Principes de base des LED – Définition, structure et fonctionnement
Projecteurs LED
Vous trouverez ici des informations utiles et des conseils précieux sur le thème des projecteurs LED dans les véhicules.
Les LED sont en train de remplacer les lampes classiques dans les véhicules modernes. Non seulement elles offrent une grande efficacité lumineuse et plus de sécurité, mais également de nombreuses libertés de conception et un énorme potentiel d'économie d'énergie. Tous ceux qui s'intéressent à la technologie trouveront sur cette page de quoi satisfaire leur soif de connaissances concernant les bases de la technologie LED dans les véhicules. De plus, vous trouverez les points à respecter lors du réglage de projecteurs LED modernes.
Consigne de sécurité importante
Les informations techniques, les conseils et astuces pratiques compilés ci-après ont été rédigés par HELLA afin de fournir une aide professionnelle aux ateliers de réparation automobile dans le cadre de leurs activités. Toutes les informations mises à disposition sur ce site sont destinées à être exploitées uniquement par des professionnels dûment qualifiés.
SOMMAIRE
PRINCIPES DE BASE DES LED – DÉFINITION, STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT : PRINCIPES
La diode électroluminescente est également appelée diode luminescente ou, en abrégé, LED. LED est l'abréviation de « Light Emitting Diode » (diode émettant un rayonnement lumineux), car elle transforme l'énergie électrique en lumière. D'un point de vue physique, elle est une source de lumière froide et un composant semi-conducteur électronique de l'opto-électronique dont la conductibilité se situe entre celle des conducteurs (par exemple métaux, eau, graphite) et des non-conducteurs (par exemple non-métaux, verre, bois).
Structure
Il existe des diodes électroluminescentes de tailles, formes et couleurs les plus diverses, adaptées à chaque besoin. La variante classique (LED standard) présente une forme similaire à un cylindre et est fermée par une hémisphère à l'endroit où la lumière sort.
Les diodes électroluminescentes simples sont constituées des composants suivants :
- Puce LED
- Cuvette de réflecteur (avec contact avec la cathode)
- Fil d'or (contact avec l'anode)
- Lentille en plastique (unit et fixe les composants)
Peu encombrante et résistante : la diode à hautes performances
Les diodes haute puissance disposent d'un grand flan métallique qui assure une meilleure régulation thermique. Comme la chaleur est plus facilement évacuée, il est possible de faire passer plus de courant par la diode, l'émission lumineuse se fait sur une plus grande surface et la puissance lumineuse est plus importante. Comparée à une simple LED de 5 mm, la résistance thermique est 10 fois plus réduite. En pratique, cela signifie qu'une diode haute puissance par exemple la Luxeon Rebel a une surface d'émission d'environ 1 mm et un rendement d'environ 40 à 100 lumens. Comparé à cela, la puissance d'une LED standard de 5 mm semble très faible. Avec une taille de 0,25 mm et une puissance de moins de 0,1 W et 20-30 mA, elle n'atteint qu'un rendement de 1-2- lumens.
La forme des LED, petite et plate, offre un grande liberté de création pour la réalisation de designs de produit novateurs : par exemple les modules d'éclairage diurne « LEDayFlex » pour véhicules légers, poids lourds et caravanes.
Conceptions
Il existe différents types et formes de diodes électroluminescentes. Selon le domaine d'utilisation, elles se distinguent de par leur structure, leur puissance et leur durée de vie. Parmi les principales LED, on trouve :
Diodes électroluminescentes à broches
Le précurseur de toutes les LED est la diode électroluminescente, qui était utilisée prioritairement à des fins de contrôle. En combinaison avec plusieurs LED, on les utilise aujourd'hui également en tant que spots LED, tubes fluorescents ou modules ou tubes à LED. Elles sont disponibles en 3, 5 ou 10 mm. On reconnait la cathode, le pôle négatif d'une LED à broches, au fait qu'elle est plus courte que l'anode (pôle positif) et que le revêtement plastique est aplati. L'angle de sortie de la lumière est défini par la forme de la lentille du boîtier.
SuperFlux
Les LED SuperFlux, qui possèdent jusqu'à quatre puces (cristaux semi-conducteurs), sont plus puissantes que les LED à broches simples. Les modèles « Piranha » et « Spider » font partie de ceux couramment utilisés. Elles se caractérisent par un important angle de rayonnement et sont notamment utilisées dans le domaine de l'éclairage de surface, étant donné que l'émission de la lumière est surfacique. Quatre contacts pouvant être commandés séparément assurent une bonne dissipation de la chaleur. La structure de la « High Flux » garantit une durée de vie élevée et fait d'elle une source lumineuse efficace pouvant être utilisée de façon universelle.
SMD
SMD est l'abréviation de « Surface Mounted Device » et signifie que cette diode est utilisée dans le domaine du montage en surface. Les LED SMD sont généralement composées de trois à quatre puces et possèdent des contacts à braser qui sont brasés sur le circuit imprimé ou la surface de connexion en question. Elles sont relativement insensibles aux fluctuations de la densité du courant et peuvent donc toujours assurer un éclairage intense. Les modèles de LED SMD sont très divers. Il existe de multiples possibilités de taille, de forme du boîtier et d'intensité du flux lumineux. En combinaison avec d'autres diodes SMD, on les utilise dans les tubes fluorescents ou les modules à LED. Dans l'industrie automobile, elles sont prioritairement utilisées pour les feux clignotants, stop ou les feux diurnes.
High Power
Les LED High-Power sont des diodes électroluminescentes puissantes et résistantes qui, dans des conditions de fonctionnement optimales, peuvent fonctionner avec des courants de 1 000 mA. Elles sont la plupart du temps utilisées sur des circuits imprimés métalliques. Leur forme hors-norme nécessite des exigences de gestion thermique accrues.
COB
La LED « Chip On Board » (COB) est la diode électroluminescente la plus évoluée. Elle porte ce nom car elle est fixée directement sur la carte. Ceci s'effectue par « regroupement », les puces étant fixées sur le circuit imprimé dorée de façon entièrement automatique. Le contact avec le pôle opposé a lieu via un fil en or ou en aluminium. Comme les LED COB n'utilisent ni réflecteur, ni optique lenticulaire, l'angle de rayonnement de la lumière émise est très important. Les principaux avantages de la technologie COB se situent dans sa forte puissance d'éclairage, son éclairage homogène et ses nombreux domaines d'application possibles.
Mais de quoi se compose une LED ?
Une LED se compose essentiellement de plusieurs couches de connexions semi-conducteurs. Les semi-conducteurs, comme par exemple le silicium, sont des matériaux qui, par leur conductibilité électrique, se situent entre les conducteurs - comme par exemple les métaux argent et cuivre - et les non-conducteurs (isolants) - comme par exemple le Téflon et le verre de quartz. La conductivité des semi-conducteurs peut être fortement influencée par un montage ciblé de corps étrangers électriquement actifs (dopage). Les différentes couches semi-conductrices forment ensemble la puce de LED. La manière dont sont assemblées ces couches (différents semi-conducteurs) détermine grandement l'efficacité lumineuse des LED et la couleur de la lumière.
Lorsqu'un courant parcourt la LED dans le sens de flux (de l'anode + à la cathode -), une lumière est produite (émise).
Des atomes étrangers sont ajoutés à la couche n-dopée de manière à créer un surplus d'électrons. Seul un petit nombre de ces porteurs de charge sont présents dans la couche p-dopée. Cela produit ce qu'il est convenu d'appeler des trous d'électron. Lorsqu'une tension électrique (+) est appliquée à la couche p-dopée et à la couche n-dopée (-), les porteurs de charge se dirigent les uns vers les autres. Au passage pn, cela aboutit à une recombinaison (réunification de particules de charge opposée pour former une entité neutre). Lors de ce processus, l'énergie est libérée sous forme de lumière.
Propriétés électriques – Pourquoi un courant trop important est préjudiciable
Lorsqu'une tension est appliquée à une diode électroluminescente, sa résistance descend à zéro. Les diodes électroluminescentes sont des composants extrêmement sensibles chez lesquels le moindre dépassement du niveau d'intensité de courant autorisé entraîne leur destruction. Il est donc impératif de veiller à ce que les diodes électroluminescentes ne soient jamais directement appliquées contre une source de tension. C'est seulement lorsqu'un limiteur de courant ou une résistance série est monté(e) dans le circuit électrique qu'elles peuvent être raccordées. Sur les LED à hautes performances, la commande s'effectue via une électronique de ballast qui fournit un courant constant.
Le graphique ci-contre montre le circuit électrique qui est nécessaire pour une puissance de fonctionnement optimale des LED. Dans le cas présent, une résistance série sert de limiteur, lequel contrôle le courant à l'état passant IF qui parcourt la diode électroluminescente. Pour sélectionner la résistance en conséquence, il faut au préalable déterminer la tension à l'état passant UF.
Pour calculer la résistance série RV, on a besoin de la tension totale, de la tension à l'état passant et du courant à l'état passant.
Circuit électrique
Formule résistance série RV
Commande des LED
Comme les LED n'ont besoin que de peu de courant, elles donnent de la lumière dès l'instant où elles reçoivent seulement une fraction (quelques mA) du courant à l'état passant autorisé. Cela suffit généralement à produire la lumière nécessaire. Comme déjà indiqué, il existe différentes possibilités d'utiliser les LED, selon l'application envisagée.
Possibilités de commande des LED
L'avenir avec les LED, ce sont des conditions d'éclairage optimales à bord du véhicule
En raison de leurs coûts d'achat élevés, les LED ne sont certes jusqu'à maintenant utilisées que dans le segment haut de gamme de l'industrie automobile, mais à long terme, elles s'imposeront partout. Car outre les aspects économiques, il existe surtout des raisons techniques à passer à un montage en série des LED.
Les diodes électroluminescentes séduisent par leur fonctionnalité, leur performance technique et leurs excellents résultats d'éclairage. Elles permettent de ménager les ressources énergétiques et assurent une sécurité plus élevée dans le trafic routier. Leur couleur proche de la lumière du jour permet en outre une perception subjective agréable et améliorée de l'éclairage.
Le marché des LED pour les feux et projecteurs va se développer durablement dans deux directions : d'un côté, le segment haut de gamme, qui exige une fonctionnalité élevée et une excellente puissance d'éclairage, va gagner en importance. Et de l'autre côté, le secteur motivé par des critères économiques et écologiques, qui exige des solutions rentables en plus d'une faible consommation d'énergie, sera stimulé. Sophistiquées, fonctionnelles, économiques : les LED offrent de multiples possibilités.
Les optiques de LED dans l'automobile
Il existe différentes méthodes permettant d'orienter la lumière dans une certaine direction. Les principaux procédés d'orientation de la lumière dans l'éclairage automobile sont la réflexion, la réfraction et le système hybride (combinaison de la réflexion et de la réfraction).
Exemples de techniques d'orientation de la lumière
Des modules d'éclairage combinés génèrent la lumière
Comme les LED n'ont besoin que de peu de courant, elles donnent de la lumière dès l'instant où elles reçoivent seulement une fraction (quelques mA) du courant à l'état passant autorisé. Cela suffit généralement à produire la lumière nécessaire. Comme déjà indiqué, il existe différentes possibilités d'utiliser les LED, selon l'application envisagée. Trois de ces possibilités sont présentées ci-contre.
GESTION THERMIQUE: PRINCIPES
La gestion thermique joue un rôle majeur dans le cadre de l'utilisation de diodes électroluminescentes dans la mesure où ces composants réagissent de manière très sensible à la chaleur.
Les diodes électroluminescentes sont des sources de lumière froide, car elles éclairent, mais n'émettent pratiquement pas de rayons UV ou IR. La lumière émise semble froide et ne chauffe pas les objets éclairés. La LED chauffe cependant, grâce au processus de création de la lumière. Jusqu'à 85 % de l'énergie sont transformés en chaleur. Plus la température est basse, plus la LED éclaire longtemps et plus elle est lumineuse. Il est donc impératif de veiller à un refroidissement correspondant. En plus de la chaleur produite par les projecteurs et feux eux-mêmes, il faut également considérer d'autres sources de chaleur telles que la chaleur du moteur, le rayonnement solaire, etc. C'est la raison pour laquelle l'on utilise aujourd'hui, en fonction de la LED et son utilisation, différentes techniques pour améliorer le transfert ou la dissipation de chaleur.
Exemples
a) dissipateur thermique à ailettes
b) dissipateur thermique à broches
c) dissipateur thermique avec « échangeur à tube »
Généralement, il est également possible de réguler le courant des LED. Dans des conditions extrêmes, la puissance des LED peut être réduite jusqu'à une certaine mesure afin de diminuer la production de chaleur. Pour augmenter encore davantage le refroidissement, la circulation d'air est accrue grâce à des ventilateurs axiaux ou radiaux entre les éléments de refroidissement.
Dissipateur thermique à ailettes
Ventilateur axial de l'Audi A8
LES AVANTAGES DES LED: COMPARAISON
Les diodes électroluminescentes ont de quoi convaincre à bien des points de vue. À l'achat, elles sont certes plus chères que des lampes à incandescence ou halogènes normales, mais l'investissement devient très rapidement rentable. L'industrie automobile a su tirer profit des propriétés positives des LED, qu'elle introduit de plus en plus souvent dans les nouveaux véhicules au regard des avantages - mentionnés ci-après - qu'elles offrent :
| Source lumineuse | Flux lumineux [lm] | Efficacité [lm/W] | Température de couleur [K] | Luminance [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| Lampe à incandescence classique W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2 700 | ~ 5 |
| Lampe halogène H7 | ~ 1 100 | ~ 25 | ~ 3 200 | ~ 30 |
| Lampe à décharge électrique D2S | ~ 3 200 | ~ 90 | ~ 4 000 | ~ 90 |
| LED 2,5 W | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6 500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Principaux avantages
- Faible consommation d'énergie
- Longue durée de vie
- Résistantes aux chocs et aux vibrations
- Dégagement de chaleur réduit
- Pas de coûts de maintenance ou de nettoyage
- Sans mercure
- Bonne limitation de l'éblouissement
- Commutables et modulables sans inertie
- Restitution de lumière de haute qualité
- Multiples formes (utilisables presque partout)
- Agencement personnalisé de la source lumineuse
- La température de lumière subsiste en cas de diminution de l'intensité de l'éclairage
- Couleur de lumière réglable
- Faibles coûts de production
- Quantité de lumière/puce accrue
- Extrêmement peu de défaillances prématurées
- Très peu encombrantes
- Pas de rayonnement UV ou IR
- Faible puissance absorbée
- Lumière orientée – émetteur de Lambert avec angle de rayonnement de 120°
- Saturation de couleur élevée
Optimiser la consommation d'énergie et les potentiels d'économie grâce aux LED
La protection de l'environnement et l'augmentation des prix du carburant sont les deux arguments les plus forts qui expliquent pourquoi le sujet des économies d'énergie est plus que jamais d'actualité. Aujourd'hui, le principal critère entrant en ligne de compte lors de l'achat d'un nouveau véhicule est clairement la consommation de carburant. Mais trop souvent, le potentiel d'économie relatif au besoin en énergie du système d'éclairage du véhicule est négligé.
Le graphique ci-dessus représente le besoin d'énergie (base 100%) d'un véhicule équipé d'une combinaison de lampes à incandescence (feux arrière) et de lampes halogènes (projecteurs). On voit facilement qui est le plus gros consommateur de courant. 60 % des dépenses d'énergie sont dédiées aux seuls feux de croisement.
Rien qu'en utilisant une combinaison de feux au xénon et de LED, on peut réduire de 39 % le besoin en énergie.
Si l'on table uniquement sur un éclairage à LED, la consommation d'énergie s'en trouve réduite de 60%.
Économies de carburant réalisées avec la combinaison de différentes sources lumineuses
| Configuration du véhicule (projecteur/feu arrière) | Consommation de carburant [l/100 km] | Émissions de CO2 [kg/100 km] | Réduction |
|---|---|---|---|
| Halogène/conventionnel | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xénon/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| LED/LED (potentiel pour 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Consommation de carburant et émissions de CO2 pour une durée de fonctionnement moyenne de l'éclairage
| Système d'éclairage diurne | Consommation de carburant [l/100 km] | Émissions de CO2 [kg/100 km] | Réduction |
|---|---|---|---|
| Projecteur halogène | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (fonction éclairage diurne séparée) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Consommation de carburant supplémentaire et émissions de CO2 pour éclairage diurne
| Comparaison des sources lumineuses | Consommation de carburant |
|---|---|
| Configuration halogène/lampe à incandescence | 0,10 – 0,25 l /100 km |
| Configuration xénon/LED | 0,05 – 0,15 l /100 km |
| Configuration 100% LED (potentiel 2015) | 0,03 – 0,09 l /100 km |
Consommation de carburant selon la configuration de l'éclairage (véhicule d'origine)
Réduction de la distance de freinage : la voie à suivre est celle des LED
Le nombre de véhicules immatriculés croît dans le monde entier. Et l'augmentation de la densité du trafic aboutit de plus en plus fréquemment à des collisions par l'arrière. Pour éviter ces accidents, il est très important que les signaux lumineux provenant du conducteur soient perçus rapidement. S'il faut jusqu'à 0,2 seconde à une lampe à incandescence normale pour s'allumer, une LED réagit directement. Elle n'a besoin d'aucune phase d'échauffement et s'allume dès l'instant où la pédale de frein a été actionnée. Le véhicule situé derrière peut ainsi réagir plus rapidement au freinage du véhicule situé devant.
Exemple
Deux voitures se suivent à une vitesse de 100 km/h (distance de sécurité de 50 m). Le véhicule de devant freine, grâce aux LED qui s'allument quasi instantanément, le conducteur du deuxième véhicule peut réagir au même moment et freiner également. De cette façon, la distance de freinage diminue de pratiquement 5 m ce qui signifie une énorme augmentation de la sécurité.
RÉGLAGE DE L'ÉCLAIRAGE DES PROJECTEURS À LED SUIVANT L'EXEMPLE DE L'AUDI A8: INSTRUCTION
Tous les projecteurs à LED peuvent généralement être ajustés à l'aide d'un appareil de réglage des projecteurs normal. Lors du contrôle et du réglage de la répartition lumineuse, les projecteurs à LED dotés d'une seule lentille optique (éclairage code) sont traités de la même façon que tous les autres projecteurs dotés d'une seule source lumineuse. Sur certains projecteurs présentant plusieurs sources lumineuses, il faut tenir compte d'une spécificité. En raison de la forme de certains projecteurs, la lentille convergente de l'appareil de réglage est tout simplement trop petite pour collecter la lumière sortante (éclairage code) de toutes les LED. Dans ces cas-là, il est important de savoir quelle LED est responsable de quelle technologie d'éclairage.
Projecteur Audi A8 - Feux de croisement
Lors de la préparation du véhicule, il faut impérativement tenir compte des données du constructeur ! Ceci est expliqué avec les feux de croisement de l'Audi A8. Comme indiqué au préalable, trois LED disposées verticalement génèrent à la fois une part symétrique et une part asymétrique de l'éclairage code.
Réglage de la répartition lumineuse
L'appareil de réglage doit donc être aligné sur ces lentilles. Si l'appareil de réglage des projecteurs est orienté conformément aux spécifications, la répartition lumineuse peut être réglée comme d'habitude.
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