Electronique - Les Del de puissance

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Les Del de puissance
De simples indicateurs lumineux restreints en couleurs, les diodes électroluminescentes se sont métamorphosées en sources de lumière multicolores, puissantes, compactes et de grande durée de vie. Dotées de tous ces atouts, elles deviennent Del de puissance et accèdent à de vraies applications d'éclairage. Encore un peu de maturité et elles seront des rivales sérieuses de toutes les techniques classiques d'éclairage.

Hélène Trézéguet , Electronique Mensuel, le 19/03/2007 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les Del de puissance
	Mesures et calculs indispensables avant montage

Durant des années, les diodes électroluminescentes (Del en français, Led en anglais) ont joué un rôle plutôt discret dans l'industrie électronique, principalement comme voyant lumineux sur les panneaux de contrôle. Depuis l'an 2000, ce domaine a été profondément bouleversé grâce à de nombreuses avancées technologiques offrant aux Del l'accès aussi bien à une large gamme de couleurs, notamment le bleu et le blanc, qu'à des intensités lumineuses leur permettant de rivaliser avec les autres sources de lumière.

A titre indicatif, l'intensité lumineuse classique d'une diode, version XX ^e siècle, était de quelques millicandélas (mCd) ; aujourd'hui on parle de plusieurs dizaines, voire centaines, de candélas. Cette explosion de lumière a modifié les références : les Del actuelles s'évaluent couramment en lumens (lm) et même en lumens par watt (voir encadré page suivante). Riches de leur nouvelle énergie, elles se dénomment Del de puissance (Power Led) et nécessitent un courant direct de 100 mA et plus. Parmi les plus connues, des sociétés telles que Cree, Lumileds, Nichia, Osram ou Avago proposent des familles de Del blanches (respectivement Xlamp, Luxeon K2, Jupiter, Golden Dragon, ASMT) affichant des flux de 50 à 100 lumens. Elles ne sont pas les seules comme en témoigne le tableau qui suit.

Les Del de puissance prétendent à un rôle important dans des applications comme les écrans d'affichage, les feux de signalisation, l'éclairage dans les voitures, trains et avions et tout particulièrement le rétroéclairage d'écrans TV LCD. Un avenir plein de promesses pour de nombreux systèmes d'éclairage bien qu'il reste encore des points à améliorer ; non pas en termes de prouesse lumineuse mais plutôt d'évacuation de la chaleur. Comme nous le verrons dans le second article, cette chaleur à dissiper est l'inconvénient majeur des Del de puissance. En effet, contrairement aux lampes à incandescence qui éliminent cette chaleur par rayonnement, les diodes électroluminescentes ont la qualité de produire un spectre de lumière très étroit (par exemple : du vert et c'est tout). Le défaut de cette qualité est l'impossibilité, inhérente à leur fonctionnement, de rayonner cette chaleur par infrarouge. Le problème est d'autant plus crucial que les caractéristiques d'une diode se détériorent avec la température et que leurs petites tailles de puce imposent des boîtiers très élaborés.

La lumière de l'avenir
L'affichage est une des principales applications des diodes blanches depuis l'an 2000. La forte demande d'écrans couleurs pour les portables (enfin réalisables grâce à l'avènement des Del bleues) a induit un taux de croissance important pour ce type de composants. Autre application phare de l'électronique grand public : les télévisions à écran plat où les diodes vont remplacer progressivement les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL). En effet, les Del apportent aux écrans un meilleur contraste et des couleurs plus riches. Ce type d'éclairage a aussi des visées sur les projecteurs de poche ( Electronique n° 167, page 30). Côté performances et durée de vie, il en a toutes les capacités. C'est plutôt du côté des prix que le bât blesse. D'après les données de la société d'études Insight Media, la lumière d'une Del coûte encore un peu trop cher même si le prix moyen des diodes blanches a diminué de 20 % par an. Quand on prend en compte l'ensemble -puce, boîtier, système de refroidissement et circuit électrique de pilotage- le coût estimé est de dix cents/lm. Or pour une lampe UHP (Ultra high performance) de 120 W, le tarif actuel est de un cent/lm.

Mais il y a beaucoup d'autres applications où les Del de puissance se sont déjà largement imposées en quelques années. Citons d'abord le secteur de l'automobile où elles règnent au niveau des planches de bord, de l'éclairage interne à l'habitacle et des feux arrières. Pour les phares, la réglementation européenne ne les reconnaît pas encore. Cela ne saurait tarder, Audi proposant un modèle dès la fin de l'année (Lexus va faire de même aux Etats-Unis). Dans les trains, les avions, les bureaux et même les domiciles, les Del comme source de lumière devraient trouver leur place dans les années à venir, moyennant quelques efforts sur les prix et la standardisation. Elles sont présentes aussi dans notre quotidien avec les lampes torches, les flash d'appareil photo ou les lampes frontales. En extérieur, la signalisation routière, les enseignes lumineuses, les architectures et autres décorations font de plus en plus appel à leurs services. D'un fil arachnéen vertical de 400 Del montées en série, le sculpteur français, Xavier Delahodde, crée, grâce à la rémanence de l'oeil, une image virtuelle sur la rétine ; de quoi faire rêver les publicitaires !

Même s'il faut encore quelques années avant que se généralise l'usage des Del de puissance pour l'éclairage des locaux ou des zones extérieures, la tendance est là. Des entrepôts, des parkings, des tunnels et des terrains de sport les utilisent déjà. Signe avant-coureur : le projet retenu à ce jour pour la réfection complète de l'éclairage des rues de New York est entièrement à base de diodes électroluminescentes. IC Insight prévoit que ces composants (y compris les Del blanches utilisées dans l'éclairage des pièces) représenteront 6,7 milliards de dollars en 2010, soit 86 % du revenu total de ventes des Del dans le monde.

Le bleu a changé l'histoire
Comme toute diode, une Del est formée d'une jonction de deux matériaux semiconducteurs, l'un de type n, l'autre de type p. Dans les années quatre-vingt, les composants des diodes électroluminescentes étaient l'arséniure de gallium et l'aluminium (AlGaAs) pour une efficacité de 7 lm/W. En 1993, un nouveau matériau, le phosphure de gallium dopé à l'aluminium et à l'indium (AlInGaP) a permis d'atteindre, en moins de deux ans, les 20 lm/W. Jusque-là, les couleurs émises par les diodes étaient rouge, vert, orange, ambre et jaune. A la fin des années quatre-vingt-dix, l'introduction du nitrure de gallium-indium (InGaN) a permis l'avènement des Del bleues. Le pas était franchi vers les diodes blanches.

La couleur blanche n'étant pas le fruit d'une seule longueur d'onde mais d'une superposition de longueurs d'onde, les Del blanches ont un spectre beaucoup plus large que les versions aux teintes « classiques » . Trois méthodes existent pour réaliser une diode blanche. La première, dite RVB, consiste à réunir des diodes rouge, verte et bleue. Si cette solution permet une bonne efficacité lumineuse, un mélange homogène des couleurs n'est pas facile à obtenir. C'est pourquoi les systèmes de ce type sont souvent dotés d'un microcontrôleur pilotant l'intensité de chacune des couleurs, pour permettre une variation dynamique de la température (chromatique) du blanc obtenu ( Electronique n° 174 page 62).

Pour comprendre la deuxième méthode, la plus utilisée aujourd'hui, il faut se référer au diagramme de chromaticité établi par le Comité international de l'éclairage (CIE) qui montre qu'un mélange de bleu et de jaune apparaît blanc à l'oeil humain (figure). Ainsi, du phosphore jaune est ajouté à une puce réalisée pour émettre du bleu. Le résultat n'est pas un très beau blanc. Dépourvu de rouge, il est qualifié de froid et vire vers le jaune en vieillissant. De nombreux fabricants insèrent du phosphore rouge pour obtenir un blanc plus chaud.

La troisième technique, beaucoup plus onéreuse, repose sur une Del ultraviolette agrémentée de phosphore. La lumière émise est un vrai blanc. Fabriquée par quelques sociétés comme Cree, Nichia ou Lexedis, cette Del d'un beau blanc peut souffrir en vieillissant d'une certaine opacité de la résine époxy due à l'action des UV. Notons cependant que l'attrait commercial des diodes blanches est tel que plusieurs autres manières d'obtenir du blanc sont actuellement à l'étude dans les laboratoires de recherches.

Encore quelques défauts à gommer
L'avènement des Del de puissance a profondément transformé l'avenir de nombreuses applications. Ce n'est pas un hasard si tant de sociétés, anciennes et nouvelles, misent sur ces sources de lumière. Leurs qualités sont certes attrayantes : très longue durée de vie (50 000 à 100 000 h), donc peu ou pas de maintenance ; forte à très forte efficacité lumineuse ; faible consommation d'énergie ; une gamme complète de couleurs. Néanmoins, leurs partisans ont encore du travail pour pallier les quelques défauts qui freinent leur ascension. Ces défauts, corrigeables, vont du manque de standardisation, au coût encore trop élevé en passant par une gestion difficile de la chaleur. Sur ce dernier point important, des progrès sont à faire sur le transfert de l'information entre fabricants de Del de puissance et systémiers. Pour Philippe Gaydan, directeur commercial pour l'automobile chez Endrich : « Les qualités des Del de puissance sont nombreuses, mais il faut porter la plus grande attention au boîtier et au montage de ces composants pour une évacuation correcte de la chaleur. » L'article suivant tente d'apporter un petit éclairage sur leur bon emploi dans une application.

Du candéla au lumen

La sensibilité spectrale de l'oeil humain présente un pic pour la longueur d'onde 555 nm, correspondant à la couleur verte.

L'unité de flux lumineux est le lumen (lm). Il est défini comme 1/683 W de puissance optique à 555 nm. L'intensité lumineuse, évaluée en candélas, est liée au flux lumineux mais prend en compte la direction de la lumière émise : un lumen par stéradian est égal à un candéla (cd) d'intensité lumineuse. Une ampoule à incandescence classique de 60 W émet environ 1 000 lumens, avec une efficacité lumineuse de 1 000/60 soit 16,6 lm/W. Aujourd'hui, les Del de puissance affichent couramment 35 à 50 lm/W et devraient atteindre les 150 lm/W d'ici 2012.