux pratiques économiques et adaptés à la démarche d investigation en collège sur les thèmes de la synthèse additive des couleurs et de la propagation rectiligne de la lumière. 313 Enseignement expérimental Depuis quelques années, les diodes électroluminescentes (DEL) ont fait leur apparition dans l éclairage domestique. Les produits mis à disposition du public sont maintenant faciles à mettre en œuvre et leurs prix peuvent raisonnablement concurrencer les lampes halogènes basse tension actuellement largement répandues. Avec une gamme diversifiée tant par les puissances lumineuses, par l angle d émission, le champ spectral et leur prix, il est tout à fait raisonnable d envisager de renouveler nos manipulations d optique et nos travaux pratiques. Ces expérimentations concernent l équipement d un laboratoire IUFM (centre de ressources pour l enseignement des sciences et de la technologie) dédié à l école primaire (maternelle et élémentaire) et à la préparation au concours de professeur des écoles. Une adaptation est à faire pour le matériel du collège ou du lycée. 1. PRÉSENTATION DES DEL UTILISÉES Plusieurs revendeurs proposent ces produits (Conrad, Électronique diffusion, Sélectronic ). Voici les références pour Électronique diffusion, composants avec lesquels j ai réalisé mes essais (cf. tableau 1, page ci-après) Mise en œuvre d une DEL blanche 1 W J ai utilisé, dans des mallettes destinées à faire expérimenter des élèves de cycle 3, des sources de lumière modélisant le Soleil : une lampe à incandescence classique (3,5 V; Vol Mars 2010

2 314 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N TA L Tableau 1 0,2 A) au sommet d un support constitué d une plaque de base et d un tube PVC Ø 40 mm ou 32 mm. Cette lampe est pédagogiquement idéale pour représenter le Soleil (on peut aussi la coiffer d une balle de tennis de table percée pour réaliser des sources étendues de lumière et travailler sur la pénombre). Cependant, l éclairement produit par la lampe à incandescence est souvent insuffisant pour modéliser correctement les phénomènes astronomiques clasfigure 1 : Source modélisant le Soleil. siques : jour / nuit, phases de la Lune, éclipses dans des salles de classe dont l occultation n est pas parfaite. De plus, ces lampes perturbent les observations des autres groupes de la classe. L idée est donc d associer à cette lampe, une DEL fournissant un faisceau lumineux plus intense et directif. La DEL utilisée pour les élèves est un modèle lumineux à mcd (3,6 V / 20 ma). Une résistance additionnelle de 50 W est ajoutée en série avec la DEL. Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance Le Bup n 922

3 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 1.2. Modification avec la nouvelle DEL Luxeon 1W La lampe à incandescence est alimentée maintenant par une tension de 3,6 V composée de trois accumulateurs 1,2 V dans un boîtier «pile plate» et la DEL de 1 W s alimente aussi directement à partir de cette tension. L intensité du courant la traversant est inférieure à l intensité nominale donnée par le constructeur (350 ma). Un interrupteur à trois positions (on/off/on) permet de sélectionner la source lumineuse. J ai utilisé, par exemple, la DEL rouge comme lampe inactinique dans un laboratoire photographique pendant plusieurs heures et n ai pas constaté de diminution notable de l éclairement produit. J émets toutefois des réserves quant à l utilisation de ces lampes par les élèves de l école primaire (cycle 3), car l éclairement est trop intense. Je réserve donc ce dispositif lorsque les groupes présentent à la classe leurs résultats pour la phase de synthèse collective. 315 Enseignement expérimental 1.3. Mise en œuvre des DEL de couleur Les DEL utilisées sont équipées d un petit dissipateur thermique en aluminium. Elles sont collées directement à la colle époxy (deux composants) sur le tube PVC de diamètre 32 mm. L interrupteur est alors un simple interrupteur à deux positions. Figure 2 : Montage de la DEL. Les trois couleurs disponibles rouge, verte et bleue permettent de reconstituer facilement la lumière blanche (cf. annexe 1) Précaution d utilisation Utilisé de cette façon, l éclairement produit est intense (45 lumens). Il pourrait provoquer des lésions graves au niveau des yeux des élèves si le matériel est utilisé sans précautions. Vol Mars 2010

4 316 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N T A L Indication portée par le revendeur : ATTENTION Ne pas regarder en face ces leds. Risque de brûlure irréversible des yeux!! Dégagement important de chaleur : risque de brûlure de la peau!! Prévoir refroidissement. Il est donc préférable de garder cette source à la disposition de l enseignant pour lui permettre de montrer expérimentalement des phénomènes peu visibles avec une simple lampe à incandescence ou une DEL lumineuse classique (20 ma). Figure 3 : Montage définitif. Pour les élèves, il est possible de limiter le champ du faisceau lumineux en coiffant le support d un tube carton (cf. l application synthèse additive RVB). Ce système a aussi l avantage de pouvoir projeter simplement des «négatifs» réalisés par les élèves sur un support transparent pour rétroprojecteur. L articulation entre le tube carton et le support a été réalisée avec deux aiguilles de fil de fer enfilées dans le tube support de la lampe et maintenues par un bouchon en liège. Une réalisation plus soignée exigerait un système à rotule. 2. Quelques applications possibles 2.1. Synthèse additive des couleurs Avec trois lampes de couleurs rouge, verte et bleue, la synthèse additive des couleurs est facilement réalisable par les élèves en travaux pratiques. Les élèves peuvent facilement fabriquer des masques à placer sur le faisceau lumineux afin de réaliser manuellement des compositions tri chromiques de leur choix. L annexe 1 est un exemple simple à imprimer sur un transparent pour rétroprojecteur. Les trois lampes sont protégées par les tubes carton qui permettent aussi de limiter Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance Le Bup n 922

5 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E Figure 4 : Synthèse additive. Figure 5 : Disposition de masque. les faisceaux colorés et de les projeter sur un écran placé à 50 cm environ. L intersection des trois faisceaux donne le blanc si les intensités RVB sont identiques (cf. figure 4). En jouant sur les distances des lampes à l écran, on peut obtenir des teintes intermédiaires. Un masque est introduit dans une fente à l extrémité du tube carton : on projette ainsi des images colorées RVB (cf. figure 5). La superposition des trois images donne la composition souhaitée (cf. figure 6). L articulation souple des tubes carton permet de faire le réglage très facilement, Figure 6 : Projection de l image colorée. ce qui n est pas le cas lorsqu on utilise des projecteurs de diapositives. Les «ombres colorées» sont aussi d excellente qualité. 317 Enseignement expérimental 2.2. Autres pistes à investir Le théâtre d ombres Avec une DEL blanche placée à environ 50 cm d un petit objet opaque, l ombre portée recueillie sur un écran translucide est d excellente qualité (source puissante et ponctuelle). L annexe 2 présente la réalisation d un théâtre d ombres destiné à être utilisé en classe de maternelle. Avec les DEL colorées, on peut facilement produire les ombres du même objet pour trois sources différentes et obtenir ainsi la composition additive classique. Vol Mars 2010

6 318 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N T A L La boîte à lumière La DEL est placée au fond d une boîte carton de forme parallélépipédique dont les dimensions sont voisines de 10 cm. Le couvercle peut accueillir des cartes de constellations. Elles sont percées avec une aiguille et représentent des constellations de l hémisphère nord. Les points lumineux sont projetés au plafond (cf. annexe 3). CONCLUSION Ce travail expérimental n en est qu à ses débuts, mais il ouvre des perspectives intéressantes pour les collègues qui souhaiteraient revoir leurs TP d optique qui ne donnaient pas de très bons résultats à cause des faibles flux lumineux produits par des sources ponctuelles. La mise en œuvre présentée est très sommaire, car elle est destinée à un public d enseignants non spécialistes (professeurs des écoles). Les premiers essais et mesures montrent que les conditions d utilisation respectent le cahier des charges du constructeur. Il conviendra d ajouter en série aux DEL des résistances additionnelles afin de les adapter aux sources d alimentation classiques de nos laboratoires (12 V). À nos fers à souder! Professeur de physique-chimie et technologie IUFM de Bretagne École interne de l Université de Bretagne Occidentale Site de Saint-Brieuc (Côtes-d Armor) Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance Le Bup n 922

7 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E Annexe 1 Masques RVB pour synthèse additive 319 Enseignement expérimental Rouge Vert Bleu Vol Mars 2010

8 320 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N T A L Annexe 2 Comparaison avec la synthèse soustractive Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance Le Bup n 922

9 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E Annexe 3 Le théâtre d ombres et les couleurs (maternelle : moyenne section et grande section) L écran est constitué d un cadre (1,3 # 1,0 m) en carton ondulé posé sur le sol avec deux rabats permettant facilement son maintien et son rangement. Il est évidé au centre et remplacé par un papier fin collé (nappe papier ou papier pour patron couture). Sur l image, on distingue deux zones : l une d elles a été enduite d huile de table pour améliorer l effet de dépoli. 321 Enseignement expérimental Vue d ensemble à l avant. Vue de l arrière du «théâtre». Dispositif pour les fausses «ombres colorées». Vol Mars 2010

10 322 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N T A L Annexe 4 La boîte à lumière pour projection Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance Le Bup n 922