Comment fonctionnent les LED de montage superficiel

Les LED à montage en surface (SMD LED) fonctionnent en faisant passer un courant électrique à travers une puce semi-conductrice, qui émet de la lumière par électroluminescence. Ces LED compactes sont soudées directement sur des cartes de circuits imprimés, avec des tensions de fonctionnement typiques allant de 2 V à 3,5 V et des courants d’environ 20 mA. La puce est encapsulée dans un boîtier en plastique avec un revêtement de phosphore (pour les LED blanches) et réfléchit la lumière efficacement, offrant une luminosité allant jusqu’à 100 lumens par watt. Leur petite taille (par exemple, 3,5 mm x 2,8 mm pour une 5050 SMD) et leur faible dégagement de chaleur les rendent idéales pour l’électronique moderne.

Structure de Base des LED

Une LED SMD typique mesure entre 1,6 mm x 0,8 mm (taille 0603) et 5,0 mm x 5,0 mm (taille 5050), avec une luminosité allant de 3 à 150 lumens selon le modèle. À l’intérieur, une puce semi-conductrice (généralement en nitrure de gallium ou matériaux similaires) convertit l’électricité en lumière avec une efficacité de 80 à 200 lumens par watt, bien meilleure que les anciennes ampoules à incandescence.

Le cœur d’une LED SMD se compose de trois parties principales :

La matrice est le composant réel émetteur de lumière, généralement de 0,2 mm à 1,0 mm de large, monté sur une base réfléchissante en céramique ou en métal. Lorsque l’électricité la traverse, les électrons sautent par-dessus un espace, libérant de l’énergie sous forme de lumière—un processus appelé électroluminescence. Pour les LED blanches, une couche de phosphore jaune convertit une partie de la lumière bleue en tons plus chauds, atteignant une température de couleur comprise entre 2700 K (blanc chaud) et 6500 K (blanc froid).

Certaines LED SMD ont un angle de vision de 120 degrés, ce qui les rend adaptées à un éclairage large, tandis que d’autres concentrent la lumière dans un faisceau plus étroit de 30 degrés pour l’éclairage ponctuel. La dissipation thermique est essentielle—une mauvaise gestion thermique peut réduire de moitié la durée de vie de 50 000 heures d’une LED. C’est pourquoi les LED SMD de forte puissance utilisent souvent des substrats en cuivre ou en aluminium pour éloigner la chaleur de la matrice.

Un avantage clé des LED SMD est leur basse tension de fonctionnement—la plupart fonctionnent entre 2,8 V et 3,4 V à des courants de 20 mA à 350 mA. Cela les rend écoénergétiques, consommant 60 à 80 % moins d’énergie que les technologies d’éclairage plus anciennes. Leur petite taille permet également des agencements à haute densité ; une seule carte de circuit peut contenir des centaines de LED par pouce carré, permettant des écrans ultra-minces et un rétroéclairage lumineux et uniforme.

Contrairement aux anciennes LED, les versions SMD ne dépendent pas de dômes en plastique volumineux. Au lieu de cela, leur conception plate permet un soudage direct sur les PCB, réduisant les coûts d’assemblage de 15 à 30 % par rapport aux LED traversantes. Certains modèles avancés intègrent même plusieurs matrices (RVB ou blanches) dans un seul boîtier, permettant des affichages en couleur sans câblage supplémentaire.

Comment le Courant Crée la Lumière

Contrairement aux vieilles ampoules à incandescence qui gaspillent 90 % de leur énergie en chaleur, les LED convertissent jusqu’à 50 % de l’énergie électrique en lumière visible, ce qui les rend beaucoup plus efficaces. Cela se produit à l’intérieur d’une minuscule puce semi-conductrice, généralement faite de matériaux comme le nitrure de gallium (GaN) ou le nitrure de gallium et d’indium (InGaN), où les électrons et les « trous » (électrons manquants) entrent en collision pour libérer des photons—les particules de base de la lumière.

Lorsque vous appliquez une tension entre 2 V et 3,5 V à une LED, les électrons sautent du côté négatif (semi-conducteur de type n) vers le côté positif (semi-conducteur de type p). L’écart énergétique entre ces couches détermine la couleur de la lumière. Par exemple, une chute de 2,1 V produit généralement une lumière rouge, tandis que 3,2 V donnent du bleu. Les LED blanches trichent un peu—elles commencent par de la lumière bleue (environ 450 nm de longueur d’onde) et la font passer à travers un revêtement de phosphore jaune, mélangeant les deux pour créer du blanc. La composition exacte du phosphore ajuste la température de couleur, allant de 2700 K (blanc chaud) à 6500 K (lumière du jour).

Les LED haut de gamme à base de GaN peuvent atteindre 200 lumens par watt, tandis que les moins chères ne peuvent gérer que 80 lm/W. La chaleur est l’ennemie ici—pour chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction, la luminosité des LED chute de 2 à 5 %, et la durée de vie diminue de 15 à 20 %. C’est pourquoi les LED de forte puissance utilisent des matériaux comme des substrats en saphir ou en carbure de silicium, qui conduisent la chaleur 3 fois mieux que l’époxy standard.

Le contrôle du courant est essentiel. Trop peu (en dessous de 10 mA), et la LED reste faible ; trop (plus de 350 mA pour les petites SMD), et elle grille rapidement. La plupart des LED fonctionnent de manière optimale à 20-150 mA, avec une tension directe variant selon la couleur :

• Rouge/Orange/Jaune : 1,8–2,2 V
• Vert/Bleu/Blanc : 2,8–3,4 V

En commutant le courant marche/arrêt des milliers de fois par seconde (par exemple, fréquence de 1 kHz), la LED semble plus faible à un cycle de service de 30 % mais maintient la même teinte. Cela évite le décalage de couleur causé par la gradation analogique, où la réduction du courant peut rendre les LED bleues légèrement violettes.

Fait intéressant, tous les photons ne s’échappent pas de la LED. En raison des réflexions internes, 20 à 30 % de la lumière est piégée à l’intérieur de la puce. Les LED haut de gamme combattent cela avec des réseaux de microlentilles ou des surfaces texturées qui augmentent l’extraction de lumière de 15 à 40 %. D’autres utilisent des conceptions à puce inversée (flip-chip) où la couche émettrice de lumière se trouve plus près du substrat, réduisant les pertes dues aux fils de liaison.

Le résultat? Une technologie qui a révolutionné l’éclairage. Une seule LED SMD de 3 W peut remplacer une ampoule à incandescence de 40 W, dure 25 fois plus longtemps (50 000 contre 2 000 heures) et utilise 85 % moins d’énergie. Ensuite, nous comparerons les LED SMD à leurs prédécesseurs plus volumineux—et pourquoi les petits carrés plats ont gagné.

SMD vs LED Traditionnelles

Luminosité et Efficacité

• LED Traditionnelles (par exemple, rondes de 5 mm) :
  1. Sortie : 2-5 lumens à 20 mA
  2. Angle de vision : 30-60°
  3. Efficacité : 80-100 lm/W
• LED SMD (par exemple, taille 5050) :
  1. Sortie : 15-20 lumens à 20 mA (3-4 fois plus lumineuses)
  2. Angle de vision : 120° (couverture plus large)
  3. Efficacité : Jusqu’à 200 lm/W (2 fois plus efficace)

Taille et Flexibilité de Conception

• LED Traditionnelles :
  1. Volumineuses (5 mm de diamètre × 8 mm de hauteur)
  2. Nécessite un espacement ≥10 mm sur les PCB
  3. Exemple : Le rétroéclairage d’un smartphone nécessitait 30 LED traversantes
• LED SMD :
  1. Compactes (par exemple, 3,5 mm × 2,8 mm)
  2. Empreinte sur PCB 60 à 80 % plus petite
  3. Le même rétroéclairage de smartphone utilise désormais seulement 10 SMD

Performance Thermique et Durée de Vie

• LED Traditionnelles :
  1. Les coques en époxy piègent la chaleur → 100 °C à 50 mA
  2. La durée de vie chute de 50 % en utilisation réelle
  3. Évaluées à 50 000 heures (mais souvent 25 000 heures en pratique)
• LED SMD :
  1. Liaison directe matrice-métal → 20-30 °C plus froide
  2. Les variantes de forte puissance gèrent 700 mA en continu
  3. Maintient 50 000 heures et plus même à des courants élevés

Coût et Fabrication

• Coût Unitaire :
  1. Traditionnelles : 0,02–0,05 $
  2. SMD : 0,03–0,08 $ (légèrement plus élevé)
• Économies d’Assemblage :
  1. Traditionnelles : Soudage manuel/à la vague (0,10–0,15 $ par LED)
  2. SMD : Placement automatisé (0,01–0,03 $ par LED)
  3. Économise 800–1 200 $ pour 10 000 unités
• Taux de Casse :
  1. Traditionnelles : 15-20 % (dommages aux fils lors de la manipulation)
  2. SMD : Proche de 0 % (plat, pas de fils fragiles)

Cohérence des Couleurs et Fiabilité

• LED Traditionnelles :
  1. Variation de longueur d’onde de 20-30 nm (différences de teinte visibles)
  2. Mauvaise concordance des couleurs (répond rarement aux besoins médicaux/IRC > 95)
• LED SMD :
  1. Tolérance de 5-10 nm (revêtement de phosphore automatisé)
  2. 90 % dans l’ellipse de MacAdam à 3 étapes (uniformité précise des couleurs)

Durabilité (Résistance Thermique et aux Vibrations)

• LED Traditionnelles :
  1. Taux de défaillance de 12-15 % après 1 000 cycles thermiques (-40 °C à +85 °C)
  2. Défaillance à 20 G de vibration (fatigue des fils)
• LED SMD :
  1. <3 % de taux de défaillance dans les mêmes conditions
  2. Résiste à 50 G de vibration pendant 100 heures et plus

Économies Réelles

• Exemple d’Éclairage Public :
  1. Les SMD économisent 500 kWh/an par luminaire (par rapport aux traditionnelles)
  2. Le coût initial 20-30 % plus élevé est amorti en moins de 18 mois
• Utilisation comme Indicateur :
  1. Durée de vie des SMD : 3-5 ans
  2. Durée de vie des traditionnelles : 1-2 ans (à 50 mA en continu)

Pourquoi les SMD Dominent (90 % de l’Éclairage Moderne)

✔ Plus petites, plus lumineuses, plus efficaces
✔ Durée de vie plus longue et meilleure gestion de la chaleur
✔ Coûts d’assemblage inférieurs et fiabilité supérieure
✔ Cohérence des couleurs supérieure
✔ ROI prouvé dans les utilisations commerciales/industrielles

Tailles et Spécifications Courantes

La convention de dénomination est simple :

• LED 2835 = 2,8 mm × 3,5 mm
• LED 5050 = 5,0 mm × 5,0 mm

Mais les dimensions seules ne définissent pas la performance.

LED à Petite Échelle (Indicateurs et Rétroéclairage)

• LED 0402 (0,4 mm × 0,2 mm)
  1. Courant : 10-15 mA
  2. Sortie : 2-3 lumens
  3. Utilisation : Indicateurs d’état de smartphone (espace < 1 mm²)
• LED 1608 (1,6 mm × 0,8 mm)
  1. Courant : 20 mA
  2. Sortie : 5-8 lumens
  3. Utilisation : Rétroéclairage de montre intelligente

LED de Milieu de Gamme (Éclairage Général)

• LED 2835 et 5050
  1. Sortie : 20-50 lumens
  2. Courant : 60-150 mA
  3. Angle de vision : 120°
  4. Variantes de forte puissance : 300-700 mA (nécessite un dissipateur thermique)

Variations de Couleur et de Tension

• Blanc chaud (2700-3000 K) : Sortie 5 à 10 % inférieure au blanc froid (5000-6500 K) en raison des pertes de phosphore.
• LED RVB 5050 :
  1. Contient 3 matrices (Rouge : 620-625 nm, Vert : 520-525 nm, Bleu : 465-470 nm)
  2. Sortie individuelle : 7-10 lumens par couleur
  3. Lumière blanche combinée : 500-800 mcd
• Différences de tension directe :
  1. 2835 blanc chaud : 2,8-3,2 V
  2. 3528 bleu : 3,0-3,4 V
  3. Considérations série vs. parallèle :
     • 10 LED de 3 V en série → Pilote de 30 V nécessaire
     • Configurations parallèles → Régulation de courant précise requise

Facteurs Thermiques et d’Efficacité

• Boîtier 5630 (5,6 mm × 3,0 mm)
  1. Fonctionne 15-20 °C plus froid que le 3528 à 150 mA
  2. Durée de vie 10 à 15 % plus longue grâce à une meilleure dissipation thermique
• Les bacs de luminosité sont importants :
  1. LED 3014 de bac supérieur (3,0 mm × 1,4 mm) : 12 lumens à 30 mA
  2. Bac standard : 9 lumens à 30 mA (différence de 25 %)
  3. Affecte le nombre de LED dont un luminaire a besoin

Durée de Vie et Performance Réelle

• Évalué à 50 000 heures (à 25 °C avec une régulation de courant appropriée)
• Réel (85 °C ambiant) : ~30 000 heures
• Boîtier 7030 (7,0 mm × 3,0 mm) – Les substrats en céramique maintiennent 90 % de sortie après 60 000 heures même à 105 °C

Micro-LED (Affichages de Prochaine Génération)

• Taille : <0,1 mm²
• Courant : 1-5 mA
• Luminosité : 5 000-10 000 nits (lisible à l’extérieur)
• Densité : 500+ LED/cm² (permet la 4K sur les écrans de smartphone)
• Coût : 30-50 % plus élevé que l’assemblage SMD standard

Points Clés à Retenir

• La taille affecte la performance thermique et la luminosité
• Les exigences de tension et de courant varient selon la couleur et le boîtier
• Les LED de forte puissance nécessitent un dissipateur thermique
• Les grades de bac ont un impact sur la sortie lumineuse réelle
• La durée de vie diminue dans les environnements à haute température
• Les Micro-LED permettent des affichages ultra-haute résolution mais coûtent plus cher

Connexions de Circuit Typiques

La différence entre une alimentation appropriée et inappropriée peut signifier 50 000 heures contre 5 000 heures de durée de vie opérationnelle.

Pour une LED blanche de 3 V à 20 mA sur une alimentation de 5 V, vous avez besoin d’une résistance de (5 V – 3 V) / 0,02 A = 100 ohms, dissipant 0,04 W. Cela fonctionne pour les indicateurs à faible courant mais devient inefficace à des puissances plus élevées—une LED de 150 mA gaspille 0,45 W en chaleur, réduisant l’efficacité en dessous de 70 %. C’est pourquoi les pilotes à courant constant remplacent les résistances au-dessus de 100 mA de charge.

Les régulateurs à découpage résolvent les problèmes d’efficacité. Un convertisseur abaisseur alimentant dix LED de 3 V en série à partir de 24 V atteint 90 à 95 % d’efficacité en fournissant uniquement les 30 V nécessaires. Ceux-ci maintiennent une variance de courant de 1 à 3 % malgré les fluctuations d’entrée (20 V à 30 V), ce qui est essentiel pour les applications automobiles ou alimentées par batterie. La série Mean Well LDD (pilotes 350 mA, 1,50–2,00 $) est amortie en 6 à 12 mois grâce aux économies d’énergie par rapport aux circuits à résistances.

Même les LED du même lot présentent une variation de tension directe de 5 à 10 %. Connecter cinq LED de 3 V en parallèle à 3,3 V sans résistances provoque une surcharge de courant—une LED peut tirer 120 mA tandis que d’autres obtiennent 80 mA, entraînant une luminosité inégale et une dégradation accélérée. Solutions :

• Résistances individuelles (par exemple, 22 ohms pour les LED de 20 mA)
• Pilotes multicanaux (par exemple, TI TLC5916) régulant chaque branche indépendamment.

Pulser une LED de 500 mA à 1 kHz (cycle de service de 30 %) atteint un courant moyen de 150 mA sans décalage de couleur. Les pilotes haut de gamme comme l’AL8805 supportent le PWM à 25 kHz, éliminant le scintillement tout en permettant une gradation de 0 à 100 %. Le compromis? Les circuits PWM ajoutent 0,30–0,50 $ au BOM mais permettent des fonctionnalités comme des effets de lever de soleil fluides dans l’éclairage intelligent.

Une LED de 3 W (700 mA à 3,4 V) génère 2,4 W de chaleur, nécessitant 1 pouce carré de cuivre de 2 oz par watt pour un refroidissement passif. Si insuffisant, la température de jonction passe de 25 °C à 85 °C, faisant chuter la tension directe de 0,1 V—augmentant le courant de 15 à 20 % et faussant les calculs de résistance. Les circuits de repli thermique atténuent cela en réduisant le courant lorsque le refroidissement échoue.

Une bande de 5 mètres de 12 V avec 50 LED subit une chute de tension—la première LED reçoit 12,0 V, la dernière 10,4 V, créant un gradient de luminosité de 20 %. Solutions :

• Tension plus élevée (24 V ou 48 V)
• Injection de puissance tous les 5 mètres (câbles 18 AWG) pour maintenir la chute de tension en dessous de 5 %.