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Les lumières LED (ou DEL, en français) nous envahissent : bien moins gourmandes en énergie, moins chauffantes et plus colorées, elles ont pas mal d’avantages. Mais comment ça marche ?

De façon ancestrale, on a toujours produit de la lumière avec du feu (torche, chandelle, bougie…) et plus généralement avec de la chaleur (lumière solaire, lampe à filament).
Ces dispositifs fonctionnent avec le principe de la loi du rayonnement de Wien (de 1896) : tout objet chauffé émet du rayonnement. Le corps humain à 37°C émet dans l’infrarouge. Une flamme à ~1000°C émet dans le rouge-orangé. Un filament de tungstène dans une lampe à incandescence traversé par un courant chauffe à 3000°C et émet de la lumière blanche.

Le principal ennuie avec une lampe à incandescence, c’est qu’au moins 95% de l’énergie injectée dans ces systèmes est convertie en chaleur et donc perdue. C’est bien normal puisque c’est la température du filament qui produit la lumière et il faut bien la chauffer avant, même si cette chaleur ne nous intéresse pas.

Avec les LED, c’est différent. Le rayonnement émis n’est plus produite par la température mais par le matériau lui-même. En fait, quand une LED est traversée par un courant, elle ne produit pas de la chaleur mais de la lumière. On passe ainsi d’un rendement lumineux de 5% pour les lampes classiques à un rendement proche des 30~50% (le reste étant : un peu de chaleur (effet Joule), de la lumière perdue au sein même de la LED).

Le fonctionnement relève de la physique quantique des semi-conducteurs. Les semi-conducteurs (comme le silicium ou le gallium) sont des matériaux à mi-chemin entre les conducteurs (métaux) et les isolants (plastiques ou verre, par exemple).
Un matériau est conducteur quand ses électrons peuvent passer dans un état où ils sont capables de se promener au sein du matériau et constituer un courant électrique. On dit que l’électron passe de la bande énergétique de valence à la bande énergétique de conduction. Dans un semi-conducteur, ces deux bandes énergétiques sont proches et dans un isolant ils sont trop éloignées. Dans un conducteur ils se chevauchent :

En pratique, l’application d’une tension suffisante (plus grande qu’une tension caractéristique du semi-conducteur et fonction de la distance entre les deux bandes) sur un semi-conducteur permet de faire passer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction.

On se retrouve donc avec la configuration suivante :

  • la bande de valence a perdu un électron. Elle a donc une place libre, appelé « un trou »
  • la bande de conduction a gagné un électron (qui peut alors conduire le courant).

Problème : cette configuration n’est pas stable et ne reste donc pas comme ça : l’électron fini par retourner dans son trou pour le boucher. Cette recombinaison « électron-trou » se produit tout le temps et des électrons montent sans cesse dans la bande de conduction et d’autres redescendent pour boucher les trous.

Dans une LED, cette recombinaison électron-trou libère un photon, autrement dit de la lumière. La lumière des LED vient de là : de la stabilisation électronique du semi-conducteur par la recombinaison des paires électron-trou.

Ce qu’il y a d’intéressant ici, c’est que selon le matériaux semi-conducteur choisi, la distance énergétique (c.à.d la différence d’énergie) entre la bande de valence et la bande de conduction est très précise et sera égale à l’énergie du photon émis lors de la recombinaison et donc de sa couleur. Il est donc possible de fabriquer des diodes émettant une seule couleur pure : du rouge, du bleu, du vert… Les diodes émettant du blanc n’existent pas : leur technologie repose soit sur la combinaison de 3 semi-conducteurs émettant du rouge, du vert, du bleu et qui apparaissent comme du blanc une fois mélangés, soit en utilisant un revêtement coloré qui va absorber une partie de la lumière de la diode pour émettre du blanc.

C’est un principe proche (mais différent) du fonctionnement d’un laser, et c’est pour ça qu’on trouve une diode dans les pointeurs laser.

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qwerty a dit :

Tiens en parlant de laser : pourquoi certains lasers de tel couleur est plus chère que d'autre couleur ?

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Sbgodin a dit :

Salutations distinguées :-)

La couleur obtenue par combinaison du rouge, du vert et du bleu n'est pas non plus du blanc. C'est notre œil qui fait le blanc. Le vrai blanc, c'est un spectre continu contenant toutes les couleurs pures.

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Le Hollandais Volant a dit :

@qwerty : simplement parce que créer un matériau dont le niveau énergétique de la recombinaison électron-trou correspondant au rouge a été très facile, mais qu'il a fallu beaucoup plus de recherche pour en faire des verts, des bleus, des jaunes.

Les bluray (rayon bleu, comme le dit son nom) sont plus chers et sont arrivés si tard après le cd (infrarouge) et le dvd (rouge) en partie à cause de ça.

Aussi, plus on monte vers les fréquences hautes, plus c'est difficile physiquement. Un laser rouge ou vert est simple à alimenter. Mais un laser bleu l'est moins. Un laser uv voire à rayon X sont encore plus compliqué à mettre au point.

On trouve des pointeurs lasers rouges et verts et même bleus pour presque rien maintenant. Les jaunes et les violets sont encore un peu chers.

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Arfy a dit :

Pour le besoin énergétique on voit assez rapidement avec une lampe led de déco "qui change de couleur" que quand la pile se vide, c'est d'abord le bleu qui disparaît, puis le vert et ensuite seul le rouge reste... souvent LONGTEMPS =)

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Le Hollandais Volant a dit :

@Arfy : très logique, d’ailleurs.
Sur la gamme des fréquences, le bleu est à plus haute fréquence que le vert, puis le rouge.
La fréquence du bleu étant plus grande que le rouge, l’énergie d’une onde bleu est également plus grande qu’une rouge. Du coup, la différence d’énergie (égale à l’énergie des photons) entre les deux bandes dans une Led bleue est plus grande que dans une Led rouge. Enfin, la tension nécessaire pour faire passer un électron d’une bande à l’autre est plus grande pour la bleue que pour le rouge.

Si une pile délivre une tension nominale, celle-ci baisse au fil du temps. Vu que la tension à avoir pour le bleu est plus grande que pour avoir du rouge, le bleu s’éteint avant le rouge.

Sur ce tableau : https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_%C3%A9lectroluminescente#Couleurs
On voit très clairement que plus la longueur d’onde de la couleur diminue (donc que la fréquence augmente), plus la tension nécessaire augmente aussi.

(btw, on voit que les semi-conducteurs utilisés contiennent des composés assez bizares : arséniure de gallium, séléniure de zinc, etc. Faites gaffe avec ces produits et à bien les faire recycler correctement : ils contiennent de l’arsenic (très toxique) et du sélénium (très toxique aussi, et son contacte avec la peau produit une sueur plus puante que les œufs pourris, pas pour rien qu’il est sous le soufre dans la table périodique :p)).

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seb a dit :

C'est plutôt marrant d'apprendre que les LED bleues consomment plus que les LED rouges et de voir les voitures électriques pleines de LED bleues.
ça m'a toujours fait halluciner de voir autant de lumières sur des voitures avec une autonomie faible mais là on se rend compte qu'ils utilisent la lumière qui réduit le plus l'autonomie de la voiture. Certes c'est minime mais quand même.

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Le Hollandais Volant a dit :

@seb : c’est très minime, comme tu dis.

Et surtout une question de sécurité. Le bleu un peu vif réveille, alors que le rouge donne plutôt envie de s’endormir. Le soir, quand le soleil est bas, le ciel est rouge et c’est l’heure de dormir. Le cerveau l’interprète comme ça.
C’est pour que ça qu’en mettant un logiciel du style Redshift ou F.lux qui vont colorier l’écran de ton ordi en teintes rouges le soir, tu dormiras mieux : ton cerveau sera pas gardé éveillé par la lumière blanche/bleue.

Si tu mets des led et des lumières uniquement rouges partout la nuit dans les voitures, ça maintient moins éveillé.

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Julien a dit :

A propos de lumière je viens justement de lire un article sur une start-up américaine qui mis au point un procédé (source) pour imprimer de la lumière... Les perspectives et les applications de cette technologie sont vraiment énormes...

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moielias a dit :
Bonjour, mais pour les led COB blanches il y a vraiment 3 "petites" led pour avoir du "blanc" ?! Ou c'est une autre technologie ?
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Le Hollandais Volant a dit :
@moielias : oui, même si aujourd’hui on a aussi des led mono-chromes (bleues) avec un revêtement qui absorbe une partie du bleu pour émettre du jaune. Le jaune et le restant du bleu produisant du blanc (en synthèse additive).

Mais une lampe blanche composée de 3 led colorées n’est pas exotique : ce principe est utilisé dans les écrans, avec les sous pixels colorés (ce ne sont pas des led, mais le principe des 3 couleurs reste le même).
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Atlas a dit :

Je bloque : Pourquoi la recombinaison électron-trou libère un photon ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Atlas : Salut,
C’est parce que quand l’électron est hors de son trou, il est dit « excité » : c’est à dire qu’il possède un surplus d’énergie.

Quand il retourne dans son niveau fondamental, au cours du processus appelé « recombinaison électron-trou », alors il libère ce surplus d’énergie. Ici, il fait cela sous la forme d’une libération de photon.

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Atlas a dit :

@Le Hollandais Volant : Bonjour ! Au risque de passer stupide, je n'arrive toujours pas à visualiser quel procédé permet à l'électron de créer un photon. De l'énergie c'est un mouvement d'électron n'est ce pas ? Comment à partir de ce mouvement l'électron crée un photon ?

Je n'ai malheureusement pas eu la chance de suivre un cursus scientifique et j'esssaye de comprendre tout cet univers qu'est la physique quantique :) Merci de votre aide par vos articles et vos réponses

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Le Hollandais Volant a dit :

@Atlas :

De l'énergie c'est un mouvement d'électron n'est ce pas ?

Non. Tu confonds énergie et électricité. Un mouvement d’électrons, c’est le courant électrique.
Le mouvement d’électrons dont il est question dans l’électricité, c’est quand les électrons sautent d’un atome à un autre, de la borne négative vers la borne positive (d’une pile par exemple). Les électrons se déplacent alors.

Ici je parle de niveaux d’énergie et d’électrons qui passent d’un niveau à un autre. Ceci n’est pas un déplacement.
C’est simplement que l’électron change d’état énergétique : il passe d’un état faiblement énergétique à un état hautement énergétique (excitation) ou l’inverse, d’un état haut à un état bas (désexcitation).

Lors de la désexcitation, l’électron libère un photon. C’est sa façon à lui de se délester d’un surplus d’énergie qu’il possède. Ensuite, le photon, parce qu’il est un photon, se déplace à la vitesse de la lumière.
Il n’y a pas de procédé particulier : une particule qui passe dans un niveau d’énergie plus bas libère un photon.

Ici, dans le cas particulier de la diode, il se trouve que les niveaux d’énergie et l’électricité sont effectivement liés : un électron excité est capable de se déplacer (et constituer un courant électrique). Ceci est possible parce que la diode contient un matériau semi-conducteur (c’est la principale et la plus intéressante propriété de ces matériaux).

Dis-moi s’il y a des choses que tu ne comprends pas.

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Atlas a dit :

@Le Hollandais Volant : C'est passionnant. Quelques interrogations subsistent : Pour rendre le semi conducteur, conducteur, il faut appliquer une tension suffisante. Une tension c'est un mouvement d'électron n'est-ce pas ? Si c'est un mouvement assez "fort" alors on peut expulser des électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un électron qui sort de la bande de valence, sort de son trou. Pour une raison que j'ignore, cette sortie de son trou fait qu'il est excité et qu'il y a un surplus d'énergie. Peut-on dire indirectement que c'est, dans ce cas précis, le mouvement donné à l'électron qui lui a permis d'être excité ? Je me souviens avoir lu que la charge de l'électron peut aussi dépendre de sa distance par rapport au noyau (à confirmer ?), serait-ce plutôt sa nouvelle "place" qui le rend excité ?

Merci !

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Le Hollandais Volant a dit :

@Atlas :

Pour rendre le semi conducteur, conducteur, il faut appliquer une tension suffisante

Oui.
On peut se faciliter la tâche en « dopant » le matériau semi-conducteur, c’est à dire qu’on intègre dans la matériau des impuretés. La tension nécessaire pour le rendre conducteur sera alors réduite. Dans le cas du silicium (semi-conducteur) on y injecte du bore (semi-conducteur de type "P") ou du phosphore (semi-conducteur de type "N"). Voir cet article (de moi) : C’est quoi un semi-conducteur ?.

Une tension c'est un mouvement d'électron n'est-ce pas ?

Non.
Le mouvement d’électrons, c’est le courant électrique.
Ce courant est caractérisé par plusieurs choses, dont principalement :
** l’intensité, qui est le débit d’électrons. Elle se mesure en ampères. Plus il y a d’électrons qui passent, plus l’intensité est grande.
** la tension, qui peut être assimilé à la vitesse, ou la force des électrons. Plus les électrons ont cette "volonté" d’aller d’une borne à l’autre, plus la tension est grande.

La tension est difficile à expliquer comme ça. Il faut le voir comme une différence de potentiel électrique entre deux points d’un circuit. La tension, c’est comme un dénivelé : plus la pente (tension) est raide (grande), plus les électrons vont vite et fortement d’un bout à l’autre du circuit.

Voir cet article pour plus de détails : http://lehollandaisvolant.net/science/elec/

Si c'est un mouvement assez "fort" alors on peut expulser des électrons de la bande de valence à la bande de conduction.

Attention, un électron dans la bande de valence n’est pas en mouvement.
Un électron dans la bande de valence est responsable des liaisons covalentes dans le semi-conducteur. Il s’agit des liaisons qui lient deux atomes entre eux (par exemple dans une molécule, ou ici, une structure cristalline).

Ce n’est qu’une fois que l’électron est excité — sous l’effet d’une tension électrique – qu’il peut cesser de maintenir les liaisons covalentes et parcourir le matériau (et donc former un courant électrique). C’est là qu’il se trouve dans la bande de conduction, car le matériau devient alors conducteur d’électricité.

Un électron qui sort de la bande de valence, sort de son trou. Pour une raison que j'ignore, cette sortie de son trou fait qu'il est excité et qu'il y a un surplus d'énergie.

C’est l’inverse : un électron au repos se trouve toujours dans la bande de valence. Quand on l’excite, il passe dans la bande de conduction. Il est alors dans un état où il possède un surplus l’énergie.

Peut-on dire indirectement que c'est, dans ce cas précis, le mouvement donné à l'électron qui lui a permis d'être excité ?

C’est l’inverse : c’est parce qu’il est excité, qu’il peut aller dans la bande de conduction et se déplacer pour former le courant électrique.

Autrement, oui, c’est l’effet d’une tension électrique suffisante qui excite l’électron et lui permet de passer dans la bande de valence.
L’énergie véhiculée dans le champ électrique (ou tension électrique : dans un matériau conducteur, le champ électrique et la tension, c’est la même chose (quasiment)) est transmis à l’électron, qui le capte.

Note que l’excitation d’un électron ne vient pas forcément d’une tension électrique.
Dans un panneau photovoltaïque, c’est la lumière qui excite les électrons du panneau, et qui produit alors un courant électrique.
Dans un matériau piézoélectrique, c’est la pression exercée sur le matériau qui excite l’électron et produit un (très faible) courant électrique.

Je me souviens avoir lu que la charge de l'électron peut aussi dépendre de sa distance par rapport au noyau (à confirmer ?), serait-ce plutôt sa nouvelle "place" qui le rend excité ?

Non, la charge électrique de l’électron est toujours la même. La charge est une constante propre à une particule, et pour l’électron elle est toujours de $1,602 \times 10^{-19}$ coulomb.

Par contre, la « position » de l’électron au sein de l’atome lui donne une certaine énergie fondamentale. Les électrons externes sont ainsi plus faciles à arracher de l’atome que les électrons internes.
Quand un atome perd un électron, il devient un ion. C’est pour ça qu’on appelle ces énergies des « énergies d’ionisation ».

Par exemple, pour l’atome de chlore, l’énergie nécessaire pour arracher le premier électron est de 1 256 kJ/mol. Pour arracher le second électron, c’est 2 295 kJ/mol. Le troisième, 3 850 kJ/mol. Pour le septième, c’est 11 000 kJ/mol. Plus l’électron est proche du noyau, plus il y est attaché et plus il faut apporter de l’énergie pour arracher cet électron.

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Atlas a dit :

@Le Hollandais Volant : C'est super, j'ai, je pense, tout compris ! Merci beaucoup pour ces explications c'est bien plus clair. Je rejoins comme beaucoup l'avis que ce blog est très très utile. Il a rejoint mes favoris "sciences", je rattraperai mon retard et probablement à très bientôt sur d'autres articles :)

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Emile a dit :

Bonjour,

Il n'y a peut être aucun rapport, mais vos connaissances étant importantes je me suis dit que vous pouviez répondre à ma question.

J'ai acheté récemment plusieurs bandes de LED, des RGB ainsi que des bleus. Voulant les connecter les uns aux autres et n'ayant pas de possibilités électriques infinies sous la main,(entendre par là, fils ou prises à disposition..), j'ai décidé de les raccorder en dérivation.

D'après mes souvenirs d'école, en dérivation l'intensité du générateur se divise entre les composants et la tension reste la même ( les lampes brillent fortement ) alors qu'en série l'intensité reste la même dans chaque composant mais la tension aux bornes de chacun se répartie ( les lampes brillent faiblement).

Ma question est donc la suivante, dois-je comme je le pensais raccorder mes différentes bandes de LED en dérivation ? En fait, je me demande si c'est la tension ou l'intensité qui importe pour une LED en fonctionnement avec une luminosité optimale. ( d'après moi se serait l'intensité, la quantité d'électrons, mais mes cours me font penser l'inverse...)

Sur mon adaptateur, il est indiqué : DC 12 ,6A max.
IL est conçu ( du moins livré avec ) une bande de LED 5050 RGB de 5m.

D'après mes essais, cet adaptateur fonctionne avec 10m. Mais il y a j'imagine une limite qui doit dépendre du nombre de led, de résistances auprès des led, de la longueur et du diamètre de mes fils de raccordement.

Je me demande donc, s'il y a une manière de savoir combien de mètre de led je peut faire fonctionner grâce à cet adaptateur. D'ailleurs, je comptais pour mes led bleues uniquement, les raccorder directement en dérivation en amont de cet adaptateur. LA tension étant de toute manière de 12V avant cet adaptateur.( ce dernier sert uniquement je pense, à contrôler via fréquences, les résistances pour obtenir des couleurs différentes.)

D'ailleurs, si je peut me permettre une autre question. A diamètre trop gros, je ne risque pas d'ajouter une trop forte résistance diminuant ainsi la luminosité des mes led ? Actuellement mon "fil" doit faire 2mm de diamètre, environ 15 petits fils de cuivre (O=1mm) sont à l'intérieur de la gaine.

Merci infiniment d'avoir déjà pris le temps de lire ce pavé.

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jojumir a dit :

@Le Hollandais Volant :
Je suis entrain de me casser la tête pour trouver une manière simple d'expliquer à des élèves de 5ème le principe de fonctionnement d'une DEL.
Au secours !!!!!

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Le Hollandais Volant a dit :

@jojumir : Pas facile sans notions de quantique, de niveau d’énergie ou d’électrons.

J’essayerais donc de dire que la tension électrique appliqué à la DEL donne de l’énergie aux atomes, et que les atomes libèrent ensuite cette énergie sous la forme d’une lumière monochromatique (d’une seule couleur). C’est juste le « E » dans « DEL », qui signifie « électroluminescence » : « de la lumière produite sous l’effet de l’électricité ».

Tu peux ensuite justifier le symbole électrique de la DEL : les deux bornes et les flèches qui en partent.

Ensuite, la couleur de la DEL dépend du matériau utilisé : https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode#Colors_and_materials
J’espère que ça suffira ^^
Après, tout n’a pas besoin d’être expliqué à ce niveau. Garde les explications détaillées pour les questions qu’ils vont te poser. Mais du moment que le principe de fonctionnement est expliqué simplement, ça leur suffira ^^.


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