Vaste sujet, les LED sont partout, car on fait tellement de choses avec : affichage, éclairage, faisceau laser… Ce ne sont donc pas les possibilités qui manquent.

Les diodes électroluminescentes

Principe physique

Une LED (Light Emitting Diode) est une diode à jonction PN qui émet de la lumière lorsqu’elle est traversée par un courant électrique. Le phénomène repose sur la recombinaison électron-trou : lorsqu’un électron rejoint un trou dans la zone de jonction, il libère un photon dont l’énergie dépend de la largeur de la bande interdite du matériau semi-conducteur. Cette énergie détermine la longueur d’onde de la lumière, donc sa couleur.

Les premières LED ont été développées en 1962 par Nick Holonyak chez General Electric (émission rouge). Les années 70 et 80 ont vu l'apparition successive des diodes ambre, puis jaune, puis vertes. Il a fallu attendre les années 1990, et les travaux de Shuji Nakamura, pour obtenir les LED bleues à base de nitrure de gallium (GaN), qui ont permis de couvrir tout le spectre visible. Nakamura recevra le prix Nobel de physique en 2014 pour cette découverte.

Matériaux utilisés

La lumière des LED

LED monochromatiques et LED blanches

Une LED pure émet une lumière monochromatique, sa couleur dépend uniquement du semi-conducteur. Pour produire du blanc, deux approches existent :

1. Mélange RGB (rouge + vert + bleu) : on combine trois LED monochromatiques.

→ Avantage : couleur ajustable à volonté. → Inconvénients : Puissance plus faible; mauvais indice de rendu des couleurs (IRC), car le spectre est limité à trois pics étroits, laissant des “trous” entre eux.

1. Conversion par phosphore : une LED bleue excite un pigment phosphorescent qui réémet une lumière jaune, le mélange donnant du blanc.

→ C’est le principe utilisé dans les lampes d’éclairage. → L’IRC est bien meilleur, car le spectre est plus continu.

Ruban LED RGB

L’éclairage à LED

Le blanc d’un éclairage à LED est très variable. Les phosphores utilisés permettent de faire varier la température de couleur, exprimée en Kelvins (K). Elle correspond à la couleur qu’aurait un corps noir porté à la même température.

Paradoxalement, les couleurs les plus “froides” correspondent aux températures les plus élevées.

Ampoules LED démontées - Les zones jaune-orangé sont les phosphores qui recouvrent les LED

Ampoules LED à filament

Les ampoules LED à filament ont été conçues pour imiter l’apparence et la diffusion lumineuse des anciennes ampoules à incandescence. Elles contiennent plusieurs tiges transparentes (les filaments), alignées à l’intérieur du bulbe. Chaque filament renferme une série de minuscules LED montées sur un support de verre ou de saphir, recouvert d’un phosphore jaune qui convertit la lumière bleue émise en un spectre plus chaud et continu.

Leur grande particularité est la diffusion omnidirectionnelle : contrairement aux LED classiques montées sur un circuit plat, les filaments émettent la lumière dans toutes les directions, reproduisant fidèlement l’effet des ampoules à filament tungstène.

Elles conviennent parfaitement à l’éclairage décoratif et d’ambiance, tout en consommant dix fois moins qu’une ampoule classique à incandescence.

Indice de rendu des couleurs (IRC)

L’IRC évalue la fidélité avec laquelle une source lumineuse restitue les couleurs. Un bon IRC (>90) correspond à un spectre large et équilibré. Un mauvais IRC produit des écarts visibles : certaines teintes paraissent ternes ou déformées.

Autres paramètres importants

• Rendement lumineux : aujourd’hui, les meilleures LED dépassent 180 lm/W, soit plus de dix fois celui d’une ampoule à incandescence.
• Durée de vie : le flux lumineux baisse lentement dans le temps (critère L70, souvent > 50 000 h).
• Flicker : certaines alimentations bas de gamme utilisent un PWM trop lent, ce qui entraîne un scintillement perceptible.

Rétroéclairage

Le rétroéclairage à LED est utilisé dans les écrans LCD des télévisions, ordinateurs ou instruments de mesure. Les écrans OLED, eux, n’en ont pas besoin car chaque pixel est auto-émissif. Le rétroéclairage peut être uniforme (barres latérales + diffuseur) ou localisé (zones indépendantes pour améliorer le contraste).

Les LED RGB

Une LED RGB combine trois puces (rouge, verte et bleue) dans un même boîtier. En modulant l’intensité de chaque couleur, on peut générer n’importe quelle teinte.

• 1 LED RGB → voyant multifonctions (rouge = erreur, vert = OK).
• 100 LED RGB → enseigne lumineuse.
• 10 000 LED RGB → journal lumineux.
• 1 million → écran géant.

Ces matrices peuvent adopter des formes non rectangulaires, souples ou même transparentes.

Applications d’affichage

Afficheurs à segments

Les afficheurs à 7, 14 ou 16 segments utilisent des LED pour former des chiffres et lettres. On les retrouve dans les horloges, compteurs et appareils de mesure.

Matrices LED

• 8 × 8 pixels : affichage simple de texte ou d'icônes.
• Juxtaposition de matrices : pour afficher de plus grands textes (journaux lumineux ou panneaux d’information).

Pour le maker

Les LED modernes consomment peu et peuvent être commandées directement par un microcontrôleur à condition de respecter quelques règles :

Pilotage direct

• Placer une résistance série de 330 Ω à 1 kΩ.
• Ne pas dépasser le courant maximal total que peut délivrer le MCU.
• Pour plus de LED : utiliser des transistors de puissance (MOSFET N) ou des circuits de commande (ULN2803, etc.).

Le calcul de la résistance série suit la loi d'Ohm :

R = (V_alim − V_LED) / I

Exemple : Pour une LED rouge (V_LED = 2 V) alimentée sous 5 V avec I = 10 mA → R = 300 Ω.

Multiplexage

Dès qu’on veut piloter un grand nombre de LED, les sorties du MCU deviennent insuffisantes. On peut alors multiplexer l’affichage, c’est-à-dire allumer les LED les unes après les autres à grande vitesse (au moins 100 Hz pour éviter le scintillement).

Méthodes principales

• Multiplexage matriciel

Les LED sont réparties sur une grille en X et Y. On active une ligne (ou colonne) à la fois. → Utilisé pour horloges et journaux lumineux.

• Charlieplexing

Les diodes sont connectées entre plusieurs broches en alternant leur sens de conduction. → Réduit le nombre de fils, mais complexifie le pilotage. → Fréquent sur guirlandes et petits modules.

LED adressables

Pour éviter le multiplexage, on utilise des LED adressables comme les WS2812 ou APA102. Chaque LED contient son propre circuit de commande et reçoit 24 bits (8 bits par couleur). Les LED sont cablées en série, la première lit ses 24 bits, puis relaie la suite à la suivante, et ainsi de suite.

Le contrôle se fait via un simple bus série. Des bibliothèques comme FastLED ou NeoPixel facilitent la gestion depuis Arduino, Raspberry Pi ou RP2040.

LED adressables WS2812 sous forme de matrice ou de guirlande

PWM et contrôle de la luminosité

La plupart des microcontrôleurs utilisent le PWM (Pulse Width Modulation) pour régler la luminosité. Cette méthode maintient la couleur stable, contrairement à une simple réduction du courant. Une fréquence de PWM supérieure à 500 Hz évite tout scintillement visible.

LED de puissance

Les LED haute puissance (> 0,5 W) nécessitent :

• une alimentation à courant constant,
• une dissipation thermique soignée (PCB aluminium, pâte ou colle thermique).

Sans cela, la température interne monte et raccourcit leur durée de vie.

Technologies dérivées

• OLED : diode organique, utilisées dans les écrans plats les plus récents.
• Micro-LED : miniaturisation extrême pour écrans haut de gamme (dans quelques salles de cinéma).
• LED IR : télécommandes, détection, capteurs impulsionnels, éclairage pour caméra de sureillance.
• LED UV : stérilisation, polymérisation de résine.
• LED laser : émission cohérente, utilisée pour lecteurs CD/DVD, scanners de code barres, fibre optique.

Pour aller plus loin

• Modules Arduino : bibliothèques FastLED, Adafruit NeoPixel.
• Pilotage de LED WS2812 avec un Arduino Nano
• Précautions : éviter les décharges électrostatiques, les LED adressables et les LED laser sont particulièrement sensibles aux ESD.

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Conclusion

De la simple diode témoin à l’écran géant, la LED s’est imposée partout. Efficace, économique, durable et modulable, elle a révolutionné aussi bien l’électronique que l’éclairage. Et ce n’est sans doute qu’un début.