Une LED est une diode fabriquée à partir d'un matériau semi-conducteur qui génère des photons de lumière lorsque le courant traverse le matériau. Plus la LED est à jour, plus la LED émet de lumière, plus elle est lumineuse. Cependant, il existe une limite supérieure qui est la quantité de courant suffisante pour endommager la LED.
Une LED offre peu de résistance au courant qui la traverse. La majeure partie du peu de résistance qu'il offre provient de l'énergie perdue de la lumière émise et la génération de photons est si efficace que la résistance est assez négligeable. Cependant, à mesure que le courant augmente, augmentant la quantité de lumière, la LED échouera à un moment donné car la quantité de courant traversant la LED provoque des défaillances matérielles. Avec des quantités suffisamment importantes de courant, une vaporisation catastrophique des matériaux peut entraîner ce qui équivaut à une petite explosion dans l'enveloppe extérieure des LED. Avec les niveaux de courant plus bas trouvés dans les circuits numériques 3,3v ou 5v, le résultat le plus probable est que le matériau semi-conducteur tombe en panne et cesse de conduire et la LED ne brille plus.
Comment la tension du circuit affecte-t-elle la consommation de courant d'une LED? Puisqu'une LED est un type de diode, l'équation de la diode Shockley décrit le courant qu'une diode permet à différents niveaux de tension. L'équation montre que les résultats de la fonction Shockley pour une plage de tension donnée suivent une courbe exponentielle. Cela signifie que de petits changements de tension peuvent entraîner de grands changements de courant. Ainsi, l'utilisation d'une LED dans un circuit simple dont la tension est supérieure à la tension directe de la LED risque de faire en sorte que la LED consomme étonnamment plus de courant que ses niveaux recommandés, ce qui entraîne une défaillance de la LED.
Voir le sujet Wikipedia Circuit LED ainsi que le sujet Wikipedia Équation de la diode Shockley .
L'idée est donc de concevoir le circuit LED de manière à limiter la quantité de courant traversant la LED. Nous voulons équilibrer le fait d'avoir suffisamment de courant pour provoquer le niveau de luminosité souhaité sans que le matériau LED ne tombe en panne. La méthode la plus courante pour limiter le courant consiste à ajouter une résistance au circuit.
Une LED doit avoir une fiche technique qui décrit les caractéristiques électriques et les tolérances de la LED. Voir par exemple cette fiche technique n ° de modèle: YSL-R531R3D-D2 .
Les premières caractéristiques qui nous intéressent sont (1) quel est le courant maximum que la LED peut supporter avant qu'une défaillance matérielle ne soit possible entraînant une défaillance de la LED et (2) quelle est la plage de courant recommandée. Ces valeurs maximales et d'autres pour une LED rouge standard standard (différentes LED auront des valeurs différentes) sont dans un tableau tel que reproduit ci-dessous.
Dans le tableau de la fiche technique de cette LED rouge standard, nous voyons que le courant maximum est de 20mA avec une plage recommandée de 16mA à 18mA. Cette plage recommandée est le courant pour que la LED soit la plus brillante sans risquer une défaillance matérielle. Nous voyons également que la dissipation de puissance nominale est de 105 mW. Nous voulons nous assurer que dans notre conception de circuits LED, nous restons dans ces plages recommandées.
En regardant dans le tableau suivant, nous trouvons une valeur de tension directe pour la LED de 2,2v. La valeur de tension directe est la chute de tension lorsque le courant traverse la LED dans le sens direct, de l'anode à la cathode. Voir Qu'est-ce que la tension «directe» et «inverse» lorsque vous travaillez avec des diodes? .
Si nous devions utiliser cette LED dans un circuit avec 2,2 V et un courant de 20 mA, la LED dissiperait 44 mW, ce qui est bien dans notre zone de sécurité de dissipation de puissance. Si le courant passe de 20 mA à 100 mA, la dissipation sera 5 fois supérieure ou 220 mW, ce qui est bien supérieur à la dissipation de puissance nominale de 105 mW pour la LED, de sorte que nous pouvons nous attendre à ce que la LED tombe en panne. Voir Qu'advient-il de ma LED lorsque je fournis trop de courant? .
Pour réduire le courant à travers la LED aux niveaux recommandés, nous allons introduire une résistance dans le circuit. Quelle résistance de valeur devrions-nous utiliser?
Nous calculons une valeur de résistance en utilisant la loi d' Ohm, V = I x R
. Cependant, nous ferons une transformation algébrique parce que nous voulons résoudre pour la résistance plutôt que pour la tension, nous utilisons donc la formule R = V / I
.
La valeur de I, courant en ampères, est assez évidente, permet simplement d'utiliser le minimum recommandé de 16mA ou .016A de la fiche technique LED dans la formule transformée. Mais quelle valeur devrions-nous utiliser pour les volts, V?
Nous devons utiliser la chute de tension de la résistance, qui est la contribution de la résistance à la chute de tension totale de l'ensemble du circuit. Nous devrons donc soustraire la contribution de la chute de tension de la LED de la tension totale du circuit pour déterminer la contribution de la chute de tension nécessaire à la résistance. La chute de tension d'une LED est la valeur de tension directe, la chute de tension dans le sens direct de l'anode à la cathode, du tableau ci-dessus.
Pour un projet Raspberry Pi standard utilisant le rail 3,3 V comme source d'alimentation, le calcul serait (3.3v - 2.2v) / .016A = 69 ohms (rounding 68.75 up)
Alors, pourquoi une valeur de résistance telle que 200 ohms est-elle couramment utilisée lorsque les calculs indiquent 69 ohms?
La réponse simple est qu'une résistance de 200 ohms est une résistance commune incluse dans de nombreux kits d'expérimentation. Nous voulons utiliser une résistance commune si la lumière émise par la LED ne diminuera pas sensiblement.
Donc, si nous passons d'une résistance de 69 ohms à une résistance de 200 ohms, quelle est la variation du courant? Encore une fois, nous utilisons la loi d'Ohm cette fois pour résoudre le courant dans le circuit, I = V / R
ou 3.3v / 200 ohms = .0165A
et lorsque nous regardons la fiche technique des LED, nous voyons que cette valeur est dans la plage recommandée de 16 mA à 18 mA, la LED doit donc être suffisamment lumineuse.