Les Diodes Electro Luminescente (DEL) ou LED (abréviation anglaise plus couramment utilisées) sont les composants électroniques les plus utilisés pour produire de la lumière.

Elles peuvent produire plusieurs types de rayonnement (lumière). Généralement une seule couleur (longueur d’onde) est émise. Celle-ci peuvent être une des couleurs du spectre visible mais aussi des Infrarouges ou Ultraviolets.

Les LED ont plusieurs utilités dont voici les principales :

• Voyant fournissant une information à un utilisateur
• Eclairage basse consommation
• Transmission d’une information à un récepteur électronique via l’air ou un canal optique (fibre optique)
• Pointage optique grâce au LED Laser
• Génération d’un rayonnement sur matériaux photosensible (UV par exemple)

Dans cet article, je présente le fonctionnement et la mise en œuvre d’une LED dans un circuit électronique.

Une LED est avant tout une diode.

Une diode est un composant qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens : de l’anode (A) vers la cathode (K).

Lorsqu’un courant traverse la diode (If), une tension idéalement indépendante du courant s’établie au borne de la diode (Vf). Il s’agit de la tension directe de la diode.

Dans le cas d’une diode classique au silicium, la tension Vf est d’environ 0.7V. La tension directe d’une LED dépend de sa couleur. Elle est d’environ 3V donc bien plus élevée qu’une diode classique.

Dans le cas d’une LED, la valeur du courant traversant la diode va déterminer son intensité lumineuse. Plus le courant sera important, plus l’intensité lumineuse sera importante. Cependant les LED ne supportent qu’une plage de valeur de courant. Un courant trop fort détruira la LED alors q’un courant trop faible ne la fera pas conduire.

Les informations de tension (Vf) et courant (If) sont toujours indiquées dans la datasheet des LED.

Une LED est toujours montée en série avec une résistance. Le rôle de la résistance est de fixer le courant traversant la LED et donc sa intensité lumineuse.

La tension alimentant le montage LED-résistance doit toujours être supérieure à la tension Vf. Il est généralement conseillé d’utiliser une tension de 5V ou plus.

La tension Vf et le courant If nominal de la LED sont indiqués dans la datasheet. La valeur de la résistance va être : R = Vr/If = (5V – Vf)/If. Pour une LED ayant un Vf de 3V et If nominal de 20mA la résistance sera égale à 100ohm.

Il est tout à fait possible d’augmenter ou diminuer la valeur de la résistance pour modifier le courant If et donc la luminosité en restant dans les valeurs autorisées par la datasheet.

Une LED peut être éteinte ou allumée par un microcontrôleur suivant le schéma ci-dessous.

Un transistor N-MOS est ajouté entre la Cathode de la diode et le GND (0V). Il est utilisé ici comme un interrupteur.

Lorsque le signal CMD du microcontrôleur est à 0V la tension entre la grille et la source du transistor (Vgs) sera égale à 0V donc inférieure à la tension de seuil à laquelle le transistor devient passant. Dans ce cas, le transistor agit comme un interrupteur ouvert. Le courant If ne peut donc pas circuler et la LED est éteinte.

Lorsque le signal CMD est à 3.3V (tension typique d’alimentation d’un microcontrôleur), la tension Vgs sera supérieure à la tension de seuil du transistor. Dans ce cas, le transistor agit comme un interrupteur fermé. Le courant If circule et la LED est allumée.

L’utilisation d’un transistor n’est pas toujours nécessaire. La plupart des microcontrôleurs possède des entrées-sorties configurables en collecteur ouvert. L’entrée-sortie est soit connectée au 0V (LED allumée) soit en haute impédance, ce qui est équivalent à un interrupteur ouvert (LED éteinte). Cependant dans cette configuration, le courant traversant l’entrée-sortie est limitée. L’utilisation d’un transistor externe permet donc de supporter des courants plus importants à condition d’être compatibles justement des spécifications du transistor utilisé.

Il est souvent nécessaire de faire varier la luminosité d’une LED pendant son fonctionnement

Pour ce faire, il est possible de faire varier dynamiquement la tension d’alimentation de la LED (+5V) ou la valeur de sa résistance série. Ceci est possible mais requière beaucoup d’électronique souvent complexe à mettre en oeuvre. Pour faire varier la tension d’alimentation, il faudrait utiliser un convertisseur numérique analogique pilotable par un microcontrôleur avec un amplificateur.

Cependant, l’utilisation du circuit simple de contrôle LED est suffisant dans la très grande majorité des cas.

Le principe de la persistance rétinienne est utilisée ici. L’œil humain garde une image sur sa rétine pendant environ 50ms. A un instant T, il va donc envoyer au cerveau l’information décrivant la quantité totale de lumière reçue sur sa rétine pendant les 50 dernières millisecondes.

Imaginons que nous demandons au microcontrôleur de faire clignoter la LED. Elle est allumée pendant 25 ms, éteinte 25 ms puis rallumée 25ms et ainsi de suite. Dans ces conditions, en regardant la LED, l’œil humain reçoit pendant 50ms la lumière de la LED la moitié du temps. Il va donc envoyer au cerveau une information de luminosité qui est la moitié de la lumière émise par la LED quand elle est allumée.

Ce principe est le plus utilisé pour faire varier l’intensité perçue par une LED car il est peu complexe à mettre en œuvre.

Le microcontrôleur doit générer un signal PWM (Pulse Width Modulation ou Modulation par largeur d’impulsion). Il s’agit d’un signal périodique qui est caractérisé par deux paramètres : la période (ou fréquence) et le rapport cyclique.

Le rapport cyclique est défini par le rapport entre le temps où le signal est haut et la période. Il est exprimé en %.

Pour faire varier l’intensité perçue de la LED, il faut appliquer ce signal à la grille du transistor de notre montage à LED.

La période du signal va définir la vitesse de clignotement de la LED. Pour que celui-ci ne soit pas perçu par l’œil humain, la période doit être inférieure à 50ms.

Le rapport cyclique va définir la puissance lumineuse de la LED par rapport à la puissance lumineuse qu’elle aurait produit si le signal était à 3.3V en permanence.

La plupart de microcontrôleurs possède les fonctionnalités permettant de générer des signaux PWM simplement.

Les LED peuvent être utilisées également pour envoyer un rayonnement sur un matériau photosensible. Dans ce cas le principe de persistance rétinienne ne fonctionne plus. Cependant dans la grande majorité des cas, le matériau réagit à une quantité de rayonnement reçue pendant un certain temps comme l’œil humain. Le contrôle de la LED par PWM fonctionne donc toujours. En revanche, la période du signal PWM doit être adaptée.

L’ensemble des informations données dans cet article doit vous permettre de mettre en oeuvre une ou plusieurs LED dans un circuit électronique.

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