LED, LDD : Régulation de tension

[Denisio]

Bonjour,

La question est un peu technique et certainement déplacée. N'ayant pas trouvé de réponse ni sur le net, ni ailleurs, je m'en remets aux quelques spécialistes de la question. 

Supposons un circuit d'éclairage basé sur une alimentation AC-CC, des drivers/gradateurs LDD et des LED. L'alimentation transforme le courant en  courant continu (dans mon cas 32 à 36 VCC), le driver LDD stabilise le courant à un certain ampérage (dans mon cas 1000 mA), les puces LED transforment le courant en lumière (dans mon cas des multichips Cree XPG3 et XTE avec 2 voies de 10 LED chacune).

• Dans cette chaine le rôle des LDD ne me parait pas clair. Certes ils permettent la gradation de la lumière, mais oublions cette fonction secondaire. Ils assurent la stabilisation  du courant à une intensité définie et stable. Pour ce, ils corrigent légèrement la tension au niveau des LED qui peut varier du fait de la température etc. Mais puisque c'est l'alimentation qui délivre la tension désirée, comment les LDD savent à quelle valeur et dans quelles limites ils peuvent jouer sur cette tension. Ca tient de la divination, non ?
• Je sais que les LED doivent, pour éclairer, fonctionner sous une tension mini "forward voltage" (pour les LED Cree XPG3 blanches c'est 2.87V à 1A). C'est donc une valeur mini. Mais comment savoir la valeur idéale, supérieure bien sûr, pour régler la sortie de l'alimentation ?
• Supposons que les LED nécessitent pour bien fonctionner une tension de 3V. Qu'advient-il si cette tension est réglée au niveau de l'alimentation légèrement plus forte (3.2V, 3.5V voire plus) . Les LDD jouent-ils un rôle ?

Merci, j'attends votre éclairage

[Poisson chat]

Une LED est un composant qui ne respecte pas la loi d'Ohm. Si l'on regarde la caractéristique d'une LED idéale (graph tension/intensité), on a une ligne droite sur le zéro en dessous de la tension de seuil (intensité nulle quelque soit la tension, du moment que celle-ci est inférieure à la tension de seuil), et soudainement verticale à la tension de seuil (intensité soudainement infinie). Et aucune valeur au-delà de la tension de seuil (la tension aux bornes de la LED idéale ne pouvant pas dépasser la tension de seuil, quelque soit l'intensité qui la traverse). Par opposition à une résistance qui montre une droite régulière de pente R.

Le boulot du LDD, plus que de stabiliser la tension, est de limiter l'intensité (parce que intensité "infinie" égale en pratique "LED cramée"). Il ne faut pas voir ce composant comme un stabilisateur de tension mais comme un régulateur d'intensité, dont le travail est de maintenir (et en pratique limiter) l'intensité à une valeur cible (1000mA, 1500mA) etc. La demande venant toute seule une fois la tension aux bornes de la LED dépassant la tension de seuil.

La tension à ses bornes est une résultante, et n'a pas trop d'importance en soit: il faut surtout voir cela comme la tension max qu'il est capable de générer.

Exemple:

- Chaîne de 10 Leds, tension de seuil de 3V, LDD 36V

- La tension en sortie du LDD sera de 3x10 = 30V (36V étant le max qu'il peut générer).

- La LED chauffant, la tension de seuil monte un peu (3,0V => 3,1V): la tension de sortie du LDD sera de 31V.

Lorsque l'on travaille avec les LED, il ne faut pas raisonner "tension" mais "courant". Le LDD maintient un courant fixe, dont la valeur doit être choisie avec soin (cf ci-dessous). La tension de sortie est ce qu'elle est (et on s'en fiche, du moment que la tension max de sortie du LDD est supérieure, avec un peu de marge, à la somme des tensions aux bornes de la chaîne de LED).

Les LED réelles n'étant pas idéales, la tension de seuil varie en pratique un peu en fonction de la température et de l'intensité traversant la LED. Les specs techniques des LED donnent ces caractéristiques. Si l'on ne veut pas trop s'embêter, on peut de manière fiable prendre entre 5% et 10% de plus que la tension de seuil, pour une intensité des 2/3 de Imax (qui est l'intensité qu'il vaut mieux ne pas dépasser pour pouvoir utiliser la LED sur le long terme. Le Imax de la LED est l'intensité max qu'elle peut supporter sur une courte durée sans cramer, pas celle lui permettant de fonctionner dans la durée avec une espérance de vie de plusieurs années.).

Donc stratégie de dimensionnement:

- Soit 10 Led de tension de seuil 3.0V, Imax 1500mA

- Ces LED seront drivées, pour protéger leur durée de vie, à 1000mA (s'assurer alors que la luminosité produite est suffisante).

- La tension max sera environ de 10 x 3.0 + 10% = 33V.

- Donc il faudra choisir un LDD 1000mA et 36V. Un 48V devrait convenir aussi (mais plus cher, et certains modèles ont une "tension min" à respecter, il faudrait alors s'assurer que cette tension min est bien inférieure à 33V. Comme 33V est assez inférieure à 48V, la question se pose). Un 24V par contre ne fonctionnerait pas.

Modifié le 8 octobre 2020 par Poisson chat

[Denisio]

Whaouuuuu ! Merci pour cette réponse détaillée qui dépasse toutes mes attentes et qui clarifie tout. 

J'ai un peu de mal avec ces notions. 

Il y a 10 heures, Poisson chat a dit :

... la tension aux bornes de la LED idéale ne pouvant pas dépasser la tension de seuil, quelle que soit l'intensité qui la traverse...

... la tension de sortie est ce qu'elle est (et on s'en fiche, du moment que la tension max de sortie du LDD est supérieure, avec un peu de marge...

Mais si je l'admet comme un postulat (ai-je le choix ? ) lié à la nature même d'une LED, je sais mieux interpreter la courbe caractéristique et j'ai la réponse à mes questions. 

Le seul moyen de pousser une LED est finalement d'augmenter l'intensité du courant (jusqu'à une certaine limite). 

J'imagine que pour réguler son éclairement, la modulation d'intensité n'est pas la solution la plus simple, d'où peut-être, le choix de hacher le signal (PWM)? 

 

Merci encore 😊

[Poisson chat]

En fait, on peut faire une analogie avec les restaurants.

- Un restaurant classique, tu payes chaque plat que tu manges. Donc tu payes 10€ tu manges un plat, 20€ 2 plats etc. C'est l'électricité classique pilotée par la loi d'Ohm: plus il y a de la tension (plus tu payes), plus il y a de l'intensité (plus tu manges).

- Les semi-conducteurs, comme les LED, c'est davantage le fonctionnement en mode "buffet à volonté pour 30€". Si tu payes moins que 30€, tu ne manges pas (quelque soit le montant que tu payes entre 0,01€ et 29,99€). Mais dès que tu payes 30€, tu peux manger "à l'infini". Et il n'y a aucune raison que tu payes jamais 31€.

Concernant le pilotage des LED, comme on sait construire des régulateurs 1000mA, 1500mA, etc, on pourrait construire des régulateurs dont l'intensité de sortie est variable. Ce qui ferait varier la luminosité des LED. Mais ce serait complexe à construire, et la courbe intensité/luminosité n'est pas vraiment linéaire (et dépend de chaque famille de LED): dur dur de déterminer quelle intensité choisir pour obtenir la luminosité voulue. Il est infiniment plus simple de procéder à des successions allumer/éteindre de la LED (via un simple transistor): si la fréquence est suffisamment élevée, la persistance rétinienne va simplement moyenner ces périodes "jours" et "nuits" en une luminosité moyenne. C'est super simple à mettre en œuvre via un signal PWM, et le réglage se fait très simplement (70% de la luminosité max = éclairage "on" 70% du cycle), et ce de manière totalement indépendante de la caractéristique intensité/luminosité propre à chaque famille de LED (sujet pour lequel on ne se pose la question que pour le dimensionnement du driver, à savoir à quelle intensité driver la led).

D'une manière générale:

- En électricité on pilote en tension, l'intensité étant une résultante via la loi d'Ohm.

- En électronique (et dès que l'on utilise des semi-conducteurs), il faut raisonner (en général, il y a bien sûr des exceptions) "intensité" et "fréquence", la tension n'étant en générale qu'une simple résultante dont on va surtout s'assurer quelle demeure dans les plages acceptables pour le composant (max, mais parfois aussi min).

Modifié le 9 octobre 2020 par Poisson chat

[Denisio]

J'aime bien l'analogie avec les restaus. Ça me parle. 

Merci 😊

[Denisio]

Pourtant, il me semble que l'on peu griller une LED si on la met sous trop haute tension.

Du coup je ne comprends plus. Il y a contradiction. 

[Poisson chat]

Ce n'est pas tant la surtension que la surintensité qui va griller la LED.

Cas extrême: une LED de tension de seuil 3V que l'on met directement aux bornes d'une alimentation 5V. La LED va être passante, va se laisser traverser par une intensité très importante qui va la griller (elle va se comporter un peu comme un court-circuit). Dans le même temps, l'alimentation va essayer de maintenir 5V en sortie alors que cette tension se sera effondrée à 3V (tension de seuil de la LED): l'alimentation va griller aussi (ou se mettre en défaut), de la même manière que si elle était court-circuitée.

Tu dois confondre avec les transistors, qui eux effectivement peuvent claquer via une tension trop importante à leurs bornes (même si l'intensité peut rester sous contrôle, cas typique d'un fonctionnement non-saturé).

[Denisio]

OK, le problème existe donc dans le cas où il n'y a pas de régulation de courant. 

Mais je ne confonds pas avec les transistors. Aucun risque vu mon ignorance en électronique 😉

[Poisson chat]

En y réfléchissant, il y a bien effectivement un cas où l'on peut claquer une led par surtension, c'est si la LED est branchée "à l'envers", ou plus précisément voit une tension inversée à ses bornes.

Une LED est en effet un composant polarisé, qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Dans l'autre sens, la LED est bloquée, une tension arbitrairement haute peut donc être appliquée à ses bornes... jusqu'au claquage.

[Bubule]

Et bien voilà une superbe explication. Bien détaillée. A la fois technique et compréhensible. Merci Poisson-chat