Comprendre le fonctionnement des enseignes et des afficheurs à LED, depuis les petites enseignes à motifs fixes jusqu'aux écrans géants à LED. Apprendre à les fabriquer et à les programmer les microcontrôleurs qui les pilotent. Ce cours va vous permettre de comprendre comment fonctionnent les enseignes et les afficheurs à LED, depuis les montages les plus simples jusqu’aux des matrices de LED multicolores. Les concepts électroniques nécessaire vous seront donnés, ainsi qu’une introduction aux microcontrôleurs, tant du point de vue matériel que pour la programmation en C. Chaque semaine, il vous sera possible de programmer des enseignes et afficheurs à distance et voir le résultat par vidéo. Vous serez encouragés à fabriquer vos propres enseignes et afficheurs. Des techniques de réalisation de complexitié progressive vous seront proposées.
4.6 LED, lumière et couleur
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Enseignes et afficheurs à LED
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SEMAINE 4
Les afficheurs matriciels. BCM : la modulation codée binaire. Mémoires permanentes. Séquenceurs à compteurs. Circuits séquentiels en VHDL. LED, lumière et couleur.
Познакомьтесь с преподавателями
Pierre-Yves RochatChargé de cours
EPFL, Génie mécanique
Mamadou Lamine NDIAYEMaitre de conférences
ESP-UCAD, Génie électrique
Alain Bertin TIEDEUProfesseur
ENSPY, Département des Mathématiques et Sciences Physiques
Yves TiecouraEnseignant-chercheur
INP-HB, Génie électrique et électronique
[AUDIO_VIDE]
Bienvenue à la leçon, LED, lumière et couleur.
Nous allons parler, dans cette leçon, de l'énergie et des radiations ; nous
allons parler des couleurs des radiations ; et puis, voir des applications aux LED.
Nous partons du modèle de Bohr de l'atome.
C'est un modèle très simple, qui conçoit qu'un atome est formé d'un
noyau autour duquel gravitent des électrons.
Ces électrons tournent autour du noyau, selon des trajectoires circulaires,
centrées sur le noyau, et ces trajectoires sont concentriques.
Chacune de ces trajectoires est également appelée une couche.
Et chaque couche porte un numéro, compté,
ou alors attribué, de l'intérieur vers l'extérieur.
Un électron qui se trouve sur une couche, et reçoit de l'énergie,
passe à une couche supérieure, et on dit qu'il y a eu absorption.
Contrairement à cela, un électron qui se trouve sur une couche,
et émet de l'énergie, passe à une couche inférieure, et on dit qu'il y a émission.
Cette notion, de niveaux d'énergie, est représentée sur un schéma,
tel que celui-là, avec, ici, le niveau d'énergie de la couche,
n est égal à 1, le niveau d'énergie de la couche, n est égal à 2 ; et,
pour illustrer ce que nous venons d'expliquer, si un électron part de
cette couche inférieure, n est égal à 1, à la couche supérieure, n est égal à 2,
eh bien, cet électron le fait en absorbant de l'énergie.
Par contre, lorsqu'un électron part de la couche, n est égal à 2,
supérieure, à la couche, n est égal à 1, inférieure,
l'électron le fait en émettant de l'énergie.
Il y a des couches particulières, qui sont la couche de valence,
avec une énergie de la couche de valence, et la couche de conduction,
qui possède également une énergie de la couche de conduction.
De façon naturelle, l'électron a tendance à réemettre l'énergie,
et passer à la couche inférieure.
C'est ce qu'on appelle l'émission spontanée.
Mais disons que l'émission peut être également stimulée,
c'est-à-dire provoquée.
Ce qu'il faut retenir absolument,
c'est que cette émission d'énergie se fait sous forme de lumière.
Et ceci vous rappelle certainement quelque chose.
Parlons à présent des bandes d'énergie.
Eh bien, le modèle, qui attribue à une couche une valeur de l'énergie,
est en fait un modèle approximatif, et ne correspond qu'à un atome isolé.
Lorsqu'on a un grand nombre d'atomes, ces
atomes vont dépendre, les uns des autres ; lorsqu'on les rapproche,
les niveaux d'énergie sont entrelacés et on passe de la notion
d'une seule énergie, donc un seul niveau, à la notion de bandes d'énergie.
Et le schéma précédent va plutôt être fait de la manière suivante,
avec une bande 1, une bande 2,
la bande de valence, la bande de conduction.
Et il y aura des transitions énergétiques
entre les sous niveaux des bandes d'énergie.
Par exemple, ici, on peut avoir, transition énergétique entre ce sous
niveau de cette bande et ce sous niveau de la bande 2.
Et, dans ce cas, ce sera bien une absorption.
Si on a la transition entre le sous niveau présenté de
la bande 2 et le sous niveau marqué de la bande 1,
eh bien, on a une émission.
Il existe une relation entre l'énergie et la lumière.
Cette relation, qu'on appelle relation de Planck-Einstein,
lie l'énergie à la longueur d'onde de la lumière,
de la manière suivante, E est égal à, hc
sur lambda, où h est la constante de Planck,
c la vitesse de la lumière, et lambda la longueur d'onde.
Si on a une longueur d'onde, eh bien, elle va transporter de l'énergie E.
lorsqu'on considère une transition
entre deux sous niveaux d'énergie, 1 et 2 par exemple, eh bien,
l'énergie qu'on va considérer sera E1 moins E2.
Cela donne un delta E, qui a une énergie qu'on écrit égale,
d'après la relation de Planck-Einstein, à, hc sur lambda.
Lambda est la longueur d'onde de la lumière qui va être émise,
si l'électron est en train de faire une transition
d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur,
et lambda va être la longueur d'onde de la lumière
absorbée si l'électron est en train de faire une transition
entre un niveau d'énergie inférieur et un niveau d'énergie supérieur.
Nous aimerions préciser que chaque valeur de lambda
correspond à une couleur de lumière.
Le tableau que nous avons, ici à notre droite,
nous donne quelques exemples de triplets, énergie et couleur.
Par exemple, si on a une énergie de 2,17 électrons volts,
ça va correspondre à une longueur d'onde de, 570 nanomètres,
et ceci correspond à la couleur verte, par exemple.
Comment est-ce que ce que nous avons vu concerne la LED?
Lorsqu'une LED est alimentée, du courant passe dans la LED,
les transitions énergétiques se font, de la part des électrons,
dans le matériau qui constitue la LED ; nous voudrions souligner
que l'intensité du courant influence les transitions qui vont être faites.
Eh bien, qu'est-ce qui se passe lorsque les transitions se font?
La LED émet de la lumière, et selon les différences d'énergies,
delta E,
qui ont été touchées par la transition,
cette lumière émise sera d'une longueur d'onde lambda,
d'après la relation de Planck-Einstein.
Eh bien, nous avons une
couleur, ici, qui correspond au lambda qui a été émis.
Les LED émettent différentes couleurs de lumière.
Comment est-ce qu'on arrive à le faire?
Dans l'industrie, il y a plusieurs manières de le faire.
Nous allons examiner trois façons
de déterminer la couleur de la radiation émise, à tour de rôle.
Alliages spéciaux qu'on fabrique,
des astuces, et la méthode dite de la synthèse des couleurs.
Parlons des alliages et couleurs de radiations.
Depuis les années 1960, la recherche a permis de découvrir
des alliages d'éléments chimiques qui, utilisés dans la fabrication des LED,
permettent d'émettre des radiations de couleurs différentes.
Nous avons quelques exemples qui sont donnés ici.
L'Arséniure de Gallium utilisée permettrait d'avoir une longueur
d'onde de, 850 nanomètres, et ce serait de la couleur rouge.
Alors que le Phosphure de Gallium
utilisé, permettrait d'avoir une longueur d'onde de,
565 nanomètres, et ce serait la couleur verte qui serait émise.
Évoquons quelques astuces, qui sont utilisées.
Lorsque, par exemple, on utilise du Nitrure de Gallium- Indium,
eh bien, on obtient de la couleur bleue.
Mais si on dépose sur cette jonction des couches de phosphore,
de couleurs différentes, au lieu d'obtenir de la couleur bleue,
initiale, on va avoir un effet dit,
Stokes shift, et cela va permettre de transformer
la longueur d'onde initiale en une longueur d'onde plus longue.
Ce principe est utilisé par exemple dans les ampoules fluorescentes.
Un autre exemple de cette technique, sur du
phosphure de gallium qui produirait normalement du vert, si on ajoute
l'arséniure-phosphure de gallium qui toute seule devrait produire du rouge,
on obtient de la couleur jaune par synthèse de couleurs.
C'est justement la notion suivante.
Alors, la synthèse de couleurs, qu'est-ce que c'est?
C'est l'obtention d'autres couleurs à partir des couleurs de base
dites primaires.
Il existe deux types de synthèses.
La synthèse additive qui utilise comme couleur
primaire le rouge, le vert et le bleu.
Un exemple de synthèse additive est donné là.
Parlons-en un peu.
Si on ajoute du rouge au vert, on obtient du jaune.
Si on ajoute du rouge au bleu, on obtient du magenta.
Mais si on ajoute du vert au bleu, on obtient du cyan.
Imaginez maintenant qu'on ajoute du vert au rouge et au bleu,
en proportions strictement égales, on obtient du blanc.
Il existe un autre type de synthèse qui est la synthèse soustractive qui utilise
comme couleurs de base le cyan, le magenta, le jaune, et nous
avons une représentation de ces couleurs avec ce qu'on peut obtenir à droite.
En fait, dans les LED, ce qui est utilisé, c'est la synthèse additive.
Donc, on a des LED rouges, vertes et bleues
en triplet pour générer les couleurs voulues.
On les appelle les LED RGB, R étant mis pour red,
G étant mis pour green et B étant mis pour blue.
Ces LED sont souvent reliées soit par l'anode ou par la cathode,
comme nous le voyons dans ces différents schémas.
Alors, parlons de la synthèse des couleurs avec une LED RGB.
Pour l'illustrer, on va prendre trois
LED : une rouge, une verte, une bleue,
et puis on va supposer que ces LED sont
alimentées en tout ou rien et voir les couleurs qui peuvent être générées.
Si on alimente, on met à 1 le
rouge et à 1 le vert, on obtient la couleur jaune.
Si on met à 1 le rouge et à 1 le
bleu, on obtient cette couleur qui est du magenta.
Si toutes les LED sont à 0, on obtient du noir.
Cela aussi correspondrait à les éteindre toutes.
Si on met à 1 la LED rouge,
la LED verte et la LED bleue, on obtient de la couleur blanche.
Une autre application intéressante, c'est qu'on peut générer toutes les couleurs
avec du PWM,
qui est la modulation de largeur d'impulsion en français.
Si on prend un peu de rouge
et pas de vert, pas de bleu,
on a un rouge qui est un peu plus foncé que le rouge au-dessus.
Si on prend un peu de vert et un peu de bleu,
on a un cyan plus foncé.
Et on peut également générer des niveaux
de gris différents qui sont en fait des blancs teintés en prenant
un peu de rouge, un peu de vert, un peu de bleu.
En modulant les largeurs d'impulsions, ça s'éclaircit un peu ici.
Si on prend plutôt du rouge,
mais un peu de vert, on fabrique la couleur orange.
Et si on prend du rouge et un peu de bleu, on obtient du rose.
Donc, nous voyons que par rapport à la possibilité ici,
on a une plus large palette de couleurs qu'on peut fabriquer en utilisant du PWM.
Nous venons d'évoquer dans cette leçon la notion d'énergie et radiations,
la couleur des radiations et l'application aux LED.
Vous avez certainement vu des enseignes qui affichaient des couleurs
différentes avec des animations quelquefois plaisantes.
Dans cette leçon, nous vous avons donné des éléments qui vous permettent, nous
l'espérons, de comprendre les principes de base de ces différentes couleurs générées.
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