Les modes d'alimentation des LEDs : influence sur la chromaticité

3. Influence du mode d’alimentation

De nombreuses études ont été menées afin de montrer les dérives spectrales des LEDs en fonction de la température de jonction du semi-conducteur. Ainsi, Kish & Flecher⁽²⁾, Nakamura⁽³⁾, Tamura ⁽⁴⁾, Hong et al ⁽⁵⁾, ont trouvé que pour des LEDs rouges (AlInGaP), la longueur d’onde pic dérive linéairement avec la température de jonction. De façon générale, les LEDs rouges, vertes et bleues ont une sensibilité différente à la température de jonction, et c’est la LED rouge qui est le plus sensible, suivie du vert puis du bleu.

La densité de courant affecte également le spectre des LEDs (Muller-Match et al. , 2002), mais aussi leur efficacité.

Dans la suite, nous allons nous intéresser à l’influence du mode d’alimentation des LEDs (de forte puissance), étude qui a été réalisée au centre de recherche en éclairage (Rensselaer Polytechnic Institute, NY).

Nous allons donc regarder suivant le type d’alimentation (continue ou pulsée) la dérive du spectre des LEDs, lorsqu’on les sollicite à différents niveaux de courant.

Intéressons nous donc au cas des LEDs haute luminosité 1W actuellement très utilisées pour différentes applications (rétro-éclairage, éclairage directe (liseuses présentes en aéronautique (airbus A320), dans le ferroviaire (SNCF)).

Suivant leur technologie (LED bleue+Phosphore jaune ou RGB) l’influence du mode d’alimentation est plus ou moins marquée.

3.1 Technologie à phosphore

Les diagrammes ci-dessous (Cf. Diag. 1) montrent pour une LED blanche (émission bleue + phosphore jaune), la variation des coordonnées chromatiques pour différents courant d’alimentation en mode continu (DC) et en mode pulsé (PWM).

 
Diagramme 1

Diagramme 1

En alimentant la même LED à différents courants (de 35mA à 350mA, courant nominal), nous observons que la variation des coordonnées chromatiques avec un pilotage de la LED en continu (DC, diagramme à gauche) est beaucoup plus prononcée (Dx>0,05 et Dy>0,15) qu’avec un pilotage pulsé (Dx>0,001 et Dy>0,004)

De plus, l’évolution de la dérive chromatique se fait dans le sens opposé : lorsqu’on augmente le courant d’alimentation en courant continu, la température de couleur de la LED augmente (blanc plus froid) alors que pour la même augmentation de courant en mode pulsé, la température de couleur de la LED diminue.

On observe également (Diag.1) que les 2 évolutions sur le diagramme chromatique se font suivant une même direction.

Regardons maintenant les spectres pour les deux cas DC et PWM (Fig.3).

Figure 3

Figure 3

Notons tout d’abord le décalage du pic bleu, pic caractéristique des LEDs blanches de technologie utilisant un semi-conducteur bleu + un phosphore jaune (Fig.5).

Ce décalage est opposé, suivant le mode d’alimentation (DC ou PWM), mais nous voyons également qu’il n’est pas très important.

De même en ce qui concerne le rouge, c'est-à-dire pour l’intervalle de 620 à 660nm, il n’y a pas vraiment de différence importante pour les deux modes d’alimentation aux différents courants utilisés.

Par contre, on s’aperçoit que la différence majeure se situe dans l’intervalle 530-580nm.

Dans cet intervalle, la contribution du phosphore augmente quand le courant diminue pour une alimentation en continu (Fig.2 spectre de gauche). Cette évolution d’efficacité pour le phosphore n’a jusqu’à présent pas été étudiée et seules quelques pistes d’études pourraient expliquer le phénomène :

• Une diminution de la température interne améliorerait les performances du phosphore

• La dérive des faibles longueurs d’ondes serait également une explication de l’amélioration ou non des performances du phosphore

Toujours dans cet intervalle 530-580nm, la contribution du phosphore pour une alimentation PWM diminue en même temps que le courant (Fig.2 spectre de droite).

Une chose intéressante est de comparer le spectre d’émission de la LED avec celui de la réponse de l’oeil (Fig.4).

Figure 4

Figure 4

La courbe de réponse de l’œil (diurne) épouse le « pic » d’émission de la LED autour de 550nm. C’est justement dans cet intervalle (500-600nm) où l’œil est le plus sensible, que les deux modes d’alimentation provoquent la plus grande dérive du spectre, suivant les courants appliqués.

Ainsi, on mesure l’importance du type de pilotage et de son incidence sur le spectre d’émission des LEDs (donc sur le rendu des couleurs et sur l’efficacité des LEDs elles-mêmes).