L'intégration des diodes électroluminescentes (LED) dans divers projets électroniques est devenue monnaie courante, allant de simples voyants indicateurs à des systèmes d'éclairage sophistiqués. Pour garantir leur longévité et leur performance, une compréhension rigoureuse des principes électriques est indispensable. Contrairement aux ampoules à incandescence classiques qui possèdent une résistance interne stable, la LED est un composant semi-conducteur dont le comportement nécessite une gestion active du courant électrique.
Principes fondamentaux de l'allumage des LED
Le principal paramètre qui influe sur la durée de vie de la LED est le courant électrique, dont la valeur est strictement réglementée pour chaque type d'élément LED. Fonctionnant sur le même principe que les diodes de redressement, les éléments émetteurs de lumière présentent néanmoins des caractéristiques distinctives. Les plus importants d'entre eux sont :
- Sensibilité aux tensions de polarité inverse : Une DEL dans un circuit qui n'est pas dans la bonne polarité tombera en panne presque instantanément.
- Plage étroite du courant de fonctionnement : La jonction p-n possède une plage très restreinte de courant admissible.
- Dépendance thermique : La résistance de la jonction varie en fonction de la température, ce qui est une caractéristique de la plupart des éléments semi-conducteurs.
La tension à la jonction du semi-conducteur est limitée par les processus physiques et se situe dans une plage étroite d'environ 1 à 2 V. Si la tension disponible dans le circuit est supérieure, elle doit être réduite pour ne pas détruire le composant.
Pourquoi utiliser une résistance pour les LED ?
Une façon courante de limiter le courant maximal est d'utiliser une résistance de limitation. L'utilisation d'une résistance de limitation pour allumer la LED n'est pas la solution la plus efficace, mais la plus simple et la moins chère pour limiter le courant dans les limites autorisées.
Les solutions de circuit permettant de stabiliser le courant avec une grande précision sont assez difficiles à reproduire et les solutions disponibles sur le marché sont très coûteuses. La résistance agit comme un frein : dès que la tension appliquée est suffisante pour que la LED s'allume, sa résistance interne diminue drastiquement. Sans résistance de limitation, le courant augmenterait jusqu'à la destruction totale de la diode.
Connexion en parallèle et en série des LED
Afin de combiner les paramètres des circuits de puissance et les performances des LED, la connexion en série et en parallèle de plusieurs éléments est fréquente.
Connexion parallèle
L'avantage de ce type de connexion est l'utilisation d'un seul limiteur par circuit. Cependant, les inconvénients sont nombreux : la puissance dissipée augmente, la variation des paramètres des éléments conduit à une distribution inégale du courant, et la défaillance d'un émetteur peut entraîner une défaillance en cascade. Une connexion où le courant traversant chaque élément est limité par une résistance séparée augmente la fiabilité, car la défaillance d'un élément n'a aucune incidence sur les autres.
Connexion série
La connexion en série est devenue la plus utilisée car l'avantage évident est l'égalité absolue du courant traversant chaque élément. Puisque le courant à travers la résistance de terminaison unique et à travers la diode est le même, la dissipation de puissance sera minimale. Un inconvénient de taille : la défaillance d'un seul élément rend l'ensemble de la chaîne inopérante.
Mode mixte
L'utilisation d'un grand nombre d'émetteurs est possible en réalisant une connexion mixte, en utilisant plusieurs chaînes parallèles et en connectant une résistance de limitation et plusieurs LED en série. Le grillage de l'un des éléments aura pour conséquence que seul le circuit dans lequel l'élément est installé ne fonctionnera pas.
Formules de calcul des résistances
La résistance de la LED peut être calculée sans calculs complexes basés sur la loi d'Ohm. Pour appliquer la formule $R = U / I$, il faut identifier les paramètres suivants :
- Tension du circuit ($U_{pit}$).
- Chute de tension aux bornes de la diode ($U{sv}$ ou $Vf$).
- Courant de fonctionnement ($I$).
La chute de tension aux bornes de la résistance est donnée par $U = U{pit} - U{sv}$. Ensuite, on calcule la résistance : $R = U / I$.
Il est crucial de noter que le résultat ne correspondra pas toujours à une valeur standard. Il est préférable de prendre la valeur immédiatement supérieure dans la série E12 ou E24 pour garantir une marge de sécurité. Cela réduira légèrement la luminosité, mais annulera toute modification de la tension d'alimentation.
Gestion de la puissance dissipée
Un paramètre tout aussi important est la puissance dissipée de l'élément limiteur. Le courant qui circule dans une section de résistance la fait chauffer. La formule utilisée est : $P = U^2 / R$ ou $P = U \times I$.
Si le calcul donne par exemple 0,19 W, une résistance standard de 0,25 W (1/4 W) est appropriée. Si la valeur calculée est supérieure, il faut passer à une classe de puissance supérieure (ex: 0,5 W ou 1 W) pour éviter la surchauffe du composant.
Electronique pour les débutants COMMENT BRANCHER UNE LED et calculer sa résistance ALIMENTATION
Câblage des bandes LED
Les bandes LED utilisent un circuit de diodes en série. Le nombre de diodes et la résistance des résistances de terminaison dépendent de la tension d'alimentation de la bande (généralement 12V). L'augmentation de la longueur de la bande entraîne une augmentation proportionnelle du courant car les sections minimales sont techniquement connectées en parallèle. Les fabricants utilisent souvent des combinaisons série-parallèle pour permettre un fonctionnement stable sur des alimentations stabilisées, évitant ainsi le besoin de milliers de résistances individuelles.
Pour les LED haute puissance, les caractéristiques techniques omettent souvent d'indiquer la tension passante. Ces éléments ne sont pas reliés à une résistance en série, mais à un pilote de LED (LED Driver) qui agit comme une source de courant constant, régulant automatiquement la tension de sortie.
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