De la simple ampoule aux appareils électroniques les plus complexes, le courant électrique est essentiel pour que ces équipements puissent fonctionner normalement. Afin de bien acheter vos alimentations LED et blocs d'alimentation, profitez de l'expertise de Boulevard des LEDs pour tout savoir sur le courant électrique, les transformateurs et les drivers utilisés dans l'éclairage LED.
Qu'est-ce que le courant électrique pour les LED ?
Il existe une belle analogie entre le courant électrique qui circule dans un fil conducteur et le courant d'eau qui s'écoule dans un tuyau. L'eau se déplace sous l'effet d'une différence de pression et les charges électriques se déplacent sous l'effet d'une différence de potentiel électrique, la fameuse tension électrique en volts.
Contrairement aux matériaux isolants, un conducteur possède des électrons presque libres (faiblement liés aux atomes), appelés électrons de valence. Ces derniers peuvent se déplacer lorsqu'une tension électrique est appliquée entre les deux extrémités du conducteur. Le courant électrique représente cet écoulement d'électrons ou plus exactement ce flux de charges électriques qui traversent un conducteur. L'intensité du courant électrique est mesurée en Ampère (A) et représente un débit de charge électrique (Coulomb/seconde), exactement comme le débit d'eau qui sort d'un tuyau en litre/min par exemple.
Les applications les plus courantes utilisent principalement deux types de courants électriques : le courant continu CC (DC en anglais pour Direct Current) et le courant alternatif CA (AC en anglais pour Alternating Current). Mais dans certains domaines, d'autres types de courants peuvent être utilisés, comme le courant pulsé ou le courant triphasé.
Qu'est-ce qu'un courant continu CC ?
Lorsqu'un courant électrique continu circule dans un circuit fermé, les électrons se déplacent tous dans le même sens. Par conséquent, le courant continu circule aussi dans une seule direction. Mais sachez que si le courant électrique se déplace à une vitesse proche de la lumière (environ 200 000 km/s) dans un fil de cuivre, les électrons eux ne voyagent qu'à une vitesse de quelques mètres par heure.
Les piles ou batteries sont des exemples de sources de courant continu. Son sens conventionnel part du pôle positif vers le pôle négatif. Ce type de courant alimente tous les appareils électroniques mobiles, tels que les smartphones, ordinateurs portables, appareils photo, perceuses sans fil, et bien sûr les luminaires LED portables.
Qu'est-ce que le courant alternatif pour les LED et l'éclairage ?
Les caractéristiques du courant alternatif sont un peu particulières. Son sens de propagation change périodiquement selon une certaine fréquence. En France, cette fréquence vaut 50 Hz. Par conséquent, le courant change de sens 50 fois par seconde ! Il en est de même pour les électrons qui voyagent tantôt à droite et tantôt à gauche. Leur vitesse vaut quelques dizaines de microns (millième de millimètre) par seconde. Ce mouvement d'oscillation périodique des électrons est induit par une tension sinusoïdale qui change de polarité 50 fois par seconde. C'est pour cette raison qu'il n'y a pas de polarité positive ou négative pour les équipements fonctionnant avec du courant alternatif.
La production de courant alternatif nécessite l'utilisation d'alternateurs ou de générateurs. Le courant alternatif possède de nombreuses applications domestiques et industrielles : les appareils électroménagers, ainsi que les moteurs et les outillages électriques en sont des exemples. Il est adapté aux transports à longue distance, car les pertes d'énergie sont plus faibles et la transformation des basses et hautes tensions est beaucoup plus facile, comparé au courant continu. Cependant, les LED ne peuvent pas fonctionner directement avec du courant alternatif : elles nécessitent une conversion en courant continu via un driver ou une alimentation appropriée (redressement et filtrage). Mais si vous voulez stocker de l'électricité, vous ne pourrez le faire qu'avec un courant continu.
Fonctionnement électrique des LED : diode électroluminescente et polarité
La fonction d'une LED consiste à transformer de l'énergie électrique en énergie lumineuse, d'où son nom de diode électroluminescente. Son fonctionnement repose sur l'utilisation de semiconducteurs. Ces derniers sont des composés dont la conductivité électrique se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants.
Comment fabriquer une diode électroluminescente : structure et couches de semiconducteurs
Une diode est un composant optoélectronique qui résulte de la jonction de deux couches de semiconducteurs, comme le gallium, l'arsenic, le phosphore ou un alliage de ces métaux. L'un des semiconducteurs est dopé avec des atomes qui créent un déficit d'électrons appelé « trou ». C'est la couche p (p pour positive). L'autre semiconducteur contient des dopants qui créent un excès d'électrons. C'est la couche n (n pour négative). En mettant en contact ces deux couches, on obtient une jonction pn, c'est-à-dire une diode électroluminescente.
D'où provient la lumière d'une LED : polarisation et tension continue
L'interface devient une zone de recombinaison radiative (émission de photon) si une tension continue est appliquée aux bornes de la diode pour forcer le mouvement des porteurs p (trous) et n (électrons). Pour émettre de la lumière, la diode doit être polarisée par une tension continue directe : la couche p reliée au pôle positif (+) et la couche n au pôle négatif (−). Cette polarisation directe de la diode pousse les électrons et les trous à se déplacer en sens inverse, puisqu'ils ont des charges opposées, et à se recombiner au niveau de la jonction. La recombinaison d'un électron avec un trou libère de l'énergie sous forme de photons. L'inversion de polarité empêche l'allumage de la LED et peut endommager la diode - c'est pour cela que la tension inverse d'une LED doit être respectée.
Couleur et caractéristiques des LED : des LED rouges aux LED bleues
La couleur de la lumière émise par une LED dépend des semiconducteurs utilisés. Par exemple, une LED rouge standard (660 nm) peut être fabriquée avec le semiconducteur AlGaAs (arséniure de gallium aluminium), alors qu'une LED jaune (590 nm) s'obtient avec le GaAsP (phospho-arséniure de gallium).
Pour obtenir une lumière blanche, il suffit de combiner trois LED de couleur rouge, verte et bleue qui, en s'additionnant, donnent une lumière blanche.
Une autre solution consiste à recouvrir une LED bleue avec du phosphore. Ce dernier convertit la lumière bleue en une lumière blanche par phosphorescence. Plus la couche de phosphore est épaisse, plus le jaune vire à l'orange, plus la température du blanc sera chaude. Cette technique est très courante pour les ampoules LED et les luminaires domestiques.
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Alimentations LED : courant constant vs tension constante pour vos luminaires
Les alimentations électriques des LED transforment la tension du secteur (220 V) en une tension et un courant spécifiques, nécessaires à la protection et au bon fonctionnement des luminaires LED. Les deux types de drivers LED couramment utilisés sont les alimentations LED à courant constant CC (Constant Current) et les alimentations LED à tension constante CV (Constant Voltage). Ces blocs d'alimentation intègrent un redressement pour convertir le courant alternatif en courant continu, ainsi qu'un filtrage pour assurer une tension stable.
Alimentation LED à tension constante (CV) : 12V, 24V et transformateurs
C'est l'alimentation LED la plus couramment utilisée dans l'éclairage LED. Les tensions sont généralement de 5 V, 12 V, 24 V, 36 V ou 48 V. Lorsque vous utilisez des rubans LED 36 V ou 48 V qui consomment une certaine puissance électrique, votre transformateur 220V/36V ou 220V/48V doit avoir une plus grande puissance pour répondre aux besoins de votre éclairage LED. Une puissance 20 % plus grande est recommandée pour préserver votre driver de la surchauffe. Le facteur de puissance de ces alimentations doit être > 0,9 pour assurer une conversion efficace de l'énergie.
Alimentation LED à courant constant (CC) : intensité fixe et luminosité uniforme
Présents dans les éclairages LED haut de gamme et l'éclairage industriel, les pilotes LED à courant constant CC fixent la valeur de l'intensité électrique qui traverse le luminaire LED. Cette valeur constante du courant augmente la durée de vie du luminaire LED et permet d'obtenir une luminosité uniforme. Ces drivers à courant constant sont particulièrement adaptés aux LED haute puissance et aux modules LED d'installations industrielles. Mais si le courant demeure fixe, la tension aux bornes de la LED varie sur une plage donnée. Si vous souhaitez plus de détails, consultez notre guide complet sur les alimentations LED à courant constant CC.
Rendement des blocs d'alimentation LED : puissance et efficacité énergétique
Un bloc d'alimentation LED consomme toujours plus de puissance que ce que requiert un luminaire LED. Cette différence entre la consommation électrique réelle du driver et la puissance délivrée permet de calculer le rendement énergétique de l'alimentation LED. Par exemple, si un ruban LED 36 V a besoin de 200 W pour fonctionner et que le driver en consomme 250 W, alors le rendement de cette alimentation vaut 80 %. Les 50 W perdus vont être convertis en chaleur, absorbée par la surchauffe des composants. C'est pour cela que certaines alimentations contiennent des ventilateurs de refroidissement.
Facteur de puissance des LED : cos phi et redressement pour drivers AC-to-DC
Le facteur de puissance d'une alimentation LED, appelé aussi cos φ, permet de calculer la puissance électrique effectivement convertie et dite « puissance active ». Si la puissance apparente d'une alimentation et son facteur de puissance valent respectivement 200 W et 0,92, la puissance réellement convertie et introduite dans le circuit vaut 184 W. Les alimentations conformes aux normes de qualité possèdent un facteur de puissance supérieur à 0,9. Plus il est proche de 1 (le cas idéal) et plus l'alimentation est efficace en matière de transformation d'énergie.
Les drivers AC-to-DC intègrent un pont de redressement qui convertit le courant alternatif en courant continu, suivi d'un condensateur de filtrage qui lisse la tension redressée. Cette architecture assure une tension stable et réduit le scintillement. Un bloc d'alimentation LED qui ne spécifie pas son facteur de puissance signifie que sa valeur est en dessous de 0,9 et qu'il est peu efficace.