La luminosité des LED change-t-elle avec la tension?

Quand j'étais jeune et que j'apprenais l'électricité, un outil fabuleux pour comprendre la tension / le courant / la résistance était une ampoule à incandescence (dans mon cas, c'était une petite ampoule 3V). Lorsque vous doubliez la tension en mettant deux batteries en série, elle brillait 4x aussi brillante, mais chauffait davantage et était plus sujette à brûler. Lorsque vous mettez deux ampoules en série, elles brillaient 1/4 de plus. Lorsque vous les mettez en parallèle, ils brillaient normalement, mais déchargeaient la batterie deux fois plus vite. Etc.

De nos jours, cependant, les ampoules à incandescence sont sur le point de disparaître, et les LED les remplacent pour une bonne raison (comme ne pas s'éteindre tous les quelques mois environ). Mais les LED sont différentes et suivent des règles différentes, ce que je ne comprends pas très bien.

Je me demandais - les LED peuvent-elles être utilisées de la même manière? Je sais que pour qu'une LED soit utilisable de la même manière qu'une ampoule classique, vous devez la mettre en série avec une résistance, sinon elle consomme trop de courant et brûle. Je pense que vous pouvez même acheter des LED avec des résistances intégrées. Mais fonctionneraient-ils de la même manière? Les changements de tension s'accompagneraient-ils de changements correspondants de luminosité?

Les LED sont une bête très très différente des ampoules à incandescence. Les LED appartiennent à une classe d'appareils appelés appareils non linéaires . Ceux-ci ne suivent pas la loi d'Ohm dans le sens classique (cependant la loi d'Ohm est toujours utilisée en conjonction avec eux).

Une LED est (évidemment) une forme de diode. Il a une tension directe qui est la tension à laquelle la diode commence à conduire. À mesure que la tension augmente, la diode conduit également bien, mais elle le fait de manière non linéaire .

Avec une LED, c'est la quantité de courant qui la traverse qui détermine sa luminosité. L'augmentation de la tension augmente le courant, oui, mais la région où cela se produit sans que le courant soit trop important est très petite. Dans la courbe rouge ci-dessus, il peut y avoir un tout petit peu autour de 1,5 V, et au moment où vous arrivez à 2 V, le courant est hors échelle et la LED s'éteint.

La mise en série des LED résume les tensions directes, vous devez donc fournir une tension plus élevée pour que la conduction démarre, mais la région contrôlable est toujours aussi petite.

Nous contrôlons donc le courant au lieu de la tension et prenons la tension directe comme valeur fixe. En incluant une résistance dans le circuit pour combler l'écart entre la tension d'alimentation et la tension directe, en limitant le courant dans le processus, ou en utilisant une alimentation en courant constant , nous pouvons définir le courant que nous voulons faire passer à travers la LED et réglez ainsi la luminosité. En augmentant le courant, mais pas en augmentant la tension (ou seulement une quantité négligeable, et purement fortuitement), nous augmentons la luminosité.

La formule de calcul de la résistance à utiliser pour un courant spécifique est:

$V_S$$V_F$$I_F$

Non, une LED en elle-même (pas de résistances ou autre électronique) se comporte très différemment d'une ampoule.

Jetez un œil à cette fiche technique d'une LED aléatoire.

Faites défiler jusqu'à la page avec de nombreux graphiques. Le troisième graphique montre l'intensité relative (lumière) par rapport au courant à travers la LED:

(Source: fiche technique 334-15 / T1C1-4WYA)

Vous remarquerez que cette courbe est quelque peu linéaire, ce qui signifie que le double du courant vous donnera environ deux fois plus de lumière.

Ce que nous avons appris: la luminosité d'une LED est quelque peu proportionnelle au courant qui la traverse.

Mais quel courant obtenez-vous pour une certaine tension?

Regardez le graphique 2:

(Source: fiche technique 334-15 / T1C1-4WYA)

Courant direct vs tension directe, notez comment le courant augmente rapidement pour une tension supérieure à 3 Volts. Seulement 0,5 V de plus donne 4 x le courant! Cette courbe change également entre les LED et la surchauffe.

C'est pourquoi il vaut mieux alimenter les LED avec un courant plutôt qu'une tension. Si vous alimentez une LED avec de la tension, le courant n'est pas très prévisible, pas plus que la luminosité. De plus, la puissance fournie à la LED variera alors car la puissance est la tension x le courant.

Il est préférable de garder une LED à un courant constant, c'est pourquoi des résistances en série sont nécessaires, elles limitent le courant à la valeur prévue. Pas exactement mais assez proche pour la plupart des usages.

Avec la résistance série en place, une LED (+ résistance) se comporte un peu plus comme une ampoule dans le sens où le changement de luminosité est plus proportionnel à la tension que vous appliquez.

Les ampoules LED et incandescentes sont presque opposées dans leurs caractéristiques.

• Les LED tombent en R avec une tension croissante.

• La résistance de BULB augmente de 10 fois lorsqu'elle est allumée. Cela est dû à un grand PTC thermique exponentiel (+) d'un filament de tungstène. Pendant ce temps, les LED sont tout le contraire, avec une petite valeur linéaire NTC (-).

  • Les LED ne peuvent pas gérer les tensions négatives. Tous sont évalués à -5 V absolus max.
  • AMPOULES vont facilement dans les deux sens, AC-DC

• Les LED utilisent un fil conducteur Au ultrason "micron mince", car la soudure le tuerait.

• AMPOULES ... fonctionnent à 2500 ° C

  • Les LED ont besoin d'une protection ESD.
  • Les AMPOULES absorbent l'ESD sans aucun problème.

• Les LED sont disponibles dans toutes les couleurs de l'arc-en-ciel et au-delà.

• Les AMPOULES sont toutes les mêmes, dans des tons de blanc

  • Les LED peuvent détecter la lumière avec un petit courant de sortie comme les photodiodes.
  • Les AMPOULES ne peuvent pas détecter la lumière.

• Les LED sont unilatérales même avec un substrat transparent.

• Les AMPOULES sont omnidirectionnelles.

Donc, lorsque vous ajoutez tout cela, vous devez comprendre les différences afin de les faire fonctionner dans le même environnement d'alimentation. Ou bien, comptez sur une solution conçue pour les rendre simples à utiliser.

Si vous achetiez des LED avec des résistances intégrées, elles fonctionneraient (presque) exactement de cette façon.

Le rendement lumineux des LED est presque proportionnel au courant sur une large plage.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$$I=(V_b/R_i)$

$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$

$I=(V_b/(2*R_i))$

Ainsi, lors de la mise en série de 2 LED avec résistances série intégrées, le courant tombe à la moitié du courant initial.

La luminosité d'une LED dépend principalement du courant qui la traverse.

Une ampoule à incandescence conventionnelle est en fait une résistance, elle suit la loi des ohms V = I * R. Si vous doublez la tension, le courant doublera et la puissance utilisée augmentera d'un facteur 4 (pas tout à fait vrai, il y a une certaine température effets liés mais assez proches pour l'instant).

Une LED, d'autre part, est une diode, comme la plupart des diodes, elle a une tension de polarisation directe relativement fixe. En dessous de cette tension, aucun courant ne circule, au-dessus de cette tension, le flux de courant est illimité, mais la tension est réduite par la tension de polarisation. (Ceci est une simplification massive mais est assez bon pour la plupart des calculs approximatifs)

La nature de cette tension dépendra des matériaux utilisés et dépendra donc de la couleur. Typiquement ~ 1,8-2 V pour le rouge, le jaune ou le vert, ~ 3 V pour le bleu, le blanc ou le "vrai vert". Cette chute de tension augmentera avec le courant mais seulement de 0,1 à 0,2 V, vous pouvez normalement ignorer cet effet.

Comme vous l'avez indiqué dans votre question, les LED sont généralement connectées à une résistance en série pour limiter le courant. Pourquoi?

Considérez la LED comme une chute de tension fixe, elle consommera une quantité fixe de tension quel que soit le courant. Donc, si vous connectez une LED 2V directement à une source 3V, il restera 1V à laisser tomber sur le reste du circuit. Le reste du circuit dans ce cas sera les résistances internes dans l'alimentation et les fils. Ces résistances sont généralement assez faibles (si faibles que vous les ignorez normalement) et un grand courant circulera donc.

En supposant que les résistances sont de l'ordre de 0,1 omhs, cela donnerait un courant de I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 ampères.

La puissance dissipée dans la LED serait P = I * V = 10 * 2 = 20 watts.

Cela chaufferait très rapidement la LED au point de la détruire. Le monde réel est un peu plus complexe car la LED n'est pas la chute de tension fixe à résistance nulle parfaite supposée, mais le résultat final est le même de toute façon.

Si nous ajoutons une résistance série de 100 ohms en plus des résistances internes, le courant est réduit à 10mA et la LED s'allume bien.

La modification de la valeur de la résistance modifiera la luminosité, la plupart des petites LED sont limitées à environ 20 mA max et ne sont pas visibles bien en dessous de 1 mA. Généralement, aller bien au-delà de 10 mA est à peine perceptible (cela est plus dû à la façon dont les yeux fonctionnent qu'à la façon dont les LED fonctionnent). Vous pouvez également modifier la luminosité en les allumant et en les éteignant très rapidement, cela est plus simple à faire pour les systèmes numériques et est généralement plus efficace pour une luminosité perçue donnée (encore plus à cause des yeux que des LED), cela vous permet de changer la luminosité tout en n'ayant qu'une seule résistance fixe dans le matériel. Si vous prévoyez d'utiliser une résistance variable pour régler la luminosité, il est recommandé d'inclure également une petite valeur fixe de sorte qu'avec une résistance variable à 0, le courant soit limité à 20 mA.

Et si nous ajoutions deux LED en série?

Chaque LED a besoin de 2V pour s'allumer. Deux LED signifie 4V. Avec une source 3V, nous n'avons pas de tension suffisante pour polariser en direct les diodes et elles bloqueront donc tout le flux de courant. Les LED seront éteintes. Si vous augmentez la tension et réglez correctement la résistance de limitation de courant, ils s'allumeront tous les deux. Étant donné que la luminosité dépend du courant traversant la LED et qu'ils auront tous les deux le même courant, ils auront la même luminosité (pour le même type de LED).

Et si nous ajoutons deux LED en parallèle?

Si nous ajoutons deux en parallèle chacun avec leur propre résistance, alors ce sont effectivement des circuits séparés. En supposant que l'alimentation soit suffisante, chacun agira comme si c'était le seul.

S'ils partagent la résistance, les choses deviennent plus intéressantes. En théorie, cela fonctionnerait bien, vous auriez besoin de diviser par deux la valeur de la résistance pour donner le même par LED, mais à part cela, vous vous attendez à ce que cela fonctionne. Malheureusement, il n'y a pas deux LED identiques, elles auront toutes des tensions de polarisation très légèrement différentes, ce qui signifie que plus de courant passera par l'une que par l'autre (ce serait tout le courant à travers un sans la petite augmentation de la tension en tant que courant augmentations que nous ignorons normalement).

Cela signifie que deux LED en parallèle avec une seule résistance n'auront presque jamais la même luminosité.

Généralement, tout ce qui a besoin de piloter un groupe de LED (par exemple un rétro-éclairage) utilisera une longue série de LED et augmentera la tension aussi haut que nécessaire (dans des limites raisonnables) afin qu'elles aient toutes la même luminosité.

Bien qu'une LED ne ressemble en rien à une ampoule à incandescence, la réponse est toujours OUI.

La seule différence dans les calculs de la loi ohms sera de soustraire la tension directe de la LED de la tension d'alimentation.

La différence entre la tension directe de la LED et le courant direct est insignifiante.

J'ai mesuré la tension d'une chaîne de 16 LED rouges à 200, 350 et 500mA. Les tensions étaient 30.07, 31.20, 31.43. Changement de 1,02% de 200 à 500mA.