Pourquoi une LED consomme-t-elle si peu d'électricité ?
– Elle fabrique la lumière « directement », sans passer par la chaleur
Quand on remplace une vieille ampoule à incandescence par une ampoule LED, l'éclairage est à peu près le même, mais la puissance indiquée peut être environ sept fois plus faible. Et même après un long moment d'allumage, la LED ne chauffe pas autant que l'ampoule à incandescence. Le secret de cette économie, c'est que la façon même de fabriquer la lumière est radicalement différente.
Vous est-il déjà arrivé de toucher par inadvertance une ampoule à incandescence allumée depuis un moment, au risque de vous brûler ? Une ampoule à incandescence reste très chaude pendant tout le temps où elle est allumée.
Une ampoule LED de même luminosité, elle, ne devient pas aussi chaude, même après de longues heures. Et pourtant, sa puissance affichée (en watts) est bien plus petite.
Pour produire la même « luminosité », pourquoi faut-il une quantité d'électricité si différente ?
Elle chauffe un filament à haute température et utilise la lumière émise par cette chaleur. Seule une toute petite partie de l'électricité utilisée devient de la lumière.
Dans un semi-conducteur, l'énergie des électrons est convertie en lumière presque sans passer par la chaleur.
Cette façon totalement différente de produire la lumière explique l'écart de consommation. Voyons cela pas à pas.
L'ampoule à incandescence brille grâce à la « chaleur »
Dans une ampoule à incandescence se trouve un fin filament en métal, le tungstène. Quand le courant passe, la résistance électrique du filament le porte à plus de 2000 °C.
Tout objet émet de la lumière lorsqu'il est chauffé à haute température. C'est le même principe que le fer qui rougit au feu. L'ampoule à incandescence exploite ce phénomène de « corps chaud qui brille » (rayonnement thermique).
Mais la lumière émise par un objet chauffé contient non seulement de la lumière visible, mais aussi une grande quantité de rayons infrarouges, invisibles à l'œil (la lumière que l'on ressent comme de la chaleur). On estime que la plus grande part de l'électricité utilisée par une ampoule à incandescence est perdue sous forme d'infrarouges invisibles. Si l'ampoule est brûlante au toucher, c'est parce qu'elle émet énormément de ces infrarouges et de chaleur.
La LED transforme directement l'énergie des électrons en lumière
La LED (diode électroluminescente) brille selon un principe complètement différent. Son cœur est fait d'un matériau spécial appelé semi-conducteur. Quand le courant passe, dans le semi-conducteur, des électrons tombent dans des emplacements précis (les « trous », des places laissées vides par des électrons).
Quand un électron y tombe, il libère directement sous forme de lumière une partie de l'énergie qu'il portait. On appelle ce phénomène électroluminescence. Sans passer par la chaleur, l'énergie électrique est convertie en énergie lumineuse, pour ainsi dire « en une seule étape » : c'est la grande différence avec l'ampoule à incandescence.
De plus, la couleur (la longueur d'onde) de cette lumière est déjà à peu près fixée par le matériau semi-conducteur choisi. Le fait de pouvoir produire exactement la couleur voulue contribuerait aussi à l'efficacité de la LED.
La LED reçoit l'énergie des électrons directement sous forme de lumière.
Pourquoi cette différence se traduit-elle par une faible consommation ?
Dans une ampoule à incandescence, la part de l'énergie électrique qui devient lumière est minime, et la majeure partie est perdue sous forme de chaleur. Pour obtenir la même luminosité, il faut donc faire passer beaucoup plus d'électricité en continu.
Dans une LED, une grande part de l'énergie électrique est convertie directement en lumière, presque sans passer par la chaleur. Bien sûr, la LED chauffe aussi un peu à cause de la résistance, mais la part gaspillée est bien plus petite que dans une ampoule à incandescence. C'est pourquoi on estime qu'elle produit la même luminosité avec moins d'électricité. Pour voir concrètement l'écart, le volet repliable ci-dessous le vérifie avec des chiffres.
À cause de la chaleur d'une ampoule à incandescence, certains pensent peut-être que « plus la lumière est vive, plus elle dégage de chaleur ». Mais, comme on l'a vu, chaleur et lumière ne naissent pas forcément ensemble. En principe, il est possible de produire une lumière vive avec très peu de chaleur, comme le fait la LED.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Si vous avez chez vous une ampoule à incandescence (si possible) et une ampoule LED, allumez chacune pendant environ 5 minutes
- Approchez la paume de la main de l'ampoule (sans la toucher) et comparez la chaleur ressentie
- Sans ampoule à incandescence, regardez en magasin l'emballage d'une ampoule LED marquée « équivalent incandescence ○ W » et vérifiez de combien sa puissance réelle est plus faible
Vous devriez sentir nettement la chaleur avec la paume approchée de l'ampoule à incandescence. C'est une preuve directe, ressentie par le corps, du fait que l'ampoule à incandescence rejette sous forme de chaleur une grande partie de l'électricité.
En résumé
L'ampoule à incandescence chauffe un filament à haute température et obtient de la lumière comme une part de son rayonnement thermique. Une grande partie de l'électricité est perdue en chaleur invisible. La LED convertit dans un semi-conducteur l'énergie des électrons directement en lumière, presque sans passer par la chaleur. On estime que cette différence dans la « façon de fabriquer la lumière » explique le grand écart de consommation.
Si la LED économise l'énergie, ce n'est pas parce qu'elle « lésine » sur la lumière.
C'est parce qu'elle va droit à la lumière, sans le détour de la chaleur.
Pour aller plus loin – vocabulaire, chiffres et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeCe qui s'apprend en sciences au collège
- LycéeCe qui s'apprend en physique au lycée
- Lycée+Contenu de physique de lycée, ou traité comme approfondissement ou encadré dans les manuels
- Univ.Matière spécialisée d'université (physique des semi-conducteurs), non abordée au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots autour de la LED et de l'ampoule
- Filament : fin fil à l'intérieur d'une ampoule à incandescence, qui devient très chaud quand le courant le traverse.
- Semi-conducteur : matériau dont la capacité à conduire l'électricité change selon les conditions. On l'utilise dans les LED et les composants d'ordinateur.
- Lumen (lm) : unité qui exprime la luminosité (le flux lumineux).
- Watt (W) : unité qui exprime la puissance consommée (l'énergie utilisée par seconde).
LycéeVérifier par une formule : pourquoi la couleur de la lumière d'une LED dépend-elle du matériau ?
La couleur (la longueur d'onde) de la lumière d'une LED est déterminée par la quantité d'énergie que libère un électron en tombant dans le semi-conducteur. En utilisant la relation entre énergie et longueur d'onde de la lumière, calculons l'énergie d'une lumière de longueur d'onde donnée.
énergie du photon = constante de Planck × vitesse de la lumière ÷ longueur d'onde
| Énergie du photon | L'unité est le J (joule) |
| Constante de Planck | Valeur fixe, d'environ 6,63×10⁻³⁴ J·s |
| Vitesse de la lumière | Environ 3,00×10⁸ m/s |
| Longueur d'onde | L'unité est le m. La lumière d'une LED rouge est d'environ 630 nm (6,30×10⁻⁷ m) |
C'est une relation bien connue qui donne l'énergie d'un grain de lumière (un photon). Plus la longueur d'onde est courte (lumière bleutée), plus l'énergie par grain est grande.
On sait que le produit de la constante de Planck par la vitesse de la lumière vaut hc ≒ 1,989×10⁻²⁵ J·m. On divise cette valeur par la longueur d'onde de la LED rouge.
| hc divisé par la longueur d'onde | (1,989×10⁻²⁵) ÷ (6,30×10⁻⁷) ≒ 3,157×10⁻¹⁹ |
| Énergie du photon | environ 3,16×10⁻¹⁹ J |
Cette valeur est trop petite pour être parlante ; on la convertit donc dans l'unité qu'est l'énergie d'un électron accéléré par 1 volt (l'électronvolt, eV). 1 eV vaut environ 1,602×10⁻¹⁹ J.
| Conversion en eV | (3,157×10⁻¹⁹) ÷ (1,602×10⁻¹⁹) ≒ 1,97 |
| Énergie du photon (en eV) | environ 1,97 eV |
Pour les matériaux semi-conducteurs des LED rouges, l'énergie perdue par l'électron qui tombe (la bande interdite) est rapportée autour de 1,9 à 2,2 eV, ce qui est très proche du résultat de notre calcul. On a ainsi vérifié qu'à partir d'une longueur d'onde (une couleur), on peut retrouver l'énergie nécessaire.
* La longueur d'onde d'émission et la bande interdite d'une vraie LED varient selon le matériau et le procédé de fabrication. Ce sont ici des valeurs indicatives représentatives.
Lycée+Pourquoi l'ampoule à incandescence est-elle peu efficace ? (le corps noir)
La quantité et la répartition des couleurs de la lumière émise par un objet très chaud sont bien expliquées par la théorie du rayonnement du corps noir. Plus la température monte, plus la quantité de lumière émise augmente et plus la longueur d'onde du pic raccourcit (vers le bleu), mais à la température du filament d'une ampoule à incandescence (environ 2000 à 3000 °C), le pic d'émission reste dans le domaine de l'infrarouge invisible. Autrement dit, quelles que soient les astuces sur le filament, il y a une limite de principe : une grande part de l'énergie sort en chaleur invisible.
Univ.Semi-conducteurs à transition directe et à transition indirecte
La plupart des semi-conducteurs utilisés dans les LED (arséniure de gallium, arséniure-phosphure de gallium, etc.) sont de type à transition directe : quand un électron tombe dans un trou, ils émettent la lumière efficacement. En revanche, les semi-conducteurs à transition indirecte, comme le silicium, exigent une étape supplémentaire pour que l'électron émette de la lumière, et leur efficacité d'émission est très faible. Si la plupart des ordinateurs sont en silicium alors que les LED emploient d'autres semi-conducteurs, c'est en partie pour cette raison.
RechercheCe qui reste flou
- On connaît un phénomène étonnant : quand on augmente le courant dans une LED, son efficacité lumineuse finit par baisser (le « droop » d'efficacité). Parmi les causes proposées figurent la perte d'énergie par collisions entre électrons (la recombinaison Auger) et la fuite d'électrons hors de la zone d'émission ; plusieurs hypothèses existent, mais on estime que le débat se poursuit sur le poids de chaque facteur.
- Des recherches portent aussi sur des LED à base d'un nouveau type de matériaux, les pérovskites. On estime qu'elles pourraient coûter moins cher à fabriquer que les LED à semi-conducteurs classiques, mais assurer la durabilité nécessaire à un usage pratique reste un défi.
- Les écrans « micro-LED », faits d'un très grand nombre de minuscules LED alignées, sont aussi en développement, mais leur difficulté de fabrication laisse encore des obstacles à la production en série de grands écrans.
La LED est déjà une technologie très répandue, mais la recherche se poursuit pour améliorer encore son efficacité et mettre au point de nouveaux matériaux.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : électricité et énergie | Vocabulaire de base : filament, semi-conducteur, watt |
| Lycée | Physique : nature corpusculaire de la lumière | Calcul de la relation entre énergie du photon et longueur d'onde |
| Lycée+ | Physique : rayonnement thermique | Corps noir et limite d'efficacité de l'ampoule à incandescence |
| Univ. | Physique des semi-conducteurs | Différence entre semi-conducteurs à transition directe et indirecte |
| Recherche | Optique appliquée (en recherche) | Droop d'efficacité, LED à pérovskite, micro-LED |
- Explication comparative des principes d'émission de l'ampoule à incandescence et de la LED dans des manuels d'ingénierie de l'éclairage.
- Explication de l'électroluminescence et de la bande interdite dans des manuels de physique des semi-conducteurs.
- Documentation explicative de l'Agence japonaise des ressources naturelles et de l'énergie (Shigen Energy-chō) sur « l'effet d'économie d'énergie de l'éclairage LED ».
- Schubert, E. F., Light-Emitting Diodes (ouvrage spécialisé de référence sur le principe d'émission des LED et le droop d'efficacité).
- Explication du rayonnement du corps noir et de la loi de Planck dans des manuels de physique.
* Les valeurs de longueur d'onde, de bande interdite, d'efficacité, etc. sont des repères représentatifs et varient selon les produits et les matériaux.
* Cet article est une explication scientifique grand public. Pour les détails sur les performances des ampoules et LED et sur leurs économies d'énergie, consultez l'emballage de chaque produit et les informations d'organismes publics comme l'Agence japonaise des ressources naturelles et de l'énergie.