Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance
par Loïc POULLAIN IUFM de Bretagne - 22000 Saint-Brieuc loic.poullain@bretagne.iufm.fr
RÉSUMÉ
Cet article décrit la mise en œuvre simple de diodes électroluminescentes de forte puissance lumineuse avec des couleurs variées (blanc, rouge, vert, bleu…). Elles offrent la possibilité de concevoir des travaux pratiques économiques et adaptés à la démarche d’investigation en collège sur les thèmes de la synthèse additive des couleurs et de la propagation rectiligne de la lumière.
Depuis quelques années, les diodes électroluminescentes (DEL) ont fait leur appa- rition dans l’éclairage domestique. Les produits mis à disposition du public sont mainte- nant faciles à mettre en œuvre et leurs prix peuvent raisonnablement concurrencer les lampes halogènes basse tension actuellement largement répandues.
Avec une gamme diversifiée tant par les puissances lumineuses, par l’angle d’émis- sion, le champ spectral et leur prix, il est tout à fait raisonnable d’envisager de renou- veler nos manipulations d’optique et nos travaux pratiques.
Ces expérimentations concernent l’équipement d’un laboratoire IUFM (centre de ressources pour l’enseignement des sciences et de la technologie) dédié à l’école primaire (maternelle et élémentaire) et à la préparation au concours de professeur des écoles. Une adaptation est à faire pour le matériel du collège ou du lycée.
1. PRÉSENTATION DES DEL UTILISÉES
Plusieurs revendeurs proposent ces produits (Conrad, Électronique diffusion, Sélec- tronic…). Voici les références pour Électronique diffusion, composants avec lesquels j’ai réalisé mes essais (cf. tableau 1, page ci-après).
1.1. Mise en œuvre d’une DEL blanche 1 W
J’ai utilisé, dans des mallettes destinées à faire expérimenter des élèves de cycle 3, des sources de lumière modélisant le Soleil : une lampe à incandescence classique (3,5 V ;
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0,2 A) au sommet d’un support constitué d’une plaque de base et d’un tube PVC Ø 40 mm ou 32 mm. Cette lampe est pédagogiquement idéale pour représenter le Soleil (on peut aussi la coiffer d’une balle de tennis de table percée pour réaliser des sources étendues de lumière et travailler sur la pénombre).
Cependant, l’éclairement produit par la lampe à incandescence est souvent insuffisant pour modéliser correctement les phénomènes astronomiques clas- siques : jour / nuit, phases de la Lune,
éclipses dans des salles de classe dont l’occultation n’est pas parfaite. De plus, ces lampes perturbent les observations des autres groupes de la classe. L’idée est donc d’as- socier à cette lampe, une DEL fournissant un faisceau lumineux plus intense et directif.
La DEL utilisée pour les élèves est un modèle lumineux à 20 000 mcd (3,6 V / 20 mA).
Une résistance additionnelle de 50West ajoutée en série avec la DEL.
Tableau 1
Figure 1 : Source modélisant le Soleil.
1.2. Modification avec la nouvelle DEL Luxeon 1W
La lampe à incandescence est alimentée maintenant par une tension de 3,6 V composée de trois accumulateurs 1,2 V dans un boîtier « pile plate » et la DEL de 1 W s’alimente aussi directement à partir de cette tension. L’intensité du courant la traversant est inférieure à l’intensité nominale donnée par le constructeur (350 mA). Un interrup- teur à trois positions (on/off/on) permet de sélectionner la source lumineuse. J’ai utilisé, par exemple, la DEL rouge comme lampe inactinique dans un laboratoire photographique pendant plusieurs heures et n’ai pas constaté de diminution notable de l’éclairement produit.
J’émets toutefois des réserves quant à l’utilisation de ces lampes par les élèves de l’école primaire (cycle 3), car l’éclairement est trop intense. Je réserve donc ce dispositif lorsque les groupes présentent à la classe leurs résultats pour la phase de synthèse collec- tive.
1.3. Mise en œuvre des DEL de couleur
Les DEL utilisées sont équipées d’un petit dissipateur thermique en aluminium.
Elles sont collées directement à la colle époxy (deux composants) sur le tube PVC de diamètre 32 mm. L’interrupteur est alors un simple interrupteur à deux positions.
Figure 2 :Montage de la DEL.
Les trois couleurs disponibles rouge, verte et bleue permettent de reconstituer faci- lement la lumière blanche (cf. annexe 1).
1.4. Précaution d’utilisation
Utilisé de cette façon, l’éclairement produit est intense (45 lumens). Il pourrait provoquer des lésions graves au niveau des yeux des élèves si le matériel est utilisé sans précautions.
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Indication portée par le revendeur :
Il est donc préférable de garder cette source à la disposition de l’enseignant pour lui permettre de montrer expérimentalement des phénomènes peu visibles avec une simple lampe à incandescence ou une DEL lumineuse classique (20 mA).
Figure 3 :Montage définitif.
Pour les élèves, il est possible de limiter le champ du faisceau lumineux en coiffant le support d’un tube carton (cf. l’application synthèse additive RVB). Ce système a aussi l’avantage de pouvoir projeter simplement des « négatifs » réalisés par les élèves sur un support transparent pour rétroprojecteur.
L’articulation entre le tube carton et le support a été réalisée avec deux aiguilles de fil de fer enfilées dans le tube support de la lampe et maintenues par un bouchon en liège.
Une réalisation plus soignée exigerait un système à rotule.
2. Quelques applications possibles 2.1. Synthèse additive des couleurs
Avec trois lampes de couleurs rouge, verte et bleue, la synthèse additive des couleurs est facilement réalisable par les élèves en travaux pratiques.
Les élèves peuvent facilement fabriquer des masques à placer sur le faisceau lumi- neux afin de réaliser manuellement des compositions tri chromiques de leur choix. L’an- nexe 1 est un exemple simple à imprimer sur un transparent pour rétroprojecteur.
Les trois lampes sont protégées par les tubes carton qui permettent aussi de limiter ATTENTION
Ne pas regarder en face ces leds. Risque de brûlure irréversible des yeux !!
Dégagement important de chaleur : risque de brûlure de la peau !!
Prévoir refroidissement.
les faisceaux colorés et de les projeter sur un écran placé à 50 cm environ.
L’intersection des trois faisceaux donne le blanc si les intensités RVB sont identiques (cf. figure 4). En jouant sur les distances des lampes à l’écran, on peut obtenir des teintes intermédiaires.
Un masque est introduit dans une fente à l’extrémité du tube carton : on projette ainsi des images colorées RVB (cf.figure 5).
La superposition des trois images donne la composition souhaitée (cf. figure 6). L’articulation souple des tubes carton permet de faire le réglage très facilement, ce qui n’est pas le cas lorsqu’on utilise des
projecteurs de diapositives. Les « ombres colorées » sont aussi d’excellente qualité.
2.2. Autres pistes à investir 2.2.1. Le théâtre d’ombres
Avec une DEL blanche placée à environ 50 cm d’un petit objet opaque, l’ombre portée recueillie sur un écran translucide est d’excellente qualité (source puissante et ponctuelle).
L’annexe 2 présente la réalisation d’un théâtre d’ombres destiné à être utilisé en classe de maternelle.
Avec les DEL colorées, on peut facilement produire les ombres du même objet pour trois sources différentes et obtenir ainsi la composition additive classique.
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Figure 4 :Synthèse additive. Figure 5 :Disposition de masque.
Figure 6 :Projection de l’image colorée.
2.2.2. La boîte à lumière
La DEL est placée au fond d’une boîte carton de forme parallélépipédique dont les dimensions sont voisines de 10 cm. Le couvercle peut accueillir des cartes de constella- tions. Elles sont percées avec une aiguille et représentent des constellations de l’hémi- sphère nord. Les points lumineux sont projetés au plafond (cf. annexe 3).
CONCLUSION
Ce travail expérimental n’en est qu’à ses débuts, mais il ouvre des perspectives inté- ressantes pour les collègues qui souhaiteraient revoir leurs TP d’optique qui ne donnaient pas de très bons résultats à cause des faibles flux lumineux produits par des sources ponc- tuelles.
La mise en œuvre présentée est très sommaire, car elle est destinée à un public d’en- seignants non spécialistes (professeurs des écoles). Les premiers essais et mesures montrent que les conditions d’utilisation respectent le cahier des charges du constructeur.
Il conviendra d’ajouter en série aux DEL des résistances additionnelles afin de les adapter aux sources d’alimentation classiques de nos laboratoires (12 V). À nos fers à souder !
Loïc POULLAIN
Professeur de physique-chimie et technologie IUFM de Bretagne
École interne de l’Université de Bretagne Occidentale Site de Saint-Brieuc (Côtes-d’Armor)
Annexe 1
Masques RVB pour synthèse additive
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Rouge
Vert Bleu
Annexe 2
Comparaison avec la synthèse soustractive
Annexe 3
Le théâtre d’ombres et les couleurs (maternelle : moyenne section et grande section)
L’écran est constitué d’un cadre (1,3 1,0 m) en carton ondulé posé sur le sol avec deux rabats permettant facilement son maintien et son rangement. Il est évidé au centre et remplacé par un papier fin collé (nappe papier ou papier pour patron couture). Sur l’image, on distingue deux zones : l’une d’elles a été enduite d’huile de table pour améliorer l’effet de dépoli.
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Vue d’ensemble à l’avant.
Dispositif pour les fausses « ombres colorées ».
Vue de l’arrière du « théâtre ».
