Exemples de questions portant sur les diodes électroluminescentes (DEL)
Une diode électroluminescente (DEL) est un composant semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique la traverse. Le phénomène à l'origine des DEL est l'électroluminescence : un matériau semi-conducteur émet de la lumière lorsqu'il est excité par un courant électrique. Les DEL sont devenues très populaires dans de nombreuses applications grâce à leur rendement élevé et à leur longue durée de vie, comparées aux sources lumineuses traditionnelles comme les ampoules à incandescence.
Dans cet article, nous aborderons quelques exemples de problèmes liés aux LED et expliquerons en détail leurs solutions et leurs causes afin de mieux comprendre le concept sous-jacent à ce phénomène.
Exemple de question 1 : Propriétés fondamentales des LED
Question : Une LED peut émettre de la lumière d’une longueur d’onde de 650 nm (nanomètres). Calculez l’énergie des photons émis par cette LED en électronvolts (eV).
Discussion:
L'énergie du photon peut être calculée à l'aide de l'équation de Planck :
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Où:
– \( E \) est l'énergie du photon,
– \( h \) est la constante de Planck (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) est la vitesse de la lumière (\(3 \times 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) est la longueur d'onde de la lumière (650 nm ou \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).
En substituant ces valeurs dans l'équation, on obtient :
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 × 10⁻¹⁹ J
\]
Ensuite, nous convertissons les joules en électronvolts en utilisant la conversion \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 eV
\]
L'énergie des photons émis par une LED d'une longueur d'onde de 650 nm est donc d'environ 1.90 eV.
Exemple 2 : Tension directe de la LED
Question : Une LED rouge a une tension directe de 2 V et nécessite un courant de 20 mA pour fonctionner correctement. Calculez la puissance consommée par la LED.
Discussion:
Pour calculer la puissance absorbée par la LED, nous utilisons l'équation de base de la puissance, à savoir :
\[ P = V \times I \]
Où:
– \( P \) est la puissance en watts (W),
– \( V \) est la tension en volts (V),
– \( I \) est le courant en ampères (A).
Remplacez ces valeurs dans l'équation :
\[
P = 2 \text{ V} \times 20 \text{ mA}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Ainsi, la puissance absorbée par une LED rouge fonctionnant sous une tension directe de 2 V et un courant de 20 mA est de 0.04 Watts.
Exemple 3 : Efficacité des LED
Question : Une LED bleue a un rendement quantique de 30 %. Si la LED consomme 0.1 W de puissance électrique, quelle quantité de puissance est émise sous forme de lumière ?
Discussion:
L'efficacité quantique (η) est le rapport entre la puissance libérée sous forme de lumière (P_lumineuse) et la puissance électrique d'entrée (P_entrée) :
\[ η = \frac{P_{\text{lumineux}}}{P_{\text{entrée}}} \]
Pour trouver \( P_{\text{lumineux}} \), utilisez l'équation suivante avec une valeur d'efficacité de 30 % ou 0.30 :
\[
0.30 = \frac{P_{\text{lumineux}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Ainsi:
\[
P_{\text{lumineux}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
La puissance dégagée par la LED sous forme de lumière est donc de 0.03 Watt.
Exemple de problème 4 : Circuit de LED en série
Question : Vous disposez de trois LED de 2 V chacune, à connecter en série. Si la source de tension est de 9 V, déterminez la valeur de la résistance nécessaire pour limiter le courant à 20 mA.
Discussion:
Lorsque des LED sont connectées en série, la tension totale requise est la somme des tensions directes de chaque LED :
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
La tension résiduelle qui doit être dissipée par la résistance est :
\[
V_{R} = V_{source} – V_{total}
= 9V – 6V
= 3 V
\]
Pour un courant souhaité de 20 mA, la valeur de la résistance est calculée à l'aide de la loi d'Ohm :
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
La valeur de résistance requise est donc de 150 ohms.
Exemple 5 : Circuit limiteur de courant pour LED en parallèle
Question : Dans un circuit, deux LED sont montées en parallèle, chacune ayant une tension directe de 2 V et un courant de 20 mA. Quel est le courant total fourni par une source de tension de 5 V si une résistance est utilisée pour chaque LED ?
Discussion:
Pour des LED montées en parallèle, chaque LED subira la même tension, à savoir sa tension directe respective, et puisqu'elles nécessitent un courant de 20 mA par LED, le courant total est :
\[
I_{total} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 mA
\]
Pour calculer la valeur de la résistance pour chaque LED :
\[
V_{R} = V_{source} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V
\]
La valeur de la résistance permettant de limiter le courant dans chaque LED est :
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Chaque LED nécessite donc une résistance de 150 ohms. Le courant total requis, fourni par une alimentation de 5 V, est de 40 mA.
conclusion
Les LED sont des composants essentiels de l'électronique moderne grâce à leur capacité à fournir un éclairage très efficace et une longue durée de vie. La compréhension des concepts fondamentaux tels que la tension directe, le courant, la puissance, le rendement quantique et leur agencement dans un circuit constitue une base solide pour les applications pratiques. Les exemples ci-dessus représentent une première étape vers la maîtrise des différentes applications et calculs liés à l'utilisation des LED dans les circuits électroniques.
