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 :

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