Nouvelles

Aug 11, 2023

Contrôle ta LED

Dans un article précédent, j'ai parlé des LED en général et de leurs propriétés. Dans ce

Dans un article précédent, j'ai parlé des LED en général et de leurs propriétés. Dans cet article, je souhaite donner quelques exemples de pilotage de LED et comparer quelques-unes des méthodes les plus couramment utilisées. Il n'y a pas de "taille unique" mais je vais essayer de généraliser autant que possible. L'idée est de pouvoir contrôler efficacement la luminosité des LED et de prolonger leur durée de vie tout en le faisant. Un chauffeur efficace peut faire toute la différence si vous prévoyez de les déployer sur de longues distances. Examinons le problème, puis discutons des solutions.

La plupart des débutants seront intéressés à faire briller une LED sans la faire exploser. Un peu plus loin sur la ligne, il s'agit de contrôler la luminosité, puis de mélanger les couleurs pour produire n'importe quelle nuance à partir du sélecteur de couleurs. Dans tous les cas, il est essentiel d'avoir une compréhension claire de l'application finale. Une application d'éclairage telle qu'une lampe d'établi nécessitera rarement une commande de lumière d'ambiance romantique. Au contraire, une lumière disco nécessitera des intensités fluctuantes de différentes LED colorées.

Alors, comment la luminosité est-elle perçue ? Logiquement parlant, lorsque vous avez deux lampes LED de 100 lumens chacune, le résultat devrait être le double de la luminosité. En réalité, les yeux humains sont logarithmiquement sensibles au changement d'intensité, ce qui signifie que doubler l'intensité sera perçu comme un petit changement.

La perception de l'intensité lumineuse suit la loi de puissance de Stevens avec un exposant qui dépend de la quantité de votre champ de vision occupé par la lumière. Pour un spot de 5 degrés, l'exposant est d'environ 0,33 mais pour une source ponctuelle, il est d'environ 0,5. Cela signifie que pour un spot à 5 degrés, la source doit augmenter d'un facteur 8 pour paraître deux fois plus lumineuse et une source ponctuelle doit augmenter d'un facteur 4 pour paraître deux fois plus lumineuse.

Commençons par une simple LED SMD 1 W comme celle disponible chez Adafruit. Celui-ci est évalué à 90 lumens et est livré avec un circuit imprimé en aluminium comme dissipateur thermique. Voici un aperçu rapide de certains des paramètres de la LED.

La fiche technique contient des informations assez importantes à commencer par le courant direct (continu) et le courant direct de pointe. Les valeurs sont respectivement de 350 mA et 500 mA et ne doivent pas être dépassées.

Deux éléments d'information plus importants sont utilisés qui sont représentés sous forme de graphiques. Le premier est le graphique du courant et de la tension directs qui montre qu'une tension d'environ 1,8 V est suffisante pour polariser en direct la LED. Le courant augmente ohmiquement après cela et à environ 3 V, il est rapporté qu'il consomme environ 200 mA. La deuxième courbe est la LI relative par rapport au courant direct qui montre que le courant contrôle la quantité de lumière émise (la ligne droite s'étendant jusqu'à la marque "4").

Étant donné que la LED suit la loi d'Ohm, le courant doit être directement proportionnel à la tension et nous pouvons donc faire varier la tension pour contrôler la luminosité. Eh bien, il y a juste un petit hic que la courbe du courant direct est si raide qu'un petit incrément de tension aura un changement de courant plus important. La luminosité sera différente si vous connectez une pile bouton plutôt que deux piles alcalines. Les deux ont une différence de potentiel de 3 V mais la quantité de courant fournie par l'un ou l'autre est différente et, par conséquent, la luminosité est différente. Plutôt que de contrôler la tension, il est préférable de contrôler directement le courant traversant la LED.

Le plus simple est d'ajouter un potentiomètre en série avec la LED. Simple! Essentiellement, lorsque vous faites varier la résistance, la loi d'Ohm entre en jeu et le tour est joué ! La résistance variable équivaut à un courant variable équivaut à une luminosité variable.

Voici une simulation d'une LED avec une résistance variable variant de 100 ohms à 1 kilohm. Le seul problème est que si la résistance de la LED change ou si la tension fluctue, le résultat peut être dévastateur. Il s'agit essentiellement d'un contrôle en boucle ouverte et il n'y a pas de retour du circuit vers l'utilisateur autre que la variation de la luminosité.

Bien sûr, il y a aussi la question de l'efficacité puisqu'il y aura également de la puissance dissipée par le potentiomètre.

Ensuite, le plus simple est de créer un circuit à courant constant. Il existe un certain nombre de façons de créer une simple source de courant constant et je recommande fortement de parcourir le livre "Art of Electronics" pour une explication détaillée de la même chose. Sans surprise, il existe également un article Wikipedia sur le sujet.

Vous pouvez utiliser un régulateur de tension variable LM317 classique pour fournir un petit courant constant. Ce n'est pas très efficace car il y a beaucoup de chaleur dissipée au niveau de la résistance de réglage à des courants plus élevés.

La meilleure méthode consiste à utiliser un circuit en boucle fermée qui fournit une rétroaction analogique pour inhiber les courants excessifs et compenser les variations de la charge. Le circuit illustré est un simple limiteur de courant et est recommandé car il offre un rendement supérieur à celui des autres circuits à transistors.

Cela fonctionne pour limiter le courant à travers R_sense de sorte que la chute à travers celui-ci ne dépasse pas 0,6 V. Si cela se produit, Q2 s'allume et Q1 sera éteint, ce qui limite le courant à travers R_load qui, dans notre cas, sera une LED. En ajustant R_sense à l'aide de la loi d'Ohm, nous pouvons ajuster le courant maximum de notre LED.

Personnellement, je préfère le circuit ci-dessus avec Q1 remplacé par un MOSFET, mais dans les cas où nous voulons contrôler la luminosité numériquement, la méthode suivante serait bien mieux adaptée.

Le circuit suivant implique l'utilisation d'un ensemble d'impulsions pour allumer et éteindre le courant à travers la LED. C'est comme appuyer sur l'interrupteur d'alimentation assez rapidement pour donner l'impression que la lumière est tamisée. Communément appelée PWM ou modulation de largeur d'impulsion, une série d'impulsions avec des cycles de service variables ou des temps d'activation et de désactivation peut être utilisée pour la tâche.

Sous ce sujet, il y a deux parties à discuter. Le premier est la source de commutation qui peut être un simple oscillateur ou un microcontrôleur. Le second est l'interrupteur lui-même qui sera l'étape motrice de cette conception. Jetons un coup d'œil aux deux en bref.

Pour générer les impulsions, l'humble 555 est un bon choix. Le circuit montre un simple circuit PWM avec T1 étant l'élément de commutation.

Pour générer les impulsions, l'humble 555 est un bon choix. Le circuit ci-dessous montre un simple circuit PWM avec T1 étant l'élément de commutation.

À ce stade, nous avons un certain nombre d'options et de questions auxquelles il faut répondre.

1. Quelle est la fréquence correcte pour le PWM ?

2. Comment puis-je connaître la quantité de courant fournie et

3. Comment tout cela affecte-t-il la luminosité ?

La fréquence du PWM affecte le scintillement perçu. Un exemple simple est lors de l'enregistrement d'une vidéo numérique si vous utilisez NTSC dans un environnement d'éclairage de 60 Hz, votre caméra captera beaucoup de scintillement et le passage à PAL vous aidera beaucoup. Pour PAL, c'est 50 Hz, alors essayez-le maintenant avec votre webcam et voyez l'effet.

L'idée est que des fréquences de commutation plus élevées sont meilleures, mais vous ne pouvez pas monter arbitrairement haut. N'oubliez pas que toutes les LED ont un temps d'allumage nécessaire pour qu'elles s'allument et commencent à briller. Si vous changez trop rapidement, la LED ne s'allumera tout simplement pas. Une autre conséquence est que la fréquence a un effet sur l'efficacité de l'élément de commutation et nous y reviendrons dans un instant. À l'heure actuelle, nous devons déterminer la meilleure fréquence pour notre LED. Faites défiler vers le haut et vérifiez la dernière entrée dans l'extrait de fiche technique.

Il indique 1 KHz, ce qui est recommandé par le fabricant et, dans la plupart des cas, cette information sera fournie dans la fiche technique elle-même. Sinon, tout ce qui dépasse 500 Hz devrait être utilisable. Consultez ce lien pour une application sur la gradation des LED.

Étant donné que cette technique permet un contrôle numérique du courant, donc de la luminosité, la prochaine étape serait de trouver un moyen de contrôler la luminosité. N'oubliez pas que le LI est directement proportionnel au courant mais que la luminosité perçue est logarithmique. Nous devons traduire l'entrée pas à pas linéaire en une variation de courant logarithmique.

Lorsque vous utilisez des microcontrôleurs ou même des FPGA, la réponse est très simple : des tables de recherche ! Avoir une liste de cycles de service PWM qui correspondent à une séquence de valeurs de luminosité perçues. Un bon exemple que je dois mentionner est ici, où le concepteur utilise un FPGA pour créer un journal LUT afin de générer un PLI linéaire à partir des entrées de l'utilisateur. La même table de recherche peut être utilisée avec un Arduino et je vous encourage fortement à essayer.

Note personnelle : Lorsque les LED sont apparues initialement, l'un des problèmes auxquels nous étions confrontés était que les pilotes de LED fournis avec les lampes ne fonctionnaient pas correctement. J'ai initialement conçu un petit circuit pour limiter le courant avec une thermistance pour éteindre la LED en cas de surchauffe de l'élément de commutation. Finalement, des solutions dédiées ont commencé à apparaître que nous examinerons dans les sections suivantes.

Le deuxième élément du menu est l'élément de commutation proprement dit. Vous pouvez utiliser un BJT ou un FET ou un MOSFET en fonction de votre budget et de votre état d'esprit. Les BJT sont des créatures plus simples et nécessitent très peu de composants supplémentaires. Un 2N2222 peut gérer en toute sécurité 800 mA de courant, ce qui est bon pour de nombreuses applications.

Les MOSFET, en revanche, sont plus exigeants en termes de composants et nécessitent un peu de soin pour se déployer. En échange, ils offrent une résistance ON bien moindre de l'ordre du milliohms et un rendement supérieur. Jetons un coup d'œil aux deux.

Voici le circuit de pilote de LED BJT le plus simple. Il se compose d'un transistor connecté en configuration d'émetteur commun. Le transistor est activé lorsque l'interrupteur d'entrée est fermé, ce qui permet au courant de circuler de la LED à la borne de terre. La résistance est calculée comme

r0 = (Va+Vce) / Ic où Va est la tension initiale.

Celle-ci n'est pas constante et varie avec le point de fonctionnement du transistor et en condition de saturation est de l'ordre de quelques ohms. La dissipation de puissance est insignifiante pour quelques milliampères mais devient rapidement un problème pour des tirages de courant plus importants.

Je vous renvoie à un post vidéo de [Dave Jones] du EEVBlog où il utilise un BD136 et un 555 pour faire varier la luminosité des LED sur un équipement. Cela fonctionne pour les charges avec des puissances inférieures, mais si vous cherchez à piloter des LED plus grandes, attendez-vous à ajouter des dissipateurs thermiques assez lourds.

Un MOSFET a une très faible résistance ON de l'ordre de quelques milliohms, ce qui signifie que dans un tel état, il dissipera de très petites quantités de chaleur selon P = I2R.

Étant donné qu'il s'agit d'appareils commandés en tension et qu'ils ont des impédances d'entrée très élevées, nous pouvons en mettre en parallèle plusieurs en toute sécurité. Malheureusement, ceux-ci sont également sensibles aux faux événements de mise sous tension. Par conséquent, pour les applications de commutation, les circuits doivent être soigneusement conçus. Une explication plus détaillée est disponible ici pour les intéressés cependant pour cet écrit, nous continuerons avec un cas général.

J'ai récemment acheté deux panneaux LED sans marque dans une quincaillerie locale. Le vendeur m'a dit que je devais les connecter à une source 12 V et qu'ils fonctionneraient. Lorsque je les ai enchaînés et connectés à une alimentation de banc, j'ai constaté qu'à 12 volts, ils pouvaient tirer jusqu'à 2,7 ampères ! La luminosité est effrayante à courte distance et j'ai besoin de contrôler leur luminosité.

La prochaine étape consiste à déterminer le MOSFET qui conviendra le mieux. Compte tenu des dépassements lors de la commutation, j'aimerais opter pour un dispositif de tension Drain-Source de 20 V ou même de 30 V pour être du bon côté. Quant au courant, si j'ai l'intention de passer autour de 5 ampères de courants de crête, un Res(ON) de 0,1 ohms signifierait 2,5 watts ! Dans un tel cas, le coût de mon dissipateur thermique affecterait grandement mon produit final. Au lieu de cela, je voudrais quelque chose avec une fraction de la résistance ON - comme 0,01 ohms ou moins, en particulier pour les appareils SMD.

Ensuite, j'ai l'intention de changer le MOSFET avec un 555 ou un Arduino. Cela se traduit par 5 V Vgs et donc les MOSFET de niveau logique sont préférés ; bien que je piloterai les LED avec une alimentation de 12 volts, je pourrais donc utiliser un transistor ou un pilote MOSFET dédié. Sans cela, la résistance effective serait plus élevée mais cela vaut néanmoins la peine d'essayer.

Je suis également tenté de regarder le PH2520U et le MTP3055VL désormais obsolète qui est un MOSFET de niveau logique. Le MTP3055VL a une résistance ON relativement élevée et peut être allumé avec 5,0 Volts au détriment de 0,18 Ohms et beaucoup de puissance dissipée.

Les IRF530, IRF540, IRFZ44N et AO3400A sont tous de bons choix car j'en ai quelques-uns en stock. À l'aide d'un IRFZ44N, j'ai créé un pilote de LED simple et utilisé directement un Arduino Uno. Rappelez-vous que les broches Arduino vont jusqu'à 5V et j'ai utilisé l'exemple de fondu qui génère du PWM prêt à l'emploi. La fréquence du signal PWM est de 490 Hz, ce qui est assez correct.

Le résultat est une gradation efficace du panneau. Cependant, en regardant de plus près la forme d'onde, nous voyons que la sortie a un temps de montée significatif avec un seul panneau LED.

Cela est dû aux parasites capacitifs ainsi qu'à un faible courant de commande et peut être résolu en ajoutant un étage de commande de transistor. Ce rapport d'application TI (PDF) documente assez bien les circuits de pilote de porte en référence à un pilote de totem bipolaire non inverseur qui a été étudié en détail par [Joost Yervante Damad]. Étant donné que notre fréquence de commutation se situe dans la plage inférieure, ces pertes de commutation sont insignifiantes. Si nous devions basculer dans la gamme des kHz ou dans la gamme des MHz, ces parasites seraient rapidement la mort de notre prototype.

Dans mon cas, j'ai procédé sans étape de conduite, mais j'ai ensuite modifié le code pour un rapport cyclique de 75% et mesuré la consommation de courant avec une valeur variable de PWM. Il s'avère qu'il aspire un peu moins de 1 A de courant de crête. Le MOSFET n'a pas chauffé dans la mesure où il nécessiterait un dissipateur thermique, de sorte que le circuit est également utilisable tel quel pour ce panneau LED. Je peux procéder à la fabrication d'un PCB pour ma petite lampe, cependant, il y a une autre option que j'aimerais examiner.

Des puces de pilote de LED dédiées vous permettent de contrôler efficacement les LED sans avoir à penser à tous les paramètres. Un bon exemple est le TPS92512 qui permet le contrôle des LED haute luminosité à l'aide de PWM qui est contrôlé en interne. Le contrôle du courant est mis en œuvre en interne et des signaux externes, y compris PWM, ainsi que des signaux analogiques peuvent être utilisés pour contrôler la luminosité de manière linéaire. Pas besoin de tables de recherche.

J'ai câblé une carte de test avec le même panneau LED de sorte que la luminosité soit contrôlée à l'aide de la broche IADJ. Un préréglage simple a été utilisé pour faire varier la tension entre 0,8 et 1,8 volts à la broche souhaitée. La sortie est une tension variable propre et efficace qui est filtrée par un capuchon d'étage de sortie.

La fréquence PWM est d'environ 580 kHz lorsqu'elle est sondée entre l'inductance. Je n'ai pas pu voir d'oscillations au niveau des broches LED de sortie, ce qui signifie que l'étage de filtre fait le travail efficacement. J'ai créé une version DIY du PCB dans Autodesk Eagle (GitHub) que vous pouvez télécharger pour créer la vôtre.

Il y a un peu de violet OSHPark là-dedans et j'espère le souder moi-même. En regardant la taille des épingles, cela devrait être un exercice amusant. Faites-moi savoir si vous en faites un vous-même.

Alors, comment pilotez-vous une LED ? La réponse se trouve dans votre domaine d'application. Pour les petits tirages de courant LED, les BJT sont plus simples et les moins chers. Pour les consommations de courant moyennes, les MOSFET conviennent mieux et si vous voulez des solutions qui offrent d'excellentes expériences prêtes à l'emploi, les puces de pilote dédiées sont la solution. Quant à moi, j'ai une lampe à finir qui utilisera la voie médiane puisque cela a fonctionné dans mes tests. Si jamais j'arrive au point où je vois du scintillement dans mes vidéos, alors la solution TPS92512 sera très pratique. Je suis sûr que vous avez votre propre solution et la meilleure façon de la partager serait un projet sur Hackaday.io. Allez-y, fabriquez une petite lampe avec une lumière aussi blanche que la neige et partagez avec nous votre histoire.