Une diode électroluminescente ou DEL est un semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu’une tension et un courant spécifique sont appliqués à ses bornes. C’est un processus appelé électroluminescence. Le symbole d’une DEL (LED en anglais) est semblable à une diode régulière sauf qu’il y a deux ou plusieurs flèches pour indiquer qu’elle émet de la lumière. Les flèches sont utilisées pour indiquer que la diode est une diode électroluminescente. Le côté positif de la diode est appelé anode et le côté négatif est appelé cathode.
La diode électroluminescente a besoin d’une tension positive spécifique entre son anode et sa cathode pour générer de la lumière. Cette tension est appelée tension directe (Vf en anglais pour forward voltage) et varie en fonction du modèle de DEL et de la couleur. Si la tension directe entre l’anode et la cathode est dépassée, un grand courant circulera dans la DEL. La DEL brûlera et peut même exploser dans certains cas. La DEL a un courant direct (If en anglais pour forward current) qui circule à travers elle quand une tension spécifique est appliquée. Dans toutes les applications, ce courant doit être contrôlé afin qu’il ne dépasse pas le courant direct maximum supporté par la DEL. Si le courant direct maximum est dépassé, la DEL brûle ou peut exploser dans certains cas.
Les diodes électroluminescentes ont une polarité et il est important de respecter cette polarité pour éviter de causer des dommages à la DEL. Ils peuvent résister à une petite tension inverse, mais ils ont généralement une tension inverse maximale beaucoup plus faible qu’une diode normale. Cette limite de tension inverse est appelée la tension de claquage (breakdown voltage en anglais). Si vous dépassez cette limite, un courant élevé circulera et la DEL sera endommagée. La DEL pourrait brûler ou même exploser dans certains cas.
Courant direct, tension directe et intensité relative
La tension directe est la tension nécessaire entre l’anode et la cathode pour que la diode électroluminescente soit active et s’illumine. Si une tension inférieure à la tension directe est appliquée, la DEL ne fonctionnera pas ou la lumière sera faible si vous êtes près de la tension directe. Il y aura un courant appelé courant direct qui circulera dans la DEL lorsqu’elle sera active. Dans la figure 3, vous pouvez voir le courant circulant à travers la diode électroluminescente par rapport à la tension directe appliquée entre l’anode et la cathode. Cette courbe est pour la DEL QTLP690C de Fairchild Semiconductor. La tension directe est spécifiée à 2V dans la fiche technique et nous pouvons voir qu’à partir de 2V, la courbe est linéaire ce qui signifie que la diode est complètement active. En dessous de 2V, elle commence à conduire à environ 1,75V et s’allumera un peu, mais ce n’est pas une courbe linéaire. Chaque modèle a des courbes différentes et vous devriez regarder dans la feuille de données de votre modèle de DEL pour cette information. À noter que la fiche de spécification pour cette DEL spécifie un courant maximal continu de 30mA donc il n’est pas recommandé d’avoir un courant continu de plus de 30mA dans cette diode.
Dans la figure 4, nous avons l’intensité relative du même modèle de DEL par rapport au courant direct (mA). Nous pouvons voir que l’intensité de la DEL est principalement linéaire avec le courant sauf en dessous de 2mA ou moins. Toutes les diodes électroluminescentes auront ces courbes dans leur fiche technique avec les informations sur le courant maximum qu’elles peuvent supporter, la tension directe nécessaire et bien plus encore. Vous devez toujours vérifier la feuille de données de votre DEL avant de l’utiliser pour vous assurer que vous utilisez votre DEL dans ses limites. Pour ce modèle spécifique (QTLP690C), le courant continu continu maximum supporté est de 30mA (à l’exception de la DEL jaune qui prend en charge un maximum de 25mA). Il est beaucoup mieux de contrôler une diode électroluminescente avec une source de courant qu’une source de tension. Une petite variation de la tension directe briserait la DEL. Si nous regardons la figure 3, une tension de 2,1V appliquée entre l’anode et la cathode casserait probablement la diode puisque nous sommes au-dessus de la valeur nominale maximale pour le courant direct de ce modèle. C’est seulement 100mV ce qui n’est pas beaucoup. L’application directe d’une tension à la borne d’une diode électroluminescente n’est pas recommandée, car une petite variation de la source de tension pourrait détruire la diode.
Noter que vous pouvez dépasser la limite de 30mA si vous appliquez une impulsion, car la limite de 30mA est pour un courant continu. Dans la plupart des fiches techniques, la longueur de l’impulsion et la fréquence seront spécifiées avec un courant maximum qui peut être appliqué pour l’impulsion spécifique. Si cette limite est dépassée, la DEL brûlera ou explosera. Également, le courant continu maximal va baisser avec l’augmentation de la température ambiante et la courbe de déclassement peut être trouvée dans la fiche de données de votre composant. Il est important de vérifier cela si vous allez utiliser une DEL dans un environnement avec une température ambiante élevée.
Résistance interne de la diode électroluminescente
La diode électroluminescente n’est pas un composant parfait. La DEL a une petite résistance interne. Pour la plupart des applications, cette résistance peut être ignorée, mais dans certains cas, elle est importante, car elle aura un impact sur le comportement d’un circuit. Dans la figure 5, nous avons un modèle simplifié de la composante interne d’une DEL. Lorsqu’un courant passe à travers la DEL, il y aura une chute de tension à travers la résistance et à travers la diode.
Dans la plupart des fiches techniques, la résistance interne n’est pas incluse et vous devrez calculer sa valeur en fonction du graphique montrant le courant direct par rapport à la tension direct. Pour calculer sa valeur, nous devons travailler avec la section linéaire de ce graphique. La chute de tension à travers la diode sera une valeur fixe lorsqu’on est dans la section linéaire. La tension directe de cette DEL est spécifiée à 2V typique. L’excédent de tension qui n’est pas sur la diode sera en chute de tension sur la résistance interne. Le courant direct augmente avec la tension directe puisque la résistance interne limitera le courant dans la diode.
Pour calculer la résistance interne, nous aurons besoin de deux points de la figure 6. Notre premier point sera à 2.0V et notre deuxième point sera environ à 2.25V puisque les courants à ces tensions sont plus faciles à lire dans le graphique. Point 1 : 2.0 V à 20 mA et point 2 : 2.25 V à 60 mA. Comme nous savons que la chute de tension aux bornes de la diode ne change pas avec le courant, la tension supplémentaire sera ajoutée aux bornes de la résistance interne. Pour une augmentation de courant direct de 40mA, nous avons une chute de tension supplémentaire à la résistance de 0.25V. Nous avons uniquement besoin de la loi d’Ohm pour trouver la résistance interne de la DEL. Ci-dessous, nous avons la formule que vous pouvez utiliser pour calculer la résistance interne. La tension divisée par le courant nous donne la résistance interne de la DEL.
La résistance interne est importante lorsque vous travaillez avec une source de tension qui correspond exactement à la tension directe de la DEL puisque vous allez probablement connecter la DEL directement à la source de tension sans résistance externe. Sans résistance externe pour limiter le courant, le courant est limité par la résistance interne de la DEL. Un petit changement de tension à votre source de tension provoquera un changement de courant important dans votre DEL qui pourrait détruire votre DEL si le courant dépasse le maximum absolu de votre diode électroluminescente.
Par exemple, si nous avons une source de tension de 2V qui n’est pas fiable et qui parfois monte à 2.1V. Nous aurons une augmentation de 100mV à travers notre DEL. Nous savons que notre résistance interne est de 6.25 ohms. On peut calculer la quantité supplémentaire de courant qui va circuler dans notre DEL avec la loi d’Ohm.
Un courant de 16mA supplémentaire va circuler dans la DEL et c’est un gros problème. Nous avions déjà 20mA à 2.0V et maintenant nous avons 36mA à 2.1V. Notez que ces informations peuvent être trouvées sans faire aucun calcul, vous pouvez trouver cette information dans la courbe de la figure 6. Dans la feuille de données du QTLP690C, il est écrit que la diode électroluminescente prend en charge un courant direct continu maximum de 30mA. Cela signifie que si le 2.1V reste suffisamment longtemps, il pourrait détruire cette DEL.
Les solutions à ce problème : Nous devons utiliser un modèle différent de DEL avec une tension directe plus faible que la source de tension ou utiliser une source de tension plus élevée afin que nous puissions utiliser une résistance externe pour limiter le courant. La résistance externe doit être de quelques centaines d’Ohms pour protéger contre un petit changement de la source de tension. Cela protégera la DEL d’un courant important qui pourrait s’écouler dans la diode électroluminescente en raison d’un petit changement de tension à la source. En sélectionnant une résistance avec quelques centaines d’Ohms, la résistance interne de la DEL peut être ignorée en toute sécurité, car une différence de quelques Ohms n’aura pas d’impact majeur sur la quantité de courant entrant dans la DEL.