Utiliser des résistances en série avec des LED est un processus relativement simple, mais cela nécessite quelques connaissances de base sur la LED elle-même ainsi qu’un peu de mathématiques pour limiter le courant direct traversant la LED à un niveau sûr.
Utilisation des résistances en série avec des LED
Une diode électroluminescente s’illumine dès qu’un courant commence à la traverser, donc une résistance LED en série est nécessaire pour limiter le courant. Cette résistance en série crée un réseau de diviseur de tension avec la LED, permettant à celle-ci de fonctionner en toute sécurité.
De nos jours, les diodes électroluminescentes sont omniprésentes et constituent une partie importante de nombreux dispositifs et circuits optoélectroniques. Cela est principalement dû à leur faible consommation d’énergie et au fait qu’elles peuvent produire une lumière colorée d’une haute luminosité à des niveaux de tension faibles.
Les LED organiques sont maintenant utilisées avec succès dans des affichages couleur complets dans les caméras numériques, les téléphones portables, les autoradios, les télévisions et les moniteurs d’ordinateur. Cependant, pour qu’une LED fonctionne correctement, une résistance LED est nécessaire.
Les diodes électroluminescentes, ou LED pour faire court, sont des dispositifs électroluminescents à état solide fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs dopés tels que le phosphure de gallium, le phosphure d’aluminium-gallium-indium ou le phosphure d’arséniure de gallium, leur permettant de produire une large gamme de différentes lumières colorées, telles que : rouge, vert, orange et jaune.
La lumière produite par toute LED n’apparaît que lorsque la jonction p-n de la diode est polarisation directe, permettant à un courant électrique de passer à travers. Ainsi, pour produire de la lumière, la connexion Anode de la diode doit être plus positive par rapport à sa connexion Cathode négative.
En effet, comme une LED est construite de manière similaire à une diode redresseuse conventionnelle avec deux connexions, le courant électrique ne peut circuler que de son côté p (anode) vers son côté n (cathode), mais pas dans sa direction inverse. Notez que la connexion la plus longue d’une LED est la connexion positive (anode), tandis que la plus courte est la connexion négative (cathode).
Étant donné que la diode électroluminescente a des caractéristiques I-V électriques presque identiques à celles d’une diode à jonction pn, le type et l’intensité de la lumière émise dépendent des caractéristiques de courant et de tension de la diode électroluminescente particulière utilisée. En général, les LED les plus couramment disponibles nécessitent une tension directe, VF, comprise entre 1.8 et 3.6 volts, avec une intensité de courant direct, IF, d’environ 8 à 30 milliampères (mA) pour produire de la lumière.
De toute évidence, à la fois la tension de fonctionnement directe et le courant direct varieront en fonction du matériau semi-conducteur dopé utilisé pour produire le spectre de lumière colorée requis. Mais en règle générale, une plage de courant direct de 10 à 20 mA est la plus courante pour laquelle elles sont conçues pour fonctionner en toute sécurité.
Le circuit électrique le plus simple que nous puissions créer pour alimenter une LED est une source de batterie à faible tension avec une résistance appropriée en série avec une LED, comme montré.
Circuit Simple de Résistance LED
Nous avons dit précédemment qu’une LED émet de la lumière depuis sa jonction pn lorsque le courant électrique la traverse. La quantité de lumière émise est généralement proportionnelle au courant direct de la LED, IF, sur une large plage de tension.
Les diodes électroluminescentes sont conçues pour fonctionner en continu à un niveau relativement bas de courant, par exemple : 20 mA. Donc, appliquer une tension directement à une seule LED sans résistance en série peut entraîner un courant plus élevé que la normale traversant la jonction pn de la diode si ce n’est pas correctement contrôlé.
Ainsi, une LED a besoin d’une résistance pour limiter le courant qui la traverse à un niveau souhaitable, car sa chute de tension directe, VLED, est très faible. C’est-à -dire qu’une LED, ou un groupe de LED, ne doit pas être connecté directement à une source d’alimentation sans utiliser une résistance en série à courant limité. Alors, quelle taille de résistance avons-nous besoin pour une LED ?
Équation du Calculateur de Résistance LED
Choisir une résistance appropriée à connecter en série avec une LED est relativement simple, cela nécessite juste certaines connaissances sur les caractéristiques I-V de la LED utilisée, et quelques mathématiques de base utilisant la loi d’Ohm.
Lorsqu’une diode redresseuse est polarisée directement, elle a une chute de tension d’environ 0.7 volts. De même, les LED ont également une chute de tension connue communément comme leur valeur de tension directe, VF ou VLED.
Équation de Résistance LED
Où :
- R est la valeur de résistance requise en Ohms
- VS est la tension d’alimentation DC
- VLED est la chute de “Tension Directe†de la LED en Volts
- IF est le “Courant Direct†requis de la LED en mA (milliamperes)
- N est le nombre de LED connectées ensemble en série
Alors, pour savoir quelle résistance utiliser avec une LED, il suffit de sélectionner le courant de la LED en milliampères pour la luminosité souhaitée, généralement de 10 à 20mA. Comprenez la chute de tension directe de chaque LED (à partir de la feuille de données de la LED) ainsi que la valeur de la tension d’alimentation à utiliser pour l’alimenter.
Exemple de Résistance LED No1
Supposons que nous voulions alimenter une seule LED rouge de 5 mm qui a une tension directe typique, VLED, de 1.8 volts lorsqu’elle est alimentée par un courant direct continu, IF, de 15mA depuis une batterie de 9 volts. Quelle valeur de résistance en série devrions-nous utiliser avec cette LED ?
Dans cet exemple simple, la seule LED nécessite une résistance de limitation de courant en série de 480Ω, car sans celle-ci, la LED pourrait probablement griller immédiatement en raison d’un surcroit de courant. Cependant, il n’y a pas de valeur de résistance préférée avec une valeur exacte de 480Ω, pas même dans la série E96 avec une tolérance de ±1%. La valeur la plus proche serait de 487Ω (ou 500Ω) donnant un courant de LED de 14.8 mA.
Mais qu’en est-il de la valeur de puissance des résistances ? La valeur de puissance des résistances peut facilement être déterminée en utilisant la loi d’Ohm, qui stipule que : Puissance (P) = I2*R. Ainsi, pour un courant direct de 14.8 mA et une valeur résistive de 487Ω, la valeur de puissance de notre résistance serait : P = 0.01482*487 = 107 milli-watts. Donc, une résistance LED standard de 1/8 Watt (ou supérieure) est largement suffisante.
Exemple de Circuit de Résistance LED
Ici, dans cet exemple simple, nous avons connecté la résistance de limitation de courant en série entre l’alimentation et la borne anode de la LED. Mais de quel côté de la LED doit-on mettre la résistance ?
Eh bien, comme il s’agit d’un circuit en série, nous pourrions connecter la résistance à la borne anode de la LED ou à la borne cathode. Dans ce cas, peu importe car elle limitera toujours le courant qui traverse la LED, qu’elle soit connectée d’un côté ou de l’autre. Ce qui est important, c’est que la LED soit « polarisée directement ». C’est-à -dire, une tension positive à l’anode et une tension négative à la cathode.
Notez que certains types spéciaux de LED, comme les LED multicolores, les LED clignotantes et les LED de 5V, sont conçus pour fonctionner directement à partir d’une alimentation de 5V fournies par une porte logique numérique, un circuit logique, un microcontrôleur, ou un Arduino, etc. Par conséquent, elles ne nécessitent pas une résistance LED en série.
Deux ou plusieurs LED connectées en série
Nous savons maintenant qu’une résistance de limitation de courant doit toujours être utilisée en série avec une LED pour contrôler le courant et éviter d’endommager la LED. Mais que se passe-t-il si nous voulons connecter deux ou plusieurs LED en série ? Aurions-nous besoin d’une autre résistance LED ? La réponse rapide à cela est : Non !.
Il est très courant dans les circuits électroniques que plusieurs diodes électroluminescentes soient connectées ensemble en série à une source de tension. Étant donné que le courant qui traverse deux ou plusieurs LED connectées en série est le même, car il n’y a qu’un seul chemin à prendre à travers le circuit, nous pouvons utiliser une seule résistance LED pour contrôler le flux de courant.
Tout d’abord, nous savons que chaque LED rouge nécessite une tension directe de 1.8 volts pour s’illuminer. Ainsi, la chute de tension totale sera : 1.8 x 4 = 7.2 volts. Si nous supposons que la source de tension requise est 50 % supérieure à la somme des tensions LED. Alors, VS serait égale à 7.2 x 1.5 = 10.8 volts. Pour simplifier, arrondissons cela à 12 volts DC.
Donc, la valeur de la résistance LED en série requise pour fournir 15 mA, car toutes les LED partagent le même courant en série, est calculée comme ceci :
Nous aurons donc besoin d’une résistance série de 320Ω. Encore une fois, une résistance de 1/8 watt ou supérieure est suffisante. Notre circuit de quatre LED en série alimenté par une source de 12 volts devient :
Quatre LED dans un Circuit Série
Notez que les LED sont connectées de manière à ce que les cathodes (-) et les anodes (+) alternent dans leur connexion entre elles dans le circuit. Sinon, connecter deux anodes (+) ou deux cathodes (-) en série bloquerait le flux de courant, donc les LED ne s’illumineraient pas.
Ainsi, bien que nous ayons choisi une alimentation de 12 volts à 15 mA, parfois pour les LED connectées en série, il peut être bénéfique d’avoir une source de tension plus basse. Dans ce cas, la luminosité plus faible de chaque LED individuelle est compensée par un plus grand nombre de LED connectées ensemble. Ainsi, il y a moins de pertes thermiques globalement, donnant aux LED une durée de vie plus longue grâce à une luminosité diminuée.
LED de différentes couleurs en série
En plus de connecter les LED de même couleur en série, nous pourrions également utiliser ensemble des LED de différentes couleurs. Par exemple, supposons que nous voulons connecter une LED rouge avec une tension directe de 1.8V avec une LED bleue qui a une tension directe de 3.5 volts à une alimentation de batterie de 6 volts. Les deux LED ont un courant nominal de 14 mA comme montré.
Circuit Série de Résistors LED Bi-couleur
En utilisant l’équation du calculateur de résistance LED ci-dessus, nous pouvons calculer la valeur de la résistance LED requise comme étant :
La résistance LED en série doit donc avoir une valeur d’au moins 50 ohms.
Deux ou plusieurs LED en parallèle
Le problème lors de la connexion de plusieurs LED en série est que pour surmonter les chutes de tension directe de chaque LED, nous devons augmenter la tension d’alimentation, VS, chaque fois qu’une LED est ajoutée à la chaîne série tout en gardant le courant direct à la même valeur. Mais que se passe-t-il si nous voulons illuminer deux ou plusieurs LED à partir d’un seul approvisionnement fixe à basse tension de batterie. Comment pouvons-nous le faire ?
Eh bien, en plus de connecter les LED en série, nous pouvons également les connecter en parallèle à une source de tension commune. Cependant, bien qu’il soit possible de connecter directement des LED ensemble en parallèle, cela crée généralement plus de problèmes que les circuits en série en raison des variations de leurs caractéristiques I-V.
Par exemple, chaque LED doit avoir la même tension directe nominale, ce qui implique généralement qu’elles sont de la même couleur, sinon la LED de la plus basse tension dans la combinaison parallèle s’illuminera alors qu’elle prendra tout le courant d’alimentation. Ensuite, bien que nous ayons un ensemble de LED de la même couleur, chaque LED peut passer un courant différent en raison des variations de leurs caractéristiques I-V.
Une façon de surmonter ce problème consiste à insérer une résistance dans chaque branche parallèle pour équilibrer efficacement toutes les LED sur la même alimentation de tension. Étant donné que deux ou plusieurs LED connectées en parallèle ont la même tension sur elles comme montré.
Circuit de Résistance LED en Parallèle
Comme nous pouvons le voir, les résistances et les LED sont arrangées dans des branches parallèles les unes par rapport aux autres. Bien que la tension à travers chaque branche parallèle soit la même, les courants individuels de branche seraient différents, se séparant à chaque nœud et se recombinaissant ensuite vers l’alimentation de tension. Dans notre exemple de circuit parallèle, le courant I1, I2, I3 et I4 représentent les courants circulant dans chaque branche LED.
L’avantage ici est que nous pouvons sélectionner chaque résistance LED pour avoir une valeur résistive différente selon les besoins pour donner différentes intensités lumineuses à chacune des diodes électroluminescentes. Par exemple, supposons que nous avons une batterie de 6 volts qui alimentera quatre LED rouges rondes de 3 mm en parallèle. Supposons en outre, comme auparavant, que chacune des quatre LED rouges de 3 mm a une tension directe de 1.8 volts.
Enfin, supposons que l’intensité lumineuse de chaque LED doit être différente. Par conséquent, différents courants LED directs sont requis qui passeront à travers chaque LED dans le circuit parallèle. Ainsi, I1 = 8mA, I2 = 12mA, I3 = 16mA et I4 = 20mA comme montré.
Circuit LED Parallèle
Le principal inconvénient d’un circuit parallèle est que, bien que la tension à travers toutes les branches LED soit exactement la même (6 Volts), le courant est proportionnel à la résistance de chaque résistance LED individuelle qui s’additionnent collectivement. Ainsi, le courant tiré de l’approvisionnement de batterie de 6 volts est la somme de : IT = I1 + I2 + I3 + I4, ce qui peut être important si de nombreuses branches parallèles sont utilisées.
Dans notre exemple simple ci-dessus, le courant total IT prélevé de l’alimentation ajoute jusqu’à 56mA. Alors, nous devons également tenir compte de la cote en ampères-heures de la source de batterie lors de l’utilisation de LED connectées en parallèle, sinon elles se déchargeront rapidement. Cependant, en fonction de l’application, nous pourrions également avoir un compromis entre une configuration de LED en série et en parallèle.
Résumé du Tutoriel
Nous savons maintenant qu’une diode conçue pour générer de la lumière, comme une lampe, est appelée diode électroluminescente, ou LED, et que l’utilisation de résistances avec les LED est essentielle si vous voulez qu’elles durent pendant un certain temps.
Les LED sont des dispositifs intrinsèquement contrôlés par le courant qui ont une courbe courant contre tension, courbe I-V, donc le courant qui les traverse dépend de la tension appliquée à travers elles. En général, plus le courant direct est élevé, plus l’intensité lumineuse est élevée. Cependant, trop de courant direct sera dommageable pour elles.
Comme nous l’avons vu, choisir une résistance pour fonctionner avec une LED est un processus relativement simple et un peu de mathématiques sans avoir besoin d’un calculateur de résistance LED. Alors, selon la source de tension, qu’il s’agisse d’une batterie, d’un microcontrôleur, d’un Arduino ou d’un Raspberry Pi, etc. Vous avez maintenant les connaissances nécessaires pour calculer quelle résistance utiliser pour votre projet scolaire de LED.
Rappelez-vous simplement que chaque LED a une tension qui lui est propre, connue sous le nom de tension directe, VF, qui variera d’une LED à l’autre mais est généralement comprise entre 1.8 volts et environ 3.6 volts pour une LED ultra lumineuse, peu importe sa couleur.
Ainsi, si vous construisez un projet LED à partir d’alimentations de tensions, sélectionnez votre résistance LED pour garantir un fonctionnement stable et sûr de vos dispositifs de diodes électroluminescentes.
