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Contrôler une led de puissance

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La led, un composant qui s'alimente en courant

J'ai beaucoup hésité avant d'écrire cet article. Je n'avais pas envie de faire un document "bateau" qui répète ce que l'on peut lire chaque mois dans les magazines d'électronique. Néanmoins, étant fort surpris deconstater la difficultéà se poser les bonnes questions sur un schéma pour allumer une led, j'ai choisi d'écrire cet article pour poser les bases.

La led est un composant qui s'alimente en courant. Cela signifie que si on vient à placer une différence de potentiel entre les pôles de la led, cela ne sert à rien, sauf à la brûler. En effet, la led est caractérisée par plusieurs paramètres, les deux plus important dans notre cas sont les suivants:

  • Le courant maxqui peut circuler dedans en continu (pas en pointe)
  • La chute de potentiel qu'on retrouve aux bornes de la led.

Sion place5V sur une led dont la chute de potentiel est de 3.6V, on crée d'office un court-circuit avec un courant théorique infini, ce qui conduira directement à brûler la led. Dès lors on doit réguler le courant qui circule dans la led.

Le schéma le plus connu pour allumer et réguler le courant dans une led, est le suivant:

regresistif

Nous avons une alimentation continue Vcc, une led caractérisée par une chute de tension Vled et une résistance. Vled est une constante. En effet, quel que soit le courant qui circule dans la led, Vled restera identique (à peu de chose près). Pour allumer la led, nous limiterons donc le courant qui circule dedans via la résistance R. Pour calculer cette dernière, nous savons que la chute de potentiel qui se présente entre ses pôles est de Vcc-Vled. Dès lors, le courant I qui circule dans la ledest de:

I=(Vcc-Vled)/R

Si nous avons Vled=3.6V (une led de puissance de type luxeon rebel 3Watts), I=0.7A et Vcc = 5V:

0.7=(5-3.6)/R, donc R vaudra 2Ohms

La dissipation dans Rest par contre de:

P=R*I², P=2*0.7²=1W

Ce qui signifie que pour allumer une led de 3W avec une source de 5V il est nécessaire de dissiper 1W supplémentaire dans la résistance.

Le rendement est un premier problème. Le deuxième problème beaucoup moins abordé et pourtant bien présent est la stabilité de l'alimentation. En effet, imaginons que l'alimentation ne tienne pas les 5V quand on la charge avec le circuit présenté. Ce problème est très présent! Surtout dès que l'on commence à jouer avec des charges de plusieurs Ampères. Lorsque le circuit se voit charger, au lieu d'avoir 5V à la sortie de l'alimentation, on n'a plus que 4.5V. Le courant I qui circule dans la led vaudra dès lors:

I=(4.5-3.6)/2=0.45A, soit 0.25A en moins! Soit une différence de 35% pour une variation de 10% sur l'alimentation.

Ce genre de problème arrive fréquemment lorsque l'on souhaite allumer une quantité de led importante et qu'on utilise plusieurs alimentations. On remarque que certaines leds n'ont pas la même luminosité, ce phénomène est directementlié à une régulation trop simple de par l'utilisation d'une simple résistance.

Réguler une led avec des circuits actifs

Avant de créer un par à led, nous allons voir deux modes de régulation d'un éclairage à led qui permettent d'avoir une meilleure stabilité dans l'éclairage.

Le premier type de "drive" à led est réalisé au travers d'un transistor:

regtransnpn

Le transistor va permet de reprendre les variations de Vcc pour conserver un courant I constant (ou presque) dans la led. Dans le cas d'un transistor, nous savons que le potentiel entre sa base et son émetteur (Vbe) est constant et vaut environ 0.6V (la tension de chute d'une diode). Le schéma proposé n'est pas compliqué :au travers de deux diode de chute Vd, nous fixons la tension de la base du transistor.A partirde ce moment, nous savons que la tension aux pôles de R vaudra 2*Vd - Vbe, soit envirn 0.6V (dépendant des caractéristiques des diodes choisies).

Nous pouvons ainsi fixer le courant qui circule dans le schéma au travers de R, si nous souhaitonsun courant de0.7A dans la led:

0.7=(2*Vd-Vbe)/R, ce qui vaut environ 0.7/0.6=0.85R

La résistance Rpol permet uniquement de polariser la base et les deux diodes en envoyant un faible courant mais suffisant pour saturer le transistor.

Que se passe-t-il quand Vcc varie?

Comme la tension sur R (VR) est fixée par des diodes, dont la chute de potentiel varie très faiblement en fonction du courant qui la traverse, le courant I reste (à peu de chose près) identique car VR ne bouge pas. Dans le schéma ci-dessus, nous constatons que le seul élément qui dépend de la tension d'alimentation est le transistor. C'est le transistor, et plus précisément la tension Collecteur-Emetteur (Vce) du transistor qui va "ramasser" la différence de tension et va permettre à la led de garder luminosité constante quelles que soit les variations.

L'inconvénient de ce montage est bien évidemment que nous ne gagnons rien en termes de rendement. La puissance qui était préalablement dissipée dans la résistance se réparti ici entre le transistor et la résistance qui fixe le courant. Il est, dans certain cas, nécessaire de placer un radiateur sur le transistor pour éviter qu'il ne brûle.

Régulation d'une led via un drive à découpage

Le dernier mode de régulateur qui va être présenté se base sur l'utilisation d'une inductance. Ce dernier composant à l'intérêt de s'opposer à une variation de courant. Lorsqu'on applique une tension aux pôles d'une inductance, le courant augmente progressivement jusqu'à atteindre un maximum (qui dépend de la résistance du circuit). Dans le cas d'un drive à découpage de type buck (step-down, la tension d'alimentation est supérieure à la tension utile en sortie), l'inductance estalimentée par la source d'alimentation. Quand le courant qui circule dans le circuitest suffisant, l'alimentationest coupée. L'inductance réagit et essaye de maintenir le courant dans le circuit (elle s'oppose à la variation de courant), pour cela elle se vide de l'énergie qu'elle a chargé pendant la première étape. Quand elle ne parvient plus à maintenir le courant, ce dernier diminue, le circuit reconnectera alorsl'alimentation et l'inductance se rechargera progressivement jusqu'à ce que le courant réatteigne son maximum où de nouveau l'alimentation sera coupée. De cette manière, toute l'énergie qui est sortie de la source d'alimentationest utiliséepour allumer la led et n'est pas dissipée sous forme de chaleur dans la régulation(à quelques pourcents prêt dépendant du rendement de l'alimentation). Le schéma de principe est le suivant:

regsmps

Dans ce type de schéma, tout tourne autour d'un driver. C'est ce dernier qui contrôle le mosfet (transistor) qui ouvre ou ferme le circuit. Quand le circuit est fermé, le courant charge la self et augmente. Il passe à travers la led et à travers la résistance R. En passant dans R il crée une différence de potentiel aux bornes de cette dernière. Cette différence permet au drive d'avoir un retour (feedback) sur le courant qui circule dans le circuit. Lorsque celui-ci a atteint un maximum, le driveouvre le circuit. Le courant circule alors en rond entre l'inductance, la led, la résistance et la diode dite de roue libre. Le drive continue de comparer la tension sur R avec une référence qu'il possède. Quand la tension sur R diminue, ce qui atteste d'une diminution du courant circulant. Le drive ferme le circuit pour réalimenter l'inductance.

Grâce à ce type de circuit, on arrive régulièrement à des rendements de plus de 90%. Ce qui signifie que plus de 90% de la puissance débitée par l'alimentation permet directement d'alimenter la led. Ce type de circuit protège également des variations sur la source d'alimentation (certaines limites existantent néanmoinsmais ellesdépendent de chaque composant).

La difficulté d'un régulateur à découpage est premièrement de bien calibrer chaque composant. L'inductance ne peut pas être choisie au hasard. Il faut souvent se référer aux prescriptions du constructeur de la puce (nous verrons dans la troisième partie, la création du par, comment choisir les différents composants). Ensuite, les commutations du mosfet génèrent souvent des parasites qui sont problématiques quand on parle de compatibilité électromagnétique.

Nous remarquons également que ce type de montage utilise plusieurs composants actifs ce qui en augmente le coût.

Dimmer la led

Il est important quand on joue avec des leds de haute puissance de pouvoir modifier le courant dans cette dernière (pour changer sa luminosité). Une manière simple d'arriver à cette fin est d'utiliser une PWM. Ce signal est caractérisé par une fréquence et un duty-cycle (c'est à direun pourcentage du temps pendant lequel le signal sera "On" par rapport au temps où il sera "Off"). Ce signal, couplé à un mosfet,permet d'ouvrir et de fermer le circuit:

regdimtransnpn

Si la PWM est à 50% de duty-cycle, pendant 50% du temps, le circuitest fermé, ce qui signifie que le courant circule et que la ledest allumée. Le reste du temps, le circuit est ouvert et la ledest éteinte. Si la fréquence de la PWM est importante (plus de 100Hz), l'oeil ne remarque pas le clignotement de la led et ne perçoit que la moyenne de l'intensité.

Dans le cas d'un drive à découpage, on trouve souvent une entrée Dimmer sur le composant. C'est le drive qui régule directement en fonction de la PWM envoyée le courant moyen circulant dans la led.

Il est néanmoins important de faire attention à un dernier point, Dans le cas d'un régulateur résistifqu'à base d'un transistor: la fréquence de la PWM peut être faible ou importante car le circuit réagit facilement. Le choix de la fréquence pour un circuit à découpageest compliqué. Il faut prendre en compte différents paramètres dont:

  • Un circuit à découpage travaille souvent avec une fréquence propre, il est important que la fréquence de la PWM soit inférieure à cette fréquence sinon le circuit ne peut pas alimenter correctement la led.
  • Si la fréquence propre du drive est trop basse, lorsque l'on souhaite allumer faiblement la led, celle-ci risque de clignoter, ce quin'est vraiment pas agréable pour l'oeil.

Récapitulatif

tableau

Le tableau ci-dessus donne une image des trois solutions proposées. Pour une question de rendement et de stabilité, il est déconseillé d'utiliser pour des leds de haute puissance un circuit purement résistif.

Le circuit à base de transistor peut être utilisé quand il est nécessaire d'éclairer indépendamment un nombre important de leds. Son rendement est mauvais, mais vis-à-vis du coût et par le fait qu'il posera moins de problème d'un point de vue EMC, son utilisation dans ce cadre est intéressante.

Le drive à découpage est quantà lui requislorsqu'on souhaite allumer une quantité très importante de leds. Son rendement étant optimum, il permet de limiter la taille de l'alimentation à placer derrière.

Le par à led que nous allons proposerest basé sur un drive à découpage.

 

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