Thèmes:
- Préface
- Fonctionnement d'une LED
- Tension de conduction en fonction de la couleur de la LED
- Méthodes de contrôle
- LED multicolores
Préface:
Une LED est un composant semi-conducteur couramment utilisé pour émettre de la lumière. LED signifie : Light Emitting Diode et signifie : diode électroluminescente. Depuis son invention en 1962, la LED est principalement utilisée comme indicateur lumineux et pour la transmission de signaux. Depuis la fin des années 90, les évolutions technologiques ont permis de produire des LED qui servent de source lumineuse pour un usage quotidien. Dans la technologie automobile, les LED sont fréquemment utilisées comme éclairage des instruments (tableau de bord), éclairage extérieur (feux arrière) ou éclairage principal (dans les phares) en raison des avantages suivants par rapport aux lampes à incandescence et aux lampes halogènes :
- faible consommation d'énergie : avec la même intensité lumineuse par rapport aux autres types de lampes, la LED consomme beaucoup moins d'énergie. La LED a un rendement très élevé pouvant atteindre 80 % ;
- sécurité : les lampes à incandescence ont besoin d'environ 200 ms pour chauffer le filament et émettre de la lumière. Une LED ne nécessite pas de phase de préchauffage, ce qui signifie qu'une LED atteint son intensité lumineuse plus rapidement (en moins d'1 milliseconde). Lorsqu'une LED est utilisée comme feu stop, le freinage est détecté plus tôt et a une influence positive sur le temps d'arrêt ;
- faible dégagement de chaleur : étant donné que les LED chauffent à peine, les boîtiers de lampes peuvent être réduits et des matériaux moins coûteux peuvent être utilisés, moins résistants aux contraintes thermiques ;
- durée de vie élevée : une LED dure environ toute la durée de vie d'une voiture. S'il s'avère que les LED sont défectueuses, la cause peut souvent être trouvée ailleurs, comme une rupture du chemin d'impression ou un contrôle incorrect. La luminosité d'une LED peut diminuer avec un certain nombre d'heures de fonctionnement.
L'image ci-dessous montre le symbole de la diode, avec un texte supplémentaire au-dessus des côtés « anode » et « cathode ». Le symbole d'une LED est presque identique à celui d'une diode, mais deux flèches pointant vers le haut ont été ajoutées, qui indiquent le rayonnement lumineux. La direction du courant est, tout comme pour la diode, dans le sens de la flèche. Le trait vertical est dans le sens inverse. Si le courant traverse la LED dans le sens de la flèche, elle s'allumera. A l’inverse, il sera bloqué et ne s’allumera donc pas.
Fonctionnement d'une LED :
Tout comme une diode « normale », la LED est constituée de deux couches semi-conductrices :
- la couche négative (couche n) contient un excès d'électrons ;
- la couche positive (couche p) manque d’électrons.
Le manque d’électrons dans la couche p peut être vu comme un certain nombre de trous positifs en excès. Dans la jonction p-n (couche d’appauvrissement), le surplus d’électrons dans la couche n comblera les lacunes de la couche p. Aucun courant ne circule encore, donc la charge dans la jonction np est neutre.
Pour que le courant traverse la diode, la tension interne de la zone d'appauvrissement doit d'abord être surmontée. C'est ce qu'on appelle la tension de diffusion ou tension de seuil de la diode. Lorsque la tension augmente, le courant électronique pourra circuler de la couche n vers la couche p. Cependant, dans la couche d’appauvrissement, certains de ces électrons sont capturés par les trous. Ces électrons libèrent une partie de leur énergie sous forme d’éclairs lumineux. La lumière générée peut s’échapper à travers la fine couche P. L'intensité lumineuse est déterminée par le courant : plus le courant est fort, plus la lumière est intense.
Le saut des électrons de valence de la couche négative à la couche positive fournit la lumière émise par la diode.
Tension du conducteur en fonction de la couleur de la LED :
Une LED existe en trois couleurs : rouge, vert et bleu. Avec ces trois couleurs de base, d'autres couleurs peuvent être obtenues en les mélangeant. La composition des matériaux dans les couches n et p détermine la quantité d’énergie présente dans les électrons et les trous.
- Les électrons de faible énergie convertissent moins d’énergie en rayonnement lumineux qu’un électron de haute énergie ;
- La lumière rouge a moins d’énergie que la lumière bleue ;
- Le rouge est créé par des électrons de faible énergie et le bleu par des électrons de haute énergie.
Les LED blanches ne peuvent pas être produites. En ajoutant une couche fluorescente supplémentaire à une LED bleue, une partie de la lumière bleue est convertie en lumière jaune. Le mélange de lumière bleue et jaune est perçu par l’œil humain comme une lumière blanche. En ajustant le rapport de mélange entre cette lumière jaune et bleue, vous pouvez émettre une lumière blanche chaude ou froide.
Dans la caractéristique, nous voyons la tension qui s'accumule dans la zone de déplétion et est donc la tension de conduction de la LED de couleur correspondante. Lorsque le courant traverse une LED, il se produit une chute de tension presque constante.
Méthodes de contrôle :
Dans la technologie automobile, nous pouvons utiliser des LED avec un résistance série ou en circuits en série, afin que nous obtenions la tension de commande souhaitée.
LED avec résistance série :
Si nous devions connecter une LED directement au plus et au moins de la batterie, la LED tomberait immédiatement en panne. Il devrait toujours y en avoir un résistance série être placé en série avec la LED.
La valeur de la résistance série est déterminée par deux facteurs : le courant et la tension d'alimentation. Une LED rouge s'allume dès que la tension de fonctionnement de 1,5 volts est atteinte et environ 20 mA la traverse.
La tension d'alimentation fournie dépend de l'application. Dans l'industrie automobile, cela peut être de 5, mais aussi de 12 ou 24 volts. La résistance requise peut être déterminée à l'aide de la loi d'Ohm. Soustrayez la tension de fonctionnement de la tension d'alimentation et divisez-la par le courant.
- Avec une tension d'alimentation de 5 volts, une résistance série de (5 - 1,5) / 0,02 = 175 ohm sera nécessaire pour la LED rouge.
- avec une tension d'alimentation de 12 volts et une LED rouge : (12 – 1,5) / 0,02 = 525 ohm (une résistance d'un facteur plus élevée).
On rencontre principalement des LED avec des résistances en série dans les éclairages LED modernisés (retrofit). Les temps d'allumage et d'extinction rapides et la luminosité d'une LED peuvent être une raison pour remplacer les lampes à incandescence par des LED. Vous n'êtes pas obligé de le faire pour des raisons d'efficacité énergétique, car la résistance série provoque également une perte de puissance qui, dans certains cas, est aussi importante que la dissipation de puissance de la lampe d'origine.
Connexion des LED en série :
En connectant les LED en série, aucune résistance série ou une résistance série avec une faible valeur de résistance n'est requise. La résistance interne des LED elles-mêmes garantit que la tension d'alimentation est répartie entre les LED du circuit série. Plus il y a de LED placées en série, plus la résistance série peut être petite. Sur la figure, six LED sont connectées en série et deux rangées sont connectées en parallèle.
Les LED connectées en série se trouvent dans les blocs de feux arrière ou dans les troisièmes blocs de feux stop. Il s'agit d'une méthode de contrôle fréquemment utilisée dans la technologie automobile.
Ajuster l'intensité lumineuse :
Avec un microcontrôleur, nous pouvons contrôler le contrôle d'une LED avec une impulsion. Nous appelons cela : Modulation de largeur d'impulsion (PWM).
Le rapport cyclique détermine l'heure à laquelle la LED est activée. En alternant les impulsions marche-arrêt entre 3,3 et 0 volts à grande vitesse, la LED s'allume avec une luminosité plus faible.
Cette méthode de contrôle est la même sur une ampoule à fonctions multiples, telles que :
- 50 % de luminosité avec les lumières allumées ;
- Lumière 100 % brillante avec feu stop allumé.
Dans une configuration pratique avec un Arduino, vous pouvez expérimenter le contrôle PWM des LED de l'Arduino ou des LED connectées en externe (équipées de résistances en série).
LED multicolores :
Toutes les couleurs peuvent être composées avec les trois couleurs de base rouge, vert et bleu. Cela peut être mis à profit en combinant deux ou trois LED. Vous trouverez ci-dessous trois principes utilisés pour obtenir plusieurs couleurs via un circuit électrique.
LED bicolore :
Le schéma montre deux LED connectées en parallèle, dans le sens inverse et direct. Le sens du courant détermine quelle LED s'allume : verte (en haut) ou rouge (en bas). La polarité est inversée par un circuit externe ou un calculateur.
LED tricolore :
Ce schéma montre également deux LED connectées en parallèle. Dans le circuit, une tension d'alimentation peut être appliquée à l'une des deux LED (verte ou rouge), ou aux deux en même temps. Dans ce cas, un mélange de couleurs se produit et les LED rouge et verte deviennent jaunes.
LED RVB :
Avec les LED RVB, trois LED, chacune avec sa propre couleur, sont logées dans un seul boîtier. Les couleurs peuvent être contrôlées séparément. Pour contrôler la LED RVB, trois commandes PWM sont nécessaires, qui génèrent un rapport marche/arrêt réglable sur chaque broche d'alimentation. En plus des différentes couleurs, l'intensité lumineuse peut également être réglée.
Dans l'image suivante, nous voyons trois LED, chacune avec sa propre connexion anode (A1 à A3) et une cathode commune.
