Diode électroluminescente LED: Cours et exercices

Définition

Une diode électroluminescente (LED) est une diode semi-conductrice qui émet de la lumière lorsqu’elle est polarisée en direct.

Le phénomène repose sur l’électroluminescence : les électrons et les trous se recombinent dans la jonction P-N, libérant de l’énergie sous forme de photons (rayonnement lumineux).

Les LEDs convertissent directement de l’énergie électrique en lumière, avec un rendement bien supérieur aux lampes à incandescence.

Symbole et aspect

Symbole : celui d’une diode classique + deux flèches orientées vers l’extérieur (représentant la lumière).

Aspect : boîtier transparent ou diffusant, souvent en forme de dôme, avec deux pattes (anode et cathode).

Fonctionnement

Polarisation directe :

• La LED conduit si la tension appliquée dépasse son seuil Vf (typiquement entre 1,8 V et 3,6 V selon la couleur).
• Elle émet de la lumière visible (ou infrarouge/UV selon le matériau).

Polarisation inverse :

• Comme une diode classique, elle bloque le courant (sauf un très faible courant de fuite).
• Fragile en inverse :  V_{inverse max}≈5 V

Paramètres caractéristiques

• V_f : tension de seuil en polarisation directe (ex. rouge ≈ 1,8 V, bleue ≈ 3 V).
• I_f : courant direct nominal (souvent 10 à 20 mA pour les LEDs classiques).
• Puissance lumineuse (intensité lumineuse en candela, flux en lumens).
• Rendement : rapport lumière émise / énergie consommée.
• Durée de vie : typiquement > 50 000 heures.

Couleur de la lumière

La couleur dépend du matériau semi-conducteur utilisé :

• GaAs : infrarouge (~850 nm)
• GaP : rouge/vert
• GaN : bleu, blanc (via un phosphore)
• InGaN : bleu/vert
• AlGaAs : rouge vif

Les LEDs blanches sont obtenues en recouvrant une LED bleue par un phosphore jaune.

Avantages

• Faible consommation d’énergie
• Longue durée de vie
• Pas de chaleur excessive (rendement élevé)
• Pas de mercure (contrairement aux lampes fluorescentes)
• Allumage instantané

Applications

• Indicateurs lumineux (voyants sur appareils)
• Éclairage (lampes LED, phares automobiles, lampadaires)
• Afficheurs 7 segments, panneaux publicitaires
• Télécommunications (LED infrarouge dans les télécommandes)
• Signalisation (feux tricolores, panneaux routiers)

Montage pratique

Attention : une LED ne doit jamais être branchée directement sur une source !

On ajoute toujours une résistance série pour limiter le courant :

R=(V_cc−V_f)/I_f  

Où :

• V_cc : tension d’alimentation,
• V_f : tension de seuil de la LED,
• I_f : courant direct nominal.

Exercices sur la diode électroluminescente

Exercice 1 : Calcul de la résistance série

On alimente une LED rouge (V_f=2 V) avec une alimentation V_cc=9 V. On souhaite un courant I_f=15 mA

Question : Déterminer la résistance série à utiliser.

Exercice 2 : Puissance dissipée

Une LED bleue (V_f=3,2 V) est parcourue par I_f=20 mA

Quelle puissance est dissipée par la LED ?

Si son rendement est de 30 %, quelle est la puissance lumineuse émise ?

Exercice 3 : Montage avec plusieurs LEDs

On veut brancher en série 3 LEDs blanches (V_f=3,2 V, I_f=20 mA) sur une alimentation 12 V.

Trouver la résistance série.

Exercice 4 : Polarisation incorrecte

Une LED verte (V_f=2,1 V) est branchée directement sur une alimentation de 5 V sans résistance.

1. Que se passe-t-il ?
2. Quelle serait la résistance minimale pour limiter le courant à I_f=20 mA ?

Exercice 5 : Efficacité lumineuse

Une LED rouge consomme I_f=20 mA sous V_f=2 V.

Elle émet un flux lumineux de 15lm.

1. Calculer la puissance électrique consommée.
2. Calculer l’efficacité lumineuse (en lm/W).
3. Comparer avec une ampoule à incandescence qui donne 12 lm/W.

Correction des exercices sur la diode électroluminescente

Exercice 1

 R = \frac{V_{cc}-V_{f}}{I_{f}} = \frac{9-2}{0.015} = \frac{7}{0.015} = 467   \Omega 

On choisit une résistance normalisée : 470 Ω.

Exercice 2

1- Puissance est dissipée par la LED

P=V_f​×I_f​=3,2×0,02=0,064W=64mW

Puissance lumineuse :

P_lum=0,064×0,30=0,0192W≈19mW

Exercice 3

Tension totale des LEDs :

V_LED​=3×3,2=9,6V

Tension sur la résistance :

V_R​=V_cc−V_LED​=12−9,6=2,4V

Résistance :

R=I_f​/V_R​​=2,4​/0,02=120Ω

Résistance normalisée : 120 Ω.

Exercice 4

1. Sans résistance, le courant est limité uniquement par la résistance interne de la LED → il devient trop élevé → la LED brûle.
2. Résistance minimale pour limiter le courant

 R = \frac{V_{cc}-V_{f}}{I_{f}} = \frac{5-2.1}{0.02} = \frac{2.9}{0.02} = 415   \Omega 

Résistance normalisée : 150 Ω.

Exercice 5

1. P_elec =V_f×I_f =2×0,02=0,04W
2. η=Φ/P_elec=15/0,04=375 lm/W
3. La LED est plus de 30 fois plus efficace qu’une lampe à incandescence.

Voir aussi :

Partagez au maximum pour que tout le monde puisse en profiter

The post Diode électroluminescente LED: Cours et exercices first appeared on F2School.

L’article Diode électroluminescente LED: Cours et exercices est apparu en premier sur F2School.

Diode est un composant électronique non-linéaire et polarisé (ou non-symétrique). Le sens de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du circuit électronique. C’est un dipôle qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens. Ce dipôle est appelé diode de redressement lorsqu’il est utilisé pour réaliser les redresseurs qui permettent de transformer le courant alternatif en courant unidirectionnel.

Fonctionnement

La diode est un composant dit de commutation qui possède 2 régimes de fonctionnement :

• Diode à l’état : Passant.

• Diode à l’état : Bloqué.

La diode peut ainsi commuter de l’état passant à l’état bloquée.

Zone de claquage

Si la tension inverse (tension -VD) aux bornes de la diode devient trop importante, il y a un risque de destruction de la diode par échauffement de la jonction PN. Les constructeurs précisent la tension de claquage inverse ; elle correspond à la tension maximum que peut supporter une diode en polarisation inverse.

La jonction PN

Une jonction est la limite de séparation entre un semiconducteur de type N et un semiconducteur de type P.

Propriétés des diodes ZENER

Les diodes zener sont fabriquées de façon à permettre leur utilisation dans des circuits de régulation. Ces diodes ont une caractéristique directe comparable à celle de n’importe quel autre type et elles peuvent être utilisées pour la détection, par exemple. On cherche à leur donner une caractéristique inverse qui marque un coude très prononcé pour une tension déterminée. L’idéal serait que cette courbe fasse un angle droit avec la tension de zener, c’est-à-dire que la résistance inverse soit très grande jusqu’à cette tension et pratiquement nulle ensuite.

Caractéristique électriques des diodes ZENER

La caractéristique essentielle est la tension de zener, mais il existe un certain nombre de caractéristiques limites qu’il est indispensable de connaître pour utiliser ces diodes.

Table des matières du cours sur les Diodes

1. Présentation

2. Fonctionnement

3. Caractéristiques

3.1. Zone de claquage

3.2. Techniques

4. Exemples d’utilisation

4.1. Montage redresseur simple alternance

4.2. Montage redresseur double alternance

4.3. Diodes Schottky

4.4. Diodes Zener

4.5. La DEL

4.6. Caractéristiques des différentes diodes

5. la diode de roue libre

6. Exercices d’application

6.1. EXERCICE N°1

6.2. EXERCICE N°2

6.3. EXERCICE N°3

6.4. EXERCICE N°4

6.5. EXERCICE N°5

6.6. EXERCICE N°6

6.7. EXERCICE N°7

7. Test des diodes

Voir aussi :

Partagez au maximum pour que tout le monde puisse en profiter

The post Diode : Cours et exercices first appeared on F2School.

L’article Diode : Cours et exercices est apparu en premier sur F2School.