Bonjour et bienvenue à notre tutoriel où nous examinons tout ce qui concerne les LED. Tout d’abord, qu’est-ce qu’une LED ? LED signifie Light Emitting Diode et est un composant électronique utilisé pour convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse. Ce processus est appelé électroluminescence. La technologie LED est partout autour de nous, indicateurs sur les produits électroniques grand public, feux de freinage automobiles, écrans de télévision, presque tous les produits électroniques utilisent des LED d’une manière ou d’une autre. L’utilisation répandue de la technologie LED est due à son efficacité énergétique, sa forme compacte, sa robustesse et sa facilité d’utilisation par rapport aux formes d’éclairage traditionnelles. Alors maintenant que nous savons qu’elles sont utiles, comment fonctionnent-elles réellement ?
Dans cet article, nous utiliserons la théorie et les termes de base de l’électronique, donc si vous n’êtes pas familier avec la loi d’Ohms, la tension, le courant et d’autres termes de ce type, lisez d’abord rapidement notre cours accéléré d’électronique analogique.
Principe de fonctionnement des LED
Une LED, comme son nom l’indique, est un type spécial de diode, une diode qui émet de l’énergie électromagnétique (lumière) lorsqu’elle est activée. Nous n’allons pas entrer dans le détail de la physique qui sous-tend la technologie des semi-conducteurs, mais une diode est constituée d’une jonction P-N. Une jonction P-N est constituée de deux matériaux semi-conducteurs, l’un traité (« dopé ») pour avoir un grand nombre d’électrons (N pour négatif car les électrons sont des particules chargées négativement), et l’autre dopé pour avoir moins d’électrons, ou des « trous » où les électrons sont absents (P pour positif car une absence d’électrons crée une charge positive). Lorsqu’un courant passe par cette jonction, les électrons sautent du côté N au côté P pour remplir les trous, tandis que les électrons se déplacent dans le circuit et que les électrons traversent cet espace, de l’énergie est dégagée (dans le cas des LED, de l’énergie lumineuse). La physique de bas niveau est un peu plus compliquée que cela, mais il suffit de dire que vous pouvez contrôler la longueur d’onde de l’énergie émise (la longueur d’onde correspond à une couleur de la lumière visible) en modifiant la construction de la LED et les matériaux utilisés pour créer la jonction P-N.
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En parlant de couleurs, les LED sont disponibles dans une grande variété de couleurs, de formes, de tailles et d’intensités (luminosité), cependant, une chose qui déroute souvent les gens est de savoir pourquoi les LED bleues sont généralement plus chères que les autres couleurs de LED. En effet, alors que les couleurs telles que le rouge, le vert et les LED infrarouges existent depuis près d’un demi-siècle, les LED bleues n’existent que depuis une ou deux décennies car elles nécessitent un matériau et un processus de fabrication différents (nitrure de gallium GaN). De nos jours cependant, vous pouvez obtenir presque toutes les couleurs de LED, y compris les LED à spectre non visible comme l’infrarouge (tel qu’utilisé dans les télécommandes) et l’ultraviolet.
Construction d’une LED
Une LED est un dispositif assez simple, elle se compose d’un corps en époxy (transparent ou coloré) avec la puce semi-conductrice au milieu attachée à deux fils. Les deux fils d’une diode sont appelés l’anode et la cathode. L’anode de la diode est le fil positif, et la cathode est le fil négatif. Sur les LED standard à trou traversant, le corps présente un bord aplati sur un côté, le fil de ce côté est la cathode et est généralement le fil le plus court. Les LED, comme les diodes, sont des dispositifs polarisés, ce qui signifie qu’elles ne laissent passer le courant que dans un seul sens. Si vous insérez une LED dans votre circuit de manière incorrecte, elle ne se brisera pas, elle ne s’allumera tout simplement pas.
By Inductiveload – Œuvre propre de l’uploader, dessinée dans Solid Edge et Inkscape…, Domaine public
Alors, c’est bien de le savoir et tout, mais comment faire concrètement pour utiliser les LED ? Jetons un coup d’œil.
Utilisation des LED
Bien qu’il existe de nombreux types de LED pour différentes applications, notamment l’éclairage automobile et domestique, nous allons aujourd’hui nous concentrer spécifiquement sur les types de LED standard utilisés dans l’électronique. Ces LED sont disponibles sous différentes formes telles que les boîtiers à trous traversants de 10mm-3mm, et les boîtiers SMD, cependant, le principe est le même. Lorsque l’on utilise des LED, il faut tenir compte de deux caractéristiques importantes pour qu’elles fonctionnent correctement. Les LED n’étant qu’un type particulier de diode, de nombreux principes abordés ici s’appliquent également aux diodes.
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Tension directe:
Pour qu’une LED émette de la lumière, une certaine tension doit être appliquée aux bornes de la LED. C’est ce qu’on appelle la « tension directe », ou, pour le dire autrement, la LED provoquera une perte d’une tension fixe à ses bornes, et cela est nécessaire pour que la lumière soit produite. Pour la plupart des LED, cette tension se situe entre 1,7V et 3,3V selon la couleur de la lumière émise (une LED bleue nécessite une tension directe plus élevée qu’une LED rouge).
Courant direct :
Comme pour un composant électronique, une LED est une charge sur un circuit et lorsqu’un circuit est complété, le courant circule. Le courant direct d’une LED fait référence à la quantité de courant qu’elle consommera lorsqu’elle fonctionnera à la luminosité prévue. Pour la plupart des LED, il se situe entre 15mA et 20mA et il est important d’en tenir compte car le fait de laisser une LED consommer trop de courant réduira considérablement sa durée de vie (une LED bleue branchée directement à une alimentation de 12V sans limitation de courant sera détruite en quelques secondes). En raison de leur consommation de courant extrêmement faible par rapport à la luminosité, les LED remplacent les formes d’éclairage traditionnelles dans presque tous les domaines en raison de leur efficacité.
Protection des LED avec une résistance de limitation de courant :
Donc le courant et la tension directe sont importants, alors comment s’assurer que nos LED sont alimentées de manière sûre et efficace ? Eh bien, puisque la plupart des alimentations vont être supérieures à la tension directe, et être câble de fournir plus que le courant direct, nous devons créer une charge supplémentaire sur notre circuit, donc nous utilisons une résistance.
Si vous avez lu notre cours accéléré d’électronique analogique, vous aurez une idée assez précise du fonctionnement des résistances, mais récapitulons rapidement. Le travail d’une résistance est de (vous l’avez deviné) résister au flux d’électrons (courant), et toute charge résistive provoquera une chute de tension à travers elle. Nous pouvons donc utiliser une résistance pour limiter le courant fourni à notre LED et le calcul de la résistance requise est une simple question d’application de la loi d’Ohms : V=IR (tension = courant x résistance). Alors, mettons-nous au travail !
Prenons les caractéristiques suivantes d’une LED rouge typique avec une tension directe de 1,8V et un courant direct de 20mA. Pour la simulation, nous utiliserons une alimentation de 9V.
Donc nous utiliserons la loi d’Ohms pour trouver la valeur de résistance dont nous avons besoin donc nous réarrangeons la formule pour être R=V/I, nous avons juste besoin de trouver la chute de tension à travers la résistance et le courant pour nous donner la résistance. Si la LED subit une chute de tension de 1,8 V, une autre chute de 7,2 V se produira aux bornes du reste du circuit (notre résistance), soit V=7,8. Comme nous voulons limiter le courant dans le circuit à 20mA, I=0,02 (Ampères). Nous pouvons donc maintenant diviser 7,2 par 0,02 pour obtenir : 360. Par conséquent, nous avons besoin d’une résistance de limitation de courant de 360 Ohms.
Et c’est tout ce qu’il y a à faire, maintenant vous pouvez calculer la valeur de la résistance nécessaire pour piloter n’importe quelle LED. Essayez de résoudre un autre problème en utilisant V=IR où la LED a une tension directe de 2,2 V, un courant direct de 18 mA et l’alimentation est une alimentation de 12 V, et postez vos réponses dans les commentaires ci-dessous !
Contrôle de la luminosité
Si vous voulez ajuster la luminosité d’une LED, vous pouvez augmenter la résistance de limitation de courant pour réduire le courant vers la LED et réduire la luminosité, cependant, assurez-vous que vous ne descendez pas en dessous de la valeur de résistance calculée. C’est une bonne solution pour fixer définitivement la luminosité, mais contrairement aux ampoules à incandescence (globes lumineux de style traditionnel utilisant un filament tordu), vous ne pouvez pas ajuster la luminosité en modifiant simplement la tension de la DEL. Vous obtiendrez une réponse bizarre et le changement ne sera pas régulier. Au lieu de cela, pour contrôler la luminosité d’une LED, vous utilisez le PWM.
Le PWM est abordé plus en profondeur dans nos autres tutoriels, cependant, le concept est assez simple. Vous allumez et éteignez la LED plus rapidement que ce que l’œil humain peut percevoir comme des flashs individuels, et le rapport du temps d’allumage et d’extinction dans une certaine fréquence est perçu par l’œil humain comme une augmentation/diminution de la luminosité. Pour des infos plus détaillées sur le fonctionnement du PWM, consultez ce tutoriel DAC pour Raspberry Pi.
Utilisation de plusieurs LEDS : Série vs. parallèle
Alors, utiliser une seule LED, c’est bien, mais qu’en est-il si nous voulons connecter plus d’une LED jusqu’à une alimentation et qu’elles s’allument toutes ? On pourrait penser que nous pourrions simplement connecter l’un après l’autre avec une résistance à la fin, ceci est connu comme les connecter en série. Cependant, si nous faisions cela, chaque DEL a une chute de tension, ce qui signifie que chaque DEL consécutive a de moins en moins de tension disponible, ce qui signifie que les DEL seront de plus en plus faibles au fur et à mesure que vous avancez dans le circuit. Ce que nous devons faire, c’est les connecter en parallèle comme indiqué :
De cette façon, chaque LED est dans sa propre boucle du circuit, et aucune LED ne reçoit plus de puissance qu’une autre. Mais attention, disons que vous avez besoin d’une résistance de 360 Ohm pour une seule LED, comme indiqué ci-dessus, vous ne pouvez pas utiliser une seule résistance de 360 Ohm pour toutes les LED car cette valeur est conçue pour limiter le courant à seulement 20mA, mais si vous avez plusieurs LED connectées en parallèle, l’appel de courant pour elles s’additionne, donc nous devons recalculer pour un appel de courant de toutes les LED combinées.
Les LED RVB et numériques
Aussi excitante et tout que soit une LED d’une seule couleur, un grand avantage des LED est qu’en raison de leur petite taille, vous pouvez combiner plusieurs LED dans un seul emballage pour créer une LED RVB (rouge bleu vert) qui crée des couleurs dans tout le spectre visible grâce à la lumière additive. L’utilisation de ces LED est simple : elles ont un fil commun (soit la cathode, soit l’anode) et un fil séparé pour chaque couleur que vous pouvez utiliser pour contrôler chaque canal de couleur indépendamment. Elles sont très bien, mais imaginez en utiliser un grand nombre et la quantité de broches nécessaires pour les contrôler. Ces dernières années, nous avons assisté au développement des LED à adressage numérique, qui regroupent une LED RVB et une minuscule puce de contrôle dans un boîtier standard et vous permettent de contrôler d’énormes bandes de LED avec une seule broche de microcontrôleur ! Pour plus d’informations sur ces types de LED, consultez notre tutoriel NeoPixels with Particle.