Protection d’une LED avec Calcul de Résistance
Comprendre la Protection des LEDs
Les diodes électroluminescentes (LEDs) sont des composants semi-conducteurs qui émettent de la lumière lorsqu'un courant électrique les traverse. Contrairement aux ampoules à incandescence classiques qui se comportent comme des résistances, les LEDs ont une relation tension-courant non linéaire. Elles possèdent une "tension de seuil" (ou tension directe, \(V_F\)) à partir de laquelle elle commence à conduire le courant de manière significative. Si une tension supérieure à \(V_F\) est appliquée directement à une LED sans limitation de courant, le courant peut devenir excessivement élevé et détruire la LED. Pour éviter cela, on place une résistance, dite "de limitation" (\(R_{\text{lim}}\)), en série avec la LED. Cette résistance a pour rôle de "chuter" l'excédent de tension de la source d'alimentation et de s'assurer que le courant traversant la LED reste à sa valeur nominale (\(I_F\)), garantissant ainsi son bon fonctionnement et sa longévité.
Données de l'étude
- Tension de la source : \(V_{\text{s}} = 5 \, \text{V}\)
- Tension directe de la LED (tension de seuil) : \(V_F = 1.8 \, \text{V}\)
- Courant direct nominal de la LED (courant de fonctionnement souhaité) : \(I_F = 15 \, \text{mA}\)
Schéma : Circuit d'Alimentation d'une LED
Circuit série avec source, résistance de limitation et LED.
Questions à traiter
- Expliquer brièvement pourquoi une résistance de limitation est généralement nécessaire lors de l'alimentation d'une LED par une source de tension.
- Calculer la tension (\(V_R\)) qui doit apparaître aux bornes de la résistance de limitation \(R_{\text{lim}}\).
- Calculer la valeur de la résistance de limitation \(R_{\text{lim}}\) nécessaire pour que la LED soit traversée par son courant nominal \(I_F\).
- Choisir la valeur normalisée de la série E12 la plus appropriée pour \(R_{\text{lim}}\), en s'assurant que le courant ne dépasse pas \(I_F\). (Valeurs E12 : 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82, et leurs multiples par 10) Justifier votre choix.
- En utilisant la valeur normalisée de \(R_{\text{lim}}\) choisie, recalculer le courant réel (\(I_{\text{LED,réel}}\)) qui traversera la LED.
- Calculer la puissance (\(P_R\)) dissipée par la résistance de limitation avec le courant réel.
- Calculer la puissance (\(P_{\text{LED}}\)) consommée par la LED avec le courant réel.
Correction : Protection d’une LED avec Calcul de Résistance
Question 1 : Nécessité d'une résistance de limitation
Principe :
Une LED est un composant semi-conducteur qui ne se comporte pas comme une simple résistance. Elle possède une tension de seuil (\(V_F\)) à partir de laquelle elle commence à conduire. Si on applique une tension supérieure à \(V_F\) directement à ses bornes sans limitation, le courant peut augmenter de façon très importante et très rapidement, dépassant largement le courant maximal que la LED peut supporter. Cela entraînerait sa destruction par surchauffe (effet Joule excessif). La résistance de limitation est donc placée en série pour "absorber" l'excès de tension de la source et limiter le courant à une valeur sûre et désirée pour le fonctionnement optimal de la LED.
Question 2 : Tension (\(V_R\)) aux bornes de \(R_{\text{lim}}\)
Principe :
La source de tension \(V_s\) alimente la LED et la résistance \(R_{\text{lim}}\) en série. D'après la loi des mailles de Kirchhoff, la tension de la source se répartit entre ces deux composants. La tension aux bornes de la résistance, \(V_R\), est donc la tension de la source moins la tension directe de la LED, \(V_F\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(V_s = 5 \, \text{V}\)
- \(V_F = 1.8 \, \text{V}\)
Calcul :
Question 3 : Valeur de la résistance de limitation \(R_{\text{lim}}\)
Principe :
Avec la tension \(V_R\) à ses bornes et le courant souhaité \(I_F\) la traversant, la valeur de \(R_{\text{lim}}\) est calculée par la loi d'Ohm (\(R = V/I\)).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(V_R = 3.2 \, \text{V}\)
- \(I_F = 15 \, \text{mA} = 0.015 \, \text{A}\)
Calcul :
Question 4 : Choix d'une valeur normalisée pour \(R_{\text{lim}}\)
Principe :
Les résistances ne sont pas fabriquées dans toutes les valeurs possibles. Elles sont disponibles selon des séries de valeurs normalisées (E6, E12, E24, etc.). On choisit généralement la valeur normalisée disponible qui est la plus proche et supérieure à la valeur calculée, afin de garantir que le courant ne dépassera pas la valeur nominale de la LED. Si on choisit une valeur inférieure, le courant sera plus élevé que souhaité.
Données spécifiques :
- Valeur calculée \(R_{\text{lim}} \approx 213.33 \, \Omega\)
- Série E12 disponible : ..., 18, 22, 27, ... (et leurs multiples par 10, donc ..., 180, 220, 270, ...)
Choix et Justification :
La valeur calculée est \(213.33 \, \Omega\). Dans la série E12, les valeurs normalisées encadrant cette valeur sont \(180 \, \Omega\) et \(220 \, \Omega\).
- Si on choisit \(180 \, \Omega\) (inférieure), le courant sera plus élevé que \(15 \, \text{mA}\).
- Si on choisit \(220 \, \Omega\) (supérieure), le courant sera légèrement inférieur à \(15 \, \text{mA}\), ce qui est plus sûr pour la LED.
Quiz Intermédiaire 1 : Si on choisit une résistance de limitation plus faible que la valeur calculée, le courant dans la LED sera :
Question 5 : Courant réel (\(I_{\text{LED,réel}}\)) avec \(R_{\text{lim,norm}}\)
Principe :
Avec la résistance normalisée \(R_{\text{lim,norm}}\), le courant réel dans le circuit (et donc dans la LED) sera \(I_{\text{LED,réel}} = V_R / R_{\text{lim,norm}}\). La tension \(V_R\) reste la même car \(V_s\) et \(V_F\) n'ont pas changé.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(V_s = 5 \, \text{V}\)
- \(V_F = 1.8 \, \text{V}\)
- \(R_{\text{lim,norm}} = 220 \, \Omega\)
Calcul :
Question 6 : Puissance (\(P_R\)) dissipée par \(R_{\text{lim,norm}}\)
Principe :
\(P_R = I_{\text{LED,réel}}^2 R_{\text{lim,norm}}\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(I_{\text{LED,réel}} \approx 0.014545 \, \text{A}\)
- \(R_{\text{lim,norm}} = 220 \, \Omega\)
Calcul :
Question 7 : Puissance (\(P_{\text{LED}}\)) consommée par la LED avec le courant réel
Principe :
\(P_{\text{LED}} = V_F I_{\text{LED,réel}}\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(V_F = 1.8 \, \text{V}\)
- \(I_{\text{LED,réel}} \approx 0.014545 \, \text{A}\)
Calcul :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. La tension directe (\(V_F\)) d'une LED :
2. Si on utilise une résistance de limitation trop grande, la LED sera :
3. La puissance dissipée par la résistance de limitation est :
Glossaire
- Diode Électroluminescente (LED)
- Composant semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique dans le sens direct.
- Tension Directe (\(V_F\))
- Aussi appelée tension de seuil. C'est la chute de tension typique aux bornes d'une LED lorsqu'elle conduit son courant nominal. Elle varie selon la couleur et le type de LED.
- Courant Direct Nominal (\(I_F\))
- Courant pour lequel la LED est conçue pour fonctionner de manière optimale en termes de luminosité et de durée de vie. Dépasser ce courant peut endommager ou détruire la LED.
- Résistance de Limitation (\(R_{\text{lim}}\))
- Résistance placée en série avec une LED (ou un groupe de LEDs) pour limiter le courant qui la traverse à la valeur \(I_F\) souhaitée, protégeant ainsi la LED.
- Loi d'Ohm
- Relation fondamentale \(V = IR\), où \(V\) est la tension, \(I\) le courant, et \(R\) la résistance.
- Puissance Électrique (P)
- Taux de transfert d'énergie électrique, mesuré en Watts (W). Pour une résistance, \(P = VI = I^2R = V^2/R\).
- Série E12
- Une des séries normalisées de valeurs pour les résistances (et autres composants). Elle offre une tolérance typique de \(\pm 10\%\) et contient 12 valeurs par décade.
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