Alimentation d'une LED

 

Les lignes qui suivent décrivent comment utiliser une LED de façon isolée ou en groupe, avec des tensions alternatives ou continues. Pour plus de renseignements concernant ce composant, merci de vous reporter à la page Théorie - LED

K = (K)Cathode, pôle "négatif" de la LED, patte la plus courte.

A = Anode, pôle "positif" de la LED, patte la plus longue.

Remarque : il m'est arrivé d'avoir entre les mains des LEDs dont la patte la plus longue était la cathode.

 

La base - Alimentation en basse tension continue

Une LED, si on l'alimente directement et sans autre forme de procès à une source de tension continue (pile 9V neuve par exemple) ou à une source de tension alternative (secondaire d'un transformateur 220V / 9V par exemple), a 99% de chances de griller. J'ai réussi une fois à faire tenir pendant plus d'une minute une LED rouge câblée en direct sur une pile 9V; elle était brulante mais elle n'a pas lâchée, c'est une "exception" liée à la résistance interne de la pile qui devenait assez grande pour faire limitation de courant (expérience non préparée). Avec une alim secteur, elle n'aurait pas tenu aussi longtemps, c'est certain. Le câblage minimal d'une LED consiste donc à lui ajouter une résistance en série afin de limiter le courant qui va la parcourir, tel que le montre le montage ci-dessous, où une LED est raccordée à une source de tension continue :



Sur le schéma qui précède, la valeur de la résistance R1 est donnée à titre indicatif, la tension V n'étant pas spécifiée. En pratique, la valeur de la résistance doit être calculée selon la tension d'alimentation (V) et selon le type de LED, en utilisant la formule R = U / I, dérivée de la célèbre formule U = R x I (U = RI). Le schéma suivant montre un exemple de câblage "de labo", permettant de mettre en évidence, avec des voltmètres et un ampèremètre, les tensions et courant que l'on peut mesurer pour différentes valeurs de R et pour une tension d'alimentation de valeur donnée. Comme nous sommes dans le monde merveilleux de la pratique terrain, tout est parfait et les appareils de mesure ne perturbent absolument pas le fonctionnement du montage (ce qui est presque totalement vrai dans le cas présent). 



R = (Ualim - Uled) / Iled

où 

R est la valeur (en ohms) de la résistance qui limite le courant dans la LED, 
Ualim est la tension disponible (en volts) qui servira à alimenter la LED, 
Uled est la chute de tension (en volts) au borne de la LED (on parle aussi de tension nominale de la LED), 
Iled le courant (en ampères) devant parcourir la LED pour qu'elle s'allume "normalement".

La LED utilisée pour les deux expériences qui suivent est une LED verte fonctionnant de façon nominale avec une tension de 2,2 V et un courant de 20 mA. Nous allons dans un premier temps calculer R pour avoir un courant de 20 mA, puis dans un deuxième temps, nous calculerons R pour avoir un courant de 10 mA. Dans les deux cas, la tension d'alimentation mise à notre disposition est de 9V continu. Pourquoi 10 mA ? Je ne sais pas moi. Pour expérimenter, ou pour économiser sur la petite pile 9V qui coute cher et qui pollue notre environnement, peut-être. Petit détail : en temps normal, nous n'avons que faire d'une très grande précision de mesure, le mA et le dixième de Volt suffisant amplement. Dans les deux expériences, le degré de précision utilisé permet de constater des choses intéressantes, c'est pourquoi je n'ai pas raboté les chiffres après la virgule.

Première expérience : on veut un courant de 20 mA (0,02 A) dans la LED, avec une tension d'alim de 9V

R = (Ualim - Uled) / Iled = (9 - 2,2) / 0,02 = 340

Vous me pardonnerez, mais j'ai horreur des résistances de 340 ohms, j'en prend donc une de 330 ohms.



Bon, le courant traversant la LED (ILED) n'est pas de 20 mA tout rond, mais de 20,4 mA. Ca m'apprendra à ne pas aimer les résistances de 340 ohms. Mais si cela peut vous rassurer, la LED ne grillera pas pour autant. Nous avons donc avec la résistance de 330 ohms, une chute de tension de 6,7 V environ aux bornes de la résistance chutrice. La tension aux bornes de la LED est de l'ordre de 2,2 V, elle est parcourue par un courant d'environ 20 mA, et elle s'allume bien comme il faut. L'expérience est réussie, nous sommes heureux et impatients de poursuivre.

Deuxième expérience : on veut un courant de 10 mA (0,01 A) dans la LED, toujours avec une tension d'alim de 9V

R = (Ualim - Uled) / Iled = (9 - 2,2) / 0,01 = 680

J'adore les résistances de 680 ohms, j'adopte.



Premier constat : le courant traversant la LED est maintenant de 10 mA (que personne SVP ne me dise que c'est faux et qu'il est de 9,96 mA), et la tension à ses bornes est toujours de quelques 2,2V. La LED s'éclaire toujours, mais plus faiblement cette fois, alors que la tension à ses bornes est pour ainsi dire identique. Intéressant, non ? Nous montrons simplement avec cette expérience simple, que la luminosité de la LED dépend non pas de la tension présente à ses bornes, mais du courant qui la traverse. Deuxième constat : le LED s'éclaire plus faiblement certes, mais la luminosité peut suffire dans bien des cas. Vous n'êtes donc pas obligé de calculer R pour obtenir le courant nominal spécifié par le fabricant de la LED, mais la calculer pour un courant inférieur (à vous de tester avec vos propres LEDs pour voir jusqu'où vous pouvez descendre en courant, lire aussi plus loin le paragraphe "les LEDs dans les montages alimentés par pile").

Quelques valeurs typiques de tensions et courants pour quelques LEDs

Une LED rouge ou orange standard présente une tension de seuil (chute de tension, si vous voulez) de l'ordre de 1.6 V à 2.1 V, une tension de 2.0 V à 2.4 V pour une LED jaune ou verte, tandis que pour une LED bleue, rose ou blanche, cette tension se situe plutôt autour de 3.0 V à 3.6 V.

Exemple : vous désirez alimenter une LED rouge qui présente une chute de tension de 2 V, sous un courant de 20 mA (0,02 A), à partir d'une tension d'alimentation de 12 V. Si vous avez lu le paragraphe précédent, la formule suivante ne vous est plus inconnue :
R = (12 - 2) / 0,02 = 500 ohms 
En pratique, vous prendrez une résistance de 470 ohms ou une de 510 ohms, plus faciles à trouver qu'une résistance de 500 ohms.

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs typiques de résistance (en ohms). Les valeurs entre parenthèses correspondent aux valeurs normalisées les plus proches dans la série E24. J'ai tout de même essayé de rester avec le maximum de valeurs de la série E12, car certains revendeurs ne gardent en stock que cette série. Ne pas utiliser la valeur trouvée par calcul ne pose absolument aucun problème, si on ne s'en éloigne pas trop vers le bas tout de même...

Tension alim

LED STD rouge
1,6V / 20mA

LED STD verte
2,1V / 20mA

LED STD jaune
2,1V / 20mA

LED STD bleue
3,6V / 20mA

LED HL rouge
2,0V / 20mA

LED HL Verte
3,6V / 20mA

LED HL jaune
2,0V / 20mA

LED HL bleue
3,6V / 20mA

LED FC rouge
1,7V / 2mA

3,0V

70 (69)

45 (47)

45 (47)

-

50 (51)

-

50 (51)

-

650 (680)

4,5V

145 (150)

120

120

45 (47)

125 (120)

45 (47)

125 (120)

45 (47)

1400 (1,5K)

6,0V

220

195 (200)

195 (200)

120

200 (220)

120

200 (220)

120

2150 (2K2)

9,0V

370 (390)

345 (330)

345 (330)

270

350 (330)

270

350 (330)

270

3650 (3K9)

12,0V

520 (510)

495 (510)

495 (510)

420 (430)

500 (510)

420 (430)

500 (510)

420 (430)

5150 (5K1)

15,0V

670 (680)

645 (680)

645 (680)

570 (560)

650 (680)

570 (560)

650 (680)

570 (560)

6650 (6K8)

18,0V

820

795 (820)

795 (820)

720 (680)

800 (820)

720 (680)

800 (820)

720 (680)

8150 (8K2)

24,0V

1120 (1K2)

1095 (1K2)

1095 (1K2)

1020 (1K)

1100 (1K2)

1020 (1K)

1100 (1K2)

1020 (1K)

11150 (12K)

LED STD = LED Standard
LED HL = LED Haute Luminosité
LED FC = LED Faible Consommation

LED très haute luminosité et haute puissance

Ces LEDs diffèrent des LEDs standards et haute luminosité. De par leur constitution physique (interne), et surtout par les tensions et courants mis en jeux. De telles LEDs ne se contentent pas des quelques mA qui suffisent aux LEDs de base. Il leur faut plus à manger, et des courants de 350 mA, 700 mA, 1000 mA ou 1500 mA sont requis, pour une tension d'alimentation de 3,6 V ou 4,0 V. La dissipation thermique de ces LEDs n'est pas négligeable, et il faut leur adjoindre un système de refroidissement. De plus, elles nécessitent d'être pilotées par un contrôleur de courant (LED driver) si l'on veut garantir une durée de vie optimale. Plus de détails sur la page LEDs, Watts, Lux, Lumen, Candela....

Dissipation de puissance (dissipation thermique)

Un point à ne pas négliger ! Lorsque la chute de tension sur la résistance chutrice est importante, vous devez prévoir une résistance capable de dissiper la puissance nécessaire. Car si un courant consommé de 20 mA peut sembler faible à première vue, calculez donc la puissance qu'une résistance de 1400 ohms devra dissiper pour une chute de tension de 30 V, sachant que le calcul de la puissance dissipée s'établie selon la formule suivante :

P = (Ures x Ures) / R

où 

P est la valeur (en Watts) de la puissance dissipée par la résistance qui limite le courant dans la LED, 
Ures la tension aux bornes de la résistance (en volts), 
R la valeur (en ohms) de la résistance. 

P = (28 x 28) / 1400 = 0,56 W. Et oui, il faut une résistance de 1 W ! La classique 1/4

W ne résisterait pas longtemps à la chaleur, et une 1/2 W serait trop limite aussi et vieillirait très vite ! Un conseil pour ce cas précis : montez deux résistances de 2700 ohms/ 0,5 W en parallèle (ou deux résistances de 690 ohms / 0,5 W en série) pour répartir et faciliter la dissipation thermique.

Alimenter deux LED différentes avec la même source d'alimentation

Alimenter simultanément deux LEDs différentes, par exemple une rouge et une bleue, avec la même source d'alimentation, peut sembler à première vue curieux. Mais pourquoi cela serait-il curieux après tout ? Tomberions-nous subitement sous le coup de la censure sur l'expérimentation ? Songez simplement à une réalisation quelconque, où vous avez prévu de visualiser à l'aide de voyants, la mise en ou hors service de plusieurs fonctions individuelles. Un exemple ? Des effets audio chainés les uns aux autres, et que vous pouvez individuellement activer ou désactiver. Et pour voir quel effet est en service, vous désirez ajouter une LED pour chaque effet, qui s'allume quand l'effet est actif. Vous bénéficiez de contacts libres sur des relais ou sur des interrupteurs, et souhaitez tout naturellement les exploiter pour allumer ou éteindre les LEDs. Très bonne idée. Et pour une raison qui est la votre, vous décidez de n'utiliser qu'une seule résistance de limitation de courant pour toutes les LEDs, en vous disant que quand toutes les LEDs sont allumées en même temps on perd un peu en luminosité mais que c'est acceptable. Ce qui donne un schéma de câblage équivalent au suivant.



J'allume la LED rouge D1 en activant SW1. Chouette, ça fonctionne. J'éteint D1 et j'actionne SW2. Chouette, la LED bleue D2 s'allume ! J'actionne SW1 et SW2... ah bah ça, une seule LED s'allume normalement et l'autre s'allume très faiblement, ou alors une seule des deux s'allume, et encore, un tout petit peu ! 



Ce comportement est tout à fait normal, et est lié à la tension de service des LEDs, qui n'est pas la même pour une LED rouge et pour une LED bleue. Afin de permettre un allumage correct des deux LEDs quand les deux sont activées en même temps, il faut les isoler l'une de l'autre, en leur attribuant à chacune leur propre résistance de limitation de courant, comme le montre le schéma suivant.



En procédant ainsi, la chute de tension d'une LED n'est plus "vue" par l'autre LED, et les deux travaillent sans embêter l'autre.



Remarques 
- La valeur de 510 ohms attribuée aux résistances R1 et R2 dans les exemples qui précèdent, est tout à fait arbitraire et permet d'avoir un courant compris entre 10 mA et 20 mA dans les LED. Vous avez tout à fait le droit de choisir d'autres valeurs pour assurer un éclairage plus ou moins fort de chacune des LED. Avantage justement permis par la présence d'une résistance individuelle par LED. 

- L'exemple montre deux LED, mais le principe est identique pour trois LED ou plus.

- Mettre une résistance individuelle par LED est fortement recommandé même si les LED sont de même type et proviennent de la même série de fabrication. On ne peut mettre une seule résistance que quand une seule LED est allumée à la fois.

- Il n'est pas obligatoire de mettre plusieurs résistances quand les LED sont montées en tête-bêche (inversées), mais cela peut être tout de même conseillé pour équilibrer les luminosités de chacune (voir page Indicateur polarité 001).

Alimentation en basse tension alternative

Les deux schémas ci-dessous montrent comment alimenter une LED à partir d'une tension alternative basse tension. Le premier schéma utilise une diode en série avec la LED, afin de bloquer les alternances négatives qui risquent de griller la LED (une LED ne supporte pas une tension inverse très élevée). Comme la diode ajoutée occasionne une chute de tension de 0,6V dans le mode passant, c'est à dire justement quand la LED va s'allumer, il faut tenir compte de cette chute de tension dans le calcul de la valeur de la résistance R1. Pour dire autrement, cette résistance devra chuter 0,6V de moins. Donc sa valeur sera plus faible qu'elle ne l'aurait été sans la présence de la diode.



Exemple : avec une tension alternative de 12 V efficace, la tension crête est de 16,9 V (12 * 1,41). Pour une LED présentant une chute de tension directe de 3 V, la résistance R1 devra chuter une tension de  16,9 - 0,6 - 3 =  13,3 V. Pour un courant de 20 mA, la résistance fera R = U/I =  13,3 / 0,02 = 665 ohms (valeur normalisée la plus proche au dessus : 690 ohms).

Le schéma qui suit est une variante. Là, la diode D2 est montée en parallèle sur la LED, mais en inverse. Elle conduit lors des alternances négatives, la tension inverse de la LED ne dépassera donc jamais 0,6 V et ne risque donc pas de griller. Notez que dans ce schéma, vous pouvez utiliser une LED en remplacement de la diode D2. Dans ce cas, les deux LEDs s'allumeront alternativement à chaque changement d'alternance de la tension d'alimentation (s'il s'agit d'une tension alternative de 50 Hz, il se peut que vous observiez un petit scintillement).



Attention ! Vous ne devez pas utiliser les deux schémas précédents avec une tension alternative de valeur élevée ! La limite supérieure raisonnable est de 24 V~ (pensez à la dissipation thermique de la résistance).

Témoin de tension secteur alternative

Hors de question ici d'utiliser une résistance pour limiter le courant dans une LED et assurer la chute du surplus de tension !!! Pourquoi ? Faisons rapidement le calcul de la résistance qu'il faudrait utiliser, en s'aidant de la formule précédente, et en sachant que la tension crête du secteur est 325 V (230 V correspond à la valeur efficace, il faut la multiplier par racine de 2).

R = (325 - 2) / 0,02 = 16150 ohms
P = (323 x 323) / 16150 = 6,5 Watts

Ouula ! ca fait une grosse résistance pour une simple LED, vous ne trouvez pas ? Et même en choisissant un courant de 10 mA au lieu de 20 mA, vous devriez tout de même utiliser une résistance capable de dissiper une puissance d'au moins 3W. Il doit bien exister une façon plus élégante de parvenir à nos fins, non ? Et si nous regardions un peu le schéma qui suit...



Premier constat : aucune résistance de puissance, la résistance R1 de 10 ohms semble avoir une valeur bien faible et de surcroit il s'agit d'une simple 1/4 W. Autre constat : la présence d'un condensateur... en série ! Et pour couronner le tout... la présence d'une diode zener ! Si ce montage n'est pas trop complexe en soit, on a tout de même de quoi se poser des questions, non ? Oui, alors allons-y tranquillement. Le condensateur C1 est utilisé ici pour limiter le courant dans la LED, de sa valeur dépendra la valeur max de ce courant. Avec un condensateur de 100 nF, le courant est de l'ordre de 4 mA à une fréquence de 50 Hz (ce courant serait différent à une autre fréquence). Avec un condensateur de 470 nF, le courant est proche de 20 mA (toujours à 50 Hz). Quant à la diode zener, elle joue deux rôles pour le prix d'un : 

- lors des alternances négatives de la tension secteur, elle permet de limiter la tension inverse de la LED à une valeur de 0,6 V (chute de tension de la zener en direct, qui est la même que la chute de tension d'une diode classique), sachant qu'une tension supérieure à 3 V est fatale pour certaines LEDs (tiens, quand on y pense, avec une simple résistance en série, la LED aurait tenue bien peu de temps...),

- lors des alternances positives de la tension secteur, elle permet de limiter la tension directe de la LED à une valeur de 2,7 V. Notez que cette tension de zener est adaptée aux LEDs standards, mais qu'elle peut se révéler trop juste pour des LEDs hautes luminosités, dont la tension de fonctionnement peut être de 3,0 V ou 3,6 V. Pour ces dernières, vous devrez utiliser une diode zener de respectivement 3,3 V ou de 3,9 V. 

La résistance R1 n'a finalement pour rôle que de limiter le courant lors de l'apparition de la tension secteur, car quand le condensateur C1 est déchargé, il se comporte brièvement comme un court-circuit.

Le schéma précédent est bien pour la théorie, où l'onde secteur démarre pile poil à 0V au moment de la mise sous tension. Mais en pratique, vous vous doutez bien que la valeur de la tension secteur qui va être appliquée au montage au moment de la mise sous tension, n'est pas prévisible et peut tout aussi bien être de 0V que de 311V. Ce n'est forcement pas la même chose, surtout quand le condensateur série C1 est déchargé, ce qui peut occasionner un belle pointe de courant dans la zener ou dans la LED, selon la polarité de l'alternance. Cette pointe de courant, qui dépasse allégrement l'ampère pendant quelques 100 us à 150 us, n'est pas destructrice ni pour la LED ni pour la zener, car elle est très brève. Mais un vieillissement prématuré peut toutefois être craint. Si vous acceptez quelques composants supplémentaires, comme le montre le schéma qui suit, vous rendrez votre montage plus fiable.



Dans ce dernier schéma en effet, une limitation de courant plus conséquente est mise en oeuvre, qui agit même dans le pire des cas (mise sous tension au moment où l'onde secteur atteint son max). La LED et la zener fatigueront moins vite. Le schéma qui suit comporte moins de composants et est aussi sûr.



Les deux circuits précédents, bien qu'assez fiables, présentent un tout petit inconvénient : on observe un léger scintillement de la LED, dû au fait que seule une alternance sur deux de l'onde secteur est utilisée pour l'allumer. Pour éviter ce petit défaut, qui n'est pas forcement toujours gênant, il faut effectuer un redressement double alternance.

Remarques
- Je vous ai peut-être fait un peu peur en vous disant qu'il était hors de question d'utiliser une résistance unique, à la place du condensateur C1. Mais vous pouvez tout de même le faire, à la condition expresse que la chaleur dégagée par la résistance soit parfaitement réalisée. Et n'oubliez pas la diode en série ou en tête-bêche pour limiter la tension inverse de la diode...

- J'ai eu quelques retours de la part de personnes ayant réalisé ce montage avec des LEDs actuelles : dans certains cas, l'emploi d'une résistance de 220 ou de 470 ohms au lieu d'une résistance de 10 ohms est nécessaire pour un fonctionnement correct. Je n'ai pas encore essayé ce montage avec des LEDs haute densité (uniquement testé avec des LEDs "anciennes").

Alimentation d'une LED sous une tension continue moyennement élevée

Si la tension d'alimentation continue est élevée, la résistance série de limitation de courant en série avec la LED va devoir chuter une tension importante, et créer une dissipation de puissance en conséquence. Une solution simple pour limiter la dissipation thermique consiste à ajouter une ou plusieurs diodes zener en série avec la LED. Le schéma qui suit montre un exemple où une LED est alimentée à partir d'une source de tension continue de 48 V. 



Deux diodes zener D1 et D2 de respectivement 24 V et 20 V occasionnent une chute de tension de 44 V, ce qui laisse 4 V pour la LED D1 et sa résistance série R1. Mais la dissipation thermique dans les diodes zener n'est pas nulle et doit être prise en compte. Par exemple, la diode zener de 24 V, si elle est parcourue par un courant de 20 mA, doit dissiper une puissance Pd1 de 

Pd1 = 24 * 0,02 = 0,48 W

Et la diode zener de 20 V, pour un même courant traversant, va dissiper une puissance Pd2 de

Pd1 = 20 * 0,02 = 0,40 W

Les diodes zeners les plus courantes sont de type 400 mW ou 1,3 W, on voit ici que l'on doit impérativement prendre des modèles 1,3 W. Si on tient à utiliser des diodes zener de 400 mW, on peut en choisir dont la tension zener est moindre, par exemple 15 V. Dans ce cas, la puissance dissipée dans chaque diode redescend à 

Pd = 15 * 0,02 = 0,3 W

et le modèle 400 mW suffit.

Bien sûr, diminuer la chute de tension dans les zener conduit à augmenter celle aux bornes de la résistance. Dans le cas présent, R1 va devoir posséder une valeur plus élevée, répondant à la formule suivante :

R1 = (48 - 15 - 15 - 2) / 0,02 = 800 ohms (en pratique on prendra une 820 ohms)



Nous avons dance ce cas dans R1 une dissipation de puissance Pr1 de
Pr1 = 16 * 0,02 = 0,32 W

R1 doit donc être un classique modèle de 1/2 W.

Témoin d'une tension continue variable

Version à transistor FET

Et si la tension d'alimentation (continue) varie, comment déterminer alors la valeur de la résistance série ? Et bien tout dépend de la plage de variation. Si elle est faible (de l'ordre de 2 ou 3 volts), il suffit de calculer la résistance pour la valeur de tension la plus élevée. L'éclairement sera plus faible pour la plus faible valeur de tension, mais au moins, il n'y a aucun risque pour la LED. Si la variation de tension est grande, il faut avoir recours à un générateur de courant constant, qui garantira un fonctionnement correct sur l'ensemble de la plage de variation. Pour information, le générateur de courant constant est entre autre utilisé dans certains circuits vumètres à LEDs afin de garantir un éclairement constant de chaque LED quelque soit le nombre de LEDs allumées. Le schéma présenté ci-dessous permet d'allumer une LED avec une tension comprise entre 5 et 30 volts, et ce sans changer aucun composant !



Le transistor à effet de champs (FET) BF244 est câblé en générateur de courant constant, sa Grille étant reliée à sa Source. C'est ce petit détail qui rend le montage aussi simple. Essayez d'effectuer la même fonction avec un AOP ou même avec un transistor bipolaire... Ce FET pourra être remplacé par un BF256C, d'autres modèles devraient également parfaitement convenir. Selon le FET que vous choisirez, le courant pourra varier un peu mais restera dans des valeurs tout à fait compatibles avec une LED (entre 10 et 20 mA). La diode 1N4148 est facultative, elle permet de protéger le montage en cas d'inversion de polarité. Si vous ne la câblez pas et que le montage est de type baladeur (testeur de tension portable), faites bien attention de ne pas vous tromper dans le branchement. Ou alors jetez un oeil à ce testeur d'alim 1.

Version à transistors bipolaires

Bon, je vois bien qu'il y en a qui font la moue à cause du transistor FET. Les mêmes que ceux qui rechignent devant les selfs, n'est-ce pas ? Alors voici un autre montage assurant la même fonction, mais avec des transistors bipolaires, qui font moins peur. Ah bah oui, c'est un peu plus compliqué, on vous avait prévenu ! Enfin, ce n'est tout de même pas la mer à boire. 



Notez pour commencer que la plage d'alimentation acceptée en entrée est un peu plus réduite que pour le montage à FET précédent. Cela est lié au fait que le courant circulant au travers de la LED varie un peu plus en fonction de la tension d'alimentation. Ainsi, pour la plage donnée de 5V à 24V, le courant de LED varie entre 15 à 22 mA environ. Il serait possible de "pousser" encore un peu la tension d'alim vers le haut, mais le courant traversant la LED pourrait alors commencer à devenir potentiellement dangereux pour elle, et la tension aux bornes de R2, augmentant sensiblement, commencerait à la faire chauffer sérieusement (exemple avec 60V : chute de tension de 58V sur R2, dissipation d'environ 1,5W par cette dernière). Sans parler de la dissipation de puissance que doit accuser le transistor Q1 (1,2W pour 60V) et de la tension max pouvant être appliquée entre collecteur et émetteur (50V pour un 2N1711, que j'ai testé jusqu'à 48V). Alors mieux vaut s'en tenir aux valeurs données ici. Les transistors BC548 pourront sans inconvénient être remplacés par d'autres transistors d'usage courant tels les BC107, BC237, 2N2222, etc. Une remarque tout de même : ne soyez pas étonné si le transistor Q1 chauffe un peu pour une tension d'alim élevée : c'est en effet lui qui se paye le luxe de "retenir" la tension qui ne va pas sur la LED.

Oh ! et puis pendant qu'on y est... si on regardait un peu comment ça fonctionne ? Et bien c'est très simple, nous sommes ici en présence d'un générateur de courant constant : le transistor Q2 présente une chute de tension de l'ordre de 0,7V entre sa base et son émetteur. Cette tension varie peu car le transistor fonctionne dans son régime de saturation. C'est une des caractéristiques des transistors bipolaires, facilement compréhensible quand on sait que la jonction Base-Émetteur (idem pour Base-Collecteur) n'est ni plus ni moins qu'une jonction semi-conductrice de type diode. La résistance R1 a une valeur fixe, la tension à ses bornes est (relativement) fixe elle aussi, donc le courant qui la traverse est (relativement) fixe. Ce courant peut facilement être calculé, selon la toujours aussi célèbre formule U = R x I ou I = U / R. Avec R1 = 39 ohms, on en déduit que le courant sera de I = 0,7V / 39, soit 18 mA environ. Et c'est ce même courant (à un chouilla près) qui traverse la LED.

Bien entendu, vous pouvez faire le calcul à l'envers, pour chercher la valeur de R1 en fonction du courant désiré : vous voulez 10 mA ? Et bien soit, cela donne R = U / I = 0,7 / 0,01 = 70 ohms (que l'on arrondit à 68 ohms). Si ce schéma vous donne du fil à retordre pour le comprendre (c'est souvent le cas des montages qui se mordent la queue), imaginez un instant que le transistor Q2 n'existe pas. On se retrouve alors avec un transistor Q1 monté en émetteur commun, avec sa résistance d'émetteur R1 et sa résistance de base R2. Si on applique une tension suffisante sur la base du transistor Q1 (au travers de R2), le transistor conduit et un courant circule dans son circuit d'émetteur et de collecteur. Ce courant sera approximativement égal à (Ualim - Uled) / R1. Si la tension d'alimentation augmente, le courant dans R1 augmente, sans aucune limite. Si maintenant on met en place le transistor Q2 avec sa jonction base-émetteur sur R1, ce transistor va conduire dès l'instant où la tension aux bornes de R1 est suffisante (environ 0,7V), et continuera de conduire tant que cette tension sera de 0,7V ou plus. Comme cette tension base-émetteur ne bougera quasiment pas et restera d'environ 0,7V, le courant dans R1 est constant et limité. Le surplus de courant lié à l'augmentation de la tension d'alimentation est absorbé par le transistor Q2 (dans la liaison émetteur-collecteur, pour laquelle la chute de tension reste d'environ 1,4V à 1,5V quelque soit la tension d'alim) et par la résistance R2.

Une légère modification du circuit permet l'alimentation de deux branches de trois LEDs chacune, avec un courant de l'ordre de 20 mA dans chacune des branches :



La résistance R1 de 39 ohms a été remplacée par une résistance de 18 ohms pour assurer une régulation du courant global non plus de 18 mA mais de 40 mA. Les résistances R3 et R4 de 1 ohm sont destinées à répartir équitablement le courant dans les deux branches de LEDs. Du fait de la chute de tension plus grande occasionnée par les LEDs en série, la tension d'alimentation minimale du circuit n'est plus de 5 V, mais de 12 V.

J'ai utilisé ce type de générateur de courant constant pour mon projecteur à LEDs 2.
Cela fonctionnait bien aussi avec R1 à 12 ohms et pour trois branches de LEDs.

Version à régulateur de tension intégré

Il est tout à fait possible d'utiliser un régulateur de tension intégré de type 78L05 (identique au 7805 mais en boitier TO92 pour 100mA max en sortie) pour réaliser une fonction similaire. Il suffit simplement d'insérer une résistance entre patte de sortie (Vo) et patte de masse (Gnd) du régulateur. 



Comme la tension entre les deux pattes Vo et Gnd est constante (toujours 5 V pour un 7805, toujours 12 V pour un 7812), et que la résistance (R1) à elle aussi une valeur constante (enfin on l'espère), cela produit tout naturellement un courant constant, dont la valeur sera déterminé par la célèbre formule... Vous, au fond de la salle, vous me la rappelez, s'il vous plait ? I = (U/R) ? Bien ! Notez l'obligation d'une tension d'au moins trois volts supérieure à la tension de sortie régulée du circuit intégré, afin que ce dernier travaille correctement (sauf si bien sûr vous utilisez des régulateurs de tension à faible chute de tension). On va un peu moins bas dans la plage de tension supportée, mais on va aussi un peu plus haut. A vous de choisir, maintenant !

Alimentation d'un grand nombre de LEDs

La venue des LEDs haute luminosité donne envie à beaucoup (j'en fais partie) de se constituer des petits projecteurs, des "ampoules" 230V ou de larges panneaux d'affichage. Si une seule LED ne demande pas beaucoup d'énergie, ce n'est plus la même chose quand on assemble plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de LEDs, et il faut réfléchir à la façon de les assembler. En série ? En parallèle ? En série et en parallèle ?

En série

Cela est éventuellement réalisable si le nombre de LEDs est modeste, disons pas plus de six. Une LED haute luminosité peut demander une tension de 3,6V pour fonctionner de façon nominale, ce qui pour dix LEDs, demande tout de même 36V. Vous imaginez aisément je pense, le problème de la tension d'alimentation si l'on doit mettre plus de 10 LEDs en série...


Méthode de câblage déconseillée

En parallèle

Là, pas de problème de tension, mais pour ce qui est du courant... Pour une LED standard ou haute luminosité fonctionnant sous 20 mA, la mise en parallèle de dix LEDs demande une alimentation capable de débiter au moins 200 mA. Ce qui n'est pas négligeable, surtout si l'on pense à la puissance que devra dissiper la résistance de limitation de courant. Pour 100 LEDs, ça monte à deux ampères. En toute franchise, ça ne me semble pas très raisonnable. Il n'y a pas que le problème du courant total demandé; les LEDs ne sont pas toutes rigoureusement identiques, et l'éclairage ne sera pas forcement homogène sur l'ensemble des LEDs. En d'autres termes, certaines peuvent éclairer beaucoup plus que d'autre (répartition inéquitable des courants).


Méthode de câblage déconseillée

En série et en parallèle

C'est une solution élégante, qui permet de travailler avec des tensions et des courants raisonnables, et que j'ai adoptée pour mon lampadaire multicolore, pour mon projecteur à LEDs 1 et projecteur à LEDs 2, ainsi que pour l'éclairage à LEDs 002 (feux stop pour moto). Limiter le nombre de LEDs en série permet de limiter la baisse de luminosité globale en cas de défaillance d'une LED. Jetez un oeil sur les feux tricolores et sur les personnages verts et rouges des passages pour piéton, et observez de près ceux qui ne s'allument pas complètement. Vous vous rendrez compte que c'est cette méthode qui est utilisée quand ces éclairages sont à LEDs. Autre avantage du mode série / parallèle : mélange plus aisé de LEDs ayant des tensions de fonctionnement différentes.


Méthode de câblage conseillée

Luminaire à LEDs ?

La mode invite à mettre des LEDs partout. Ca travaille en basse tension, ça consomme peu, et ça peut sacrément épater la petite amie. Si l'envie vous prend de réaliser un luminaire avec des LEDs blanches ou bleues dont la tension de service est supérieure à 3 volts (genre 3,15 V ou 3,6V), vous pourriez être tenté de relier les LEDs par branches de deux en série, sans résistance de limitation de courant, avec une tension d'alimentation générale de 6V, comme le montre le schéma suivant.



Les LEDs vont bien briller, sans griller. Pourquoi ne grillent-elles pas instantanément ? Parce que la tension appliquée sur chacune d'elle est de 3 V, donc inférieure à la tension de service nominale spécifiée par le fabricant. Super ! on peut donc adopter ce principe pour beaucoup de situations, il suffit d'utiliser une tension d'alim légèrement inférieure à la tension nominale de la LED et on économise ainsi une ou plusieurs résistances. Oui mais... imaginons qu'une LED soit un peu différente des autres, et que sa tension nominale réelle soit inférieure à celle à laquelle on s'attend (différences de lots ou de constructeurs). Ou imaginons encore une défaillance de l'alimentation secteur, qui au lieu de sortir 6V, se met à sortir 9V (de la science fiction ? Cela m'est arrivé deux fois avec des alims régulées du commerce, dont une a grillé mon baladeur CD...). Vous voulez toujours jouer avec le feu ? Je vous conseille très vivement de placer une résistance série, même si elle doit être de très faible valeur, par exemple entre 1 ohm et 10 ohms. Les LEDs brilleront un poil moins fort (même pas sûr que vous voyez la différence), mais vous vous poserez moins de questions quant à leur durée de vie.



Remarque : je connais une personne (juste par échanges mail) qui a construit des luminaires de cette façon, sans mettre de résistances série de limitation de courant. Les luminaires fonctionnaient bien, même après plusieurs jours de marche. Mais la réalisation d'un tel objet, généralement très joli à voir, donne envie que les choses durent longtemps. La prudence s'impose donc, et je lui ai conseillé d'ajouter des résistances ;-)

Multiplexage

L'allumage d'une ou plusieurs LEDs parmi une grande quantité peut engendrer une consommation électrique importante. Pour résoudre ce problème, mieux vaut adopter la méthode du multiplexage plutôt que de s'orienter vers une alim de PC....

Régler la luminosité d'une LED avec un potentiomètre ?

Vous pourriez bien un jour avoir l'envie de rendre variable l'intensité lumineuse d'une ou de plusieurs LEDs. Solution = un simple potentiomètre ? Hum... pas si sûr. Voyons voir avec un exemple pratique, où l'on dispose d'une source de tension de +12 V et de trois LEDs haute luminosité qui chacune réclame 3,6 V pour fonctionner au "régime maximum". Entre la source de tension de 12 V et les LEDs montées en série, on insère un potentiomètre pour ajuster le courant qui circulera dans les LEDs, tel que le montre le schéma de gauche ci-après (ah, il y a du rouge, ce n'est pas bon signe).

Câblage fortement déconseillé !

Avec un montage de ce genre, le potentiomètre présente en position minimale, une résistance proche de zéro ohm. Le courant dans les LEDs est alors maximal et sans aucun doute trop important, au point de les griller instantanément.

Câblage convenable

En ajoutant une résistance talon, le courant dans les LEDs peut être limité à une valeur maximale, même si le potentiomètre est en position minimale (résistance proche de zéro ohm). Dans ce cas, pas de risque de destruction des LEDs.

 

Comment calculer la valeur du potentiomètre et de la résistance ?

En tenant compte du courant maximal et du courant minimal à faire circuler dans les LEDs. Le courant circulant dans les LEDs est à son maximum quand le potentiomètre est en position minimale. Il faut donc effectuer le calcul comme si ce dernier n'existait pas ! En d'autres termes, calcul basique comme indiqué en début d'article. Exemple pour un courant maximal de 20 mA : 

Tension à faire chuter U = 12V - (3 x 3,6V) = 12V - 10,8V = 1,2 V. 

Pour un courant I de 0,020A, il faut une résistance de R = U / I = 1,2 / 0,02 = 60 ohms.

Même procédé pour le calcul de la valeur du potentiomètre, où nous décidons d'un courant minimal de 2 mA.

Pour un courant I de 0,002A, il faut une résistance de R = U / I = 1,2 / 0,002 = 600 ohms.
Comme il y a déjà la résistance talon en série avec le potentiomètre, nous soustrayons la valeur de cette résistance, et nous obtenons

Valeur potentiomètre = 600 - 60 = 540 ohms.

En pratique, nous prendrons un potentiomètre de 1K (on ne trouve pas de valeur de potentiomètre entre 470U et 1K) et une résistance de 56 ohms (ou deux résistances de 120 ohms en parallèle).

Remarque : un potentiomètre (auquel on ajoute une résistance, ne l'oubliez pas) permet bien de régler l'intensité lumineuse d'une ou plusieurs LEDs, mais ce n'est pas une solution très élégante, car il faut aussi tenir compte de la puissance qu'il va devoir dissiper. Pour une petite chute de tension et un courant assez faible, passe encore. Mais pour des valeurs de tension et de courant élevées, la puissance à dissiper pourra ne plus être négligeable pour certaines positions de l'axe, et le potentiomètre peut tout simplement rougir, fumer et griller (croyez-moi, je sais de quoi je parle). Il est plus "professionnel" d'avoir recours soit à un montage générateur de courant variable, soit à un montage à base d'oscillateur PWM ou MLI. Mais il est certain que pour un amateur qui ne veut pas s'embêter (c'est moi tout craché) et/ou qui n'a pas trop de moyens financiers, un potentiomètre constitue une solution bien simple...

Exemple avec générateur de courant variable (mis en pratique dans mon gradateur de lumière 6) :



Je trouve que la courbe de variation de luminosité est plus agréable avec un potentiomètre logarithmique (pour RV1), mais vous pouvez bien sûr utiliser un potentiomètre linéaire.

Commande d'une LED par un transistor

L'utilisation d'un transistor additionnel se justifie quand on veut commander une LED à partir d'un courant faible, insuffisant pour commander la LED directement. Il peut aussi être justifié quand la tension utilisée pour la LED est supérieure à la tension du circuit de commande. Le transistor est alors utilisé comme un interrupteur commandé, dont le courant de commande peut être 100 fois ou 10000 fois inférieur au courant requis pour une luminosité normale de la LED. Ainsi, pour une LED classique consommant 20 mA, on peut se contenter d'un courant de commande de seulement quelques micro-ampères ou dizaines de micro-ampères. Les schémas qui suivent montrent un exemple de mise en oeuvre d'un transistor NPN (de type 2N2222) et d'un transistor PNP (de type 2N2907), dans deux circuits différents mais assurant exactement la même fonction. Avec le transistor NPN, la LED s'allume pour une tension de commande positive, et elle s'éteint pour une tension de commande nulle. Avec le transistor PNP, la LED s'allume pour une tension de commande nulle, et elle s'éteint pour une tension de commande positive.

alim_led_008

Valeur de la résistance de collecteur Rc

La valeur de cette résistance (Rc = R3, R6, R9 ou R12) doit être calculée en fonction de la tension utilisée pour la LED, et de son courant nominal.

Rc = (Ualim - Uled - VCEsat) / Ic
Ualim = tension d'alimentation (+5V dans les exemples précédents)
Uled = tension nominale de la LED (2V par exemple)
VCEsat = tension de saturation, entre collecteur et émetteur du transistor (par exemple 0,2V ou 0,4V)
Ic = courant de collecteur du transistor = courant dans LED (par exemple 20 mA)

Remarque : pour ma part, je néglige toujours la tension de déchet VCEsat, qui reste faible devant la tension d'alim. Bien entendu, en la négligeant, j'accepte d'obtenir un courant moins important dans la LED, par rapport à celui obtenu par calcul. Mais bon, entre 18 mA et 20 mA, je ne fais pas la différence, et ça simplifie les formules. Je me contente de penser que la jonction C-E du transistor est un bête interrupteur, et cela permet de calculer la résistance de limitation de courant dans la LED comme je le fais avec une simple résistance en série avec une LED (voir tout début de page).

Valeur de la résistance de base Rb

La valeur de cette résistance (Rb = R1, R4, R7 ou R10) doit être calculée en fonction de la tension de commande et en fonction du gain du transistor, et doit être telle que le transistor fonctionne en saturation.

Rb = (Ucde - VBE) / Ib

Ucde = tension de commande (ici +5 V ou 0 V)

VBE = tension entre émetteur et base du transistor, en mode saturation (par exemple 0,6 V ou 0,8 V)

Ib = courant de base du transistor = courant de collecteur / gain du transistor (par exemple 20 mA / 100)

Rôle des résistances R2, R5, R8 et R11

Ces résistances ne sont pas toujours nécessaires et dans bien des cas on peut s'en passer. Leur utilité se fait sentir quand le circuit de commande (situé avant le transistor) produit un état logique bas dont la tension n'est pas nulle et suffisante pour faire conduire le transistor. C'est le cas de beaucoup d'amplificateurs opérationnels, dont la tension minimale, appelée tension de déchet, peut atteindre plusieurs centaines de mV voire dépasser le volt. Les résistances en question se chargent alors d'écouler vers la masse une partie du courant faible mais suffisant pour faire conduire le transistor. On a ainsi l'assurance que le transistor ne conduira que quand la commande sera vraiment à un "vrai" niveau logique haut. Avec des portes logiques comme commande, ces résistances peuvent généralement être omises.

Lampes et guirlandes à LED alimentées en alternatif

Les ampoules et guirlandes à LED basse tension qu'on trouve dans le commerce s'alimentent parfois sous une tension alternative, par exemple 12 Vac ou 24 Vac. Or une LED s'alimente sous une tension continue. Que faire donc si on dispose d'un tel système d'éclairage et que la seule source de tension dont on dispose est de type continue et provient d'un ensemble de piles ou d'une batterie 12 V de voiture ? Y a-t-il danger pour les LED ? A priori non, puisque la tension alternative prévue pour ces systèmes d'éclairage n'arrive pas telle quelle directement aux LED. Soit il y a un pont redresseur qui "route" le sens du courant, soit les LED sont câblées en deux sous-groupes inversés (tête-bêche). Dans ce second cas, le fait d'appliquer une tension alternative allume le premier groupe de LED quand l'alternance de la source de tension est positive, et allume le second groupe de LED quand l'alternance de la source de tension est négative. En clair et dans ce cas précis, appliquer une source de tension continue au lieu de la source de tension alternative attendue provoquera l'allumage de la moitié des LED seulement. La moitié qui s'allumera dépendant de la polarité (sens de branchement) de la source de tension continue. Si par un quelconque hasard quelqu'un vous demande comment allumer entièrement une guirlande de LED fonctionnant normalement sous 24 Vac en utilisation nomade (piles dans la poche), deux solutions :

- soit recâblés l'ensemble des LED dans le même sens;

- soit fabriquer un convertisseur de tension continu / alternatif, ce qui n'est pas très compliqué car ici un signal de forme rectangulaire et non sinus fait parfaitement l'affaire !

Les LED dans les montages alimentés par pile

Nombreuses sont les personnes qui désirent se fabriquer des petits montages fonctionnant sur pile. Musiciens qui souhaitent se monter une pédale d'effet, par exemple... Et ce qu'on aime bien avec les montages à pile, c'est qu'ils soient peu consommateur d'énergie et que la pile dure longtemps. Alors n'est-il pas dommage d'utiliser une LED qui consomme 20 mA pour attester la bonne mise en marche d'un système alimenté par une bête pile rectangulaire de 9V (6F22 pour les intimes) qui ne consomme lui-même que 2 mA ? Alors que faire ? Retirer toute LED existante, ou ne pas en mettre dès le départ ? Ce serait dommage, avouez-le bien... Une LED faible consommation, peut-être ? Bravo, c'est une bonne réponse ! Mais avant de s'y arrêter, discutons un peu... Après avoir expérimenté de nombreux montages ces dernières années, j'ai fait le constat suivant : les LEDs faible consommation ne représentent pas forcément le seul choix possible pour ce genre de situation... Certaines LEDs standards, aussi curieux que cela puisse paraître, présentent une illumination fort honorable pour un courant aussi faible que 1 mA (au lieu des 20 mA préconisés par le constructeur). Mauvaise nouvelle : ceci n'est pas généralisable, certaines LEDs ne donnent aucune lumière à 5 mA. Alors que faire ? Des essais !!! Regardez ce que donne une LED standard alimentée sous 9V avec une résistance de 4,7K ou de 5,1K, et voyez ce que cela donne. Si ce n'est pas concluant, descendez la valeur de la résistance à 3,3K, voir 2,7K ou 2,2K. Si cela fonctionne ainsi, ce sera toujours ça de gagné !

Remarque : j'ai eu entre les mains, un lot de LEDs haute luminosité bleues (3,6V / 20 mA) qui s'allumaient (moyennement certes mais tout de même) avec une résistance série de 10K et avec une pile 9V, soit un courant traversant de 500 uA. Mieux encore : des LEDs vertes haute luminosité (20000 mcd) achetées pour mon oscilloscope à LEDs 001, qui s'allumaient avec pour résistance série mon propre corps (résistance entre mes deux mains) :



Câblage réalisé : cathode de la LED entre le pouce et l'index de la main gauche, anode de la LED sur le pôle + de la pile 9V, et index de la main droite sur pôle moins de la pile. La photo n'est pas truquée, la LED s'éclaire réellement de façon très nette. Suite à ce constat, j'ai inséré une résistance de 470 ohms dans le "circuit" (valeur volontairement faible devant la résistance du corps humain) et ai mesuré la tension à ses bornes, afin de déterminer le courant qui y circulait : résultat = 4,5 mV. Sur 470 ohms, cela donne à la louche 10 uA, pour une résistance entre mes deux mains évaluée à 700 KO environ. Vous qui aviez l'habitude de mettre une résistance de quelques centaines d'ohms en série avec une LED, ça ne vous fait pas bizarre de vous dire qu'une résistance de 100 KO peut convenir ? 

 

 

 

 

 

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