Les diodes ne sont pas toutes des lumières

Posté par  (site web personnel) . Édité par Davy Defaud, Yves Bourguignon, ZeroHeure, Maderios, Nÿco, bubar🦥, palm123, Benoît Sibaud, claudex, papap et Nils Ratusznik. Modéré par patrick_g. Licence CC By‑SA.
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nov.
2016
Matériel

Même pour un circuit numérique, il y a une dose d’électronique analogique. « Malheureusement », penseront certains. Voyons le cas des diodes.

Une diode est un dipôle (un bipède électronique), qui a un sens de branchement. Elle existe sous plusieurs formes, avec une tension de référence, à partir de laquelle, le courant qui la traverse peut s’envoler, la tension restant fixe, et la diode se comporte presque comme un fil.

Sommaire

Led

Les diodes électroluminescentes ou DEL

Les DEL, plus connue sous leur dénomination anglophone LED, pour Light Emitting Diode, ont pour fonction de servir de voyant ou d’éclairage. C’est fou le temps gagné si l’on dispose d’une LED pour signaler une carte sous tension. Cela évite de rechercher un problème, alors que l’alimentation est simplement coupée (vécu).

Les LED ont une tension nominale entre 1,2 V et 3,6 V (et non 0,6 V), 2,4 V étant la valeur la plus courante, cela varie selon leur technologie. L’avantage des versions à 3,6 V, est que cela correspond à la tension de 3 piles rechargeables (3 x 1,2 = 3,6 V). Avec ce genre de piles, on peut se passer de résistances qui servent habituellement à fixer le courant. L’intensité, dans une LED, est une fonction exponentielle à la tension à ses bornes. Si l’on dépasse 4 V, il y a de fortes chances de la détruire très rapidement, si l’alimentation peut fournir assez de courant.

La LED va être de plus en plus brillante au fur et à mesure que la tension monte, jusqu’à la tension de seuil où le courant va s’envoler. Dans le sens inverse, la tension à ses bornes va monter mais aucun courant ne passe.

Les LED puissantes chauffent, jusqu’à pouvoir se détruire, comme les LED laser, malgré le respect du courant maximal. Il leur donc faut un bon radiateur. On a toujours la puissance P = U × I, donc si I s’envole, la consommation aussi. Une partie de l’énergie est changée en chaleur.

Les rendements lumineux « de fou » (en candela par watt), « vu dans les magazines », concernent les LED les moins lumineuses, malheureusement. Mais cela change tous les jours.

Lors du choix d’une LED, pour servir d’éclairage, faites attention aux différentes grandeurs physiques indiquées : les candelas (cd) ou les lumens (lm). Une candela est la vraie valeur de puissance lumineuse. Le lumen est une mesure de puissance lumineuse par unité d’angle (candela par stéradian). En gros, vous pouvez avoir une LED avec un nombre de candelas faible, mais un nombre de lumens élevé, car la LED a un faisceau lumineux très étroit (15°, par exemple). Souvent, les vendeurs mettent en avant le nombre le plus avantageux. Rarement celui qui vous intéresse.

Il me semble que la mention du nombre de candelas sur les emballages d’ampoules d’éclairage est maintenant obligatoire, afin de pouvoir les comparer entre elles. Mais ils la transcrivent en lumens…

Une LED a l’avantage de pouvoir s’allumer et s’éteindre rapidement. Tellement rapidement qu’elles sont utilisées, pour éclairer des scènes en s’allumant uniquement pour chaque image d’une caméra vidéo, comme si l’on déclenchait un flash pour chaque image. Cela permet d’économiser de l’énergie et d’éclairer moins fort la scène (pour un humain). Cela permet également de diminuer le courant moyen dans la diode (le courant maximal pic est plus élevé que le courant moyen maximal).

Le même genre de fonctionnement est utilisé pour les télévisions à rétro‐éclairage à LED, celles‐ci s’éteignent durant la transition entre deux images, pour améliorer la fluidité et la qualité de la vidéo.

Les diodes classiques

Le but d’une diode est d’interdire un sens au courant. Les diodes parfaites n’existent pas, la tension typique « de blocage » est de 0,6 V. Il existe des diodes à 0,2 V, mais avec une « pente » moins franche (le courant augmente moins vite, lorsque la tension augmente).

Il y a aussi une valeur de puissance acceptable, que la diode peut dissiper, comme pour les résistances. Cette puissance se calcule toujours avec P = U × I. Avec une tension de 0,6 V, une diode qui laisse passer 10 A consomme 6 watts.

Il y a une autre caractéristique peu connue : le temps de recouvrement. Une diode pour se bloquer, a besoin de transférer des charges, et pendant ce temps‐là, elle est passante. Si une diode est censée couper de la haute fréquence, elle ne pourra pas le faire si elle est trop lente. Il existe des diodes dites Schottky qui sont rapides et font souvent l’affaire.

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Diode Schottky avec tension inverse à 40 V, 3 A en moyenne, 80 A en pointe, 500 ns de temps de recouvrement.

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Diode Schottky avec tension inverse à 45 V, 20 A en moyenne, 1 800 A en pointe, 500 ns de temps de recouvrement.

L’utilisation typique est une protection. On peut faire en sorte qu’un branchement de câbles à l’envers provoque un court‐circuit, qui est coupé par un plomb ou l’équivalent. Si on branche la diode en série, ou en pont redresseur, il ne faut pas oublier la perte de 0,6 V, ce qui représente plus de 10 % de la tension à 5 V, ce qui n’est pas forcément négligeable du point de vue perte d’énergie, simplement pour faire un détrompeur.

Une diode rapide est très utile, en tant que « diode de roue libre ». Ce genre de diode absorbe l’énergie rejetée par un moteur, lorsque le transistor de commande est coupé (i = 0). Le moteur se comporte alors comme une bobine, et envoie son énergie sous la forme d’une haute tension, qui peut détruire le transistor de commande. Ce pic peut monter à 100 V (pour un moteur 12 V) et être de très courte durée. Tellement courte qu’il faut faire attention à utiliser le bon calibre, pour les observer à l’oscilloscope.

Elles se rajoutent aussi en protection d’un pont en H intégré, car les diodes internes sont limitées par la taille du boîtier, du point de vue de la quantité d’énergie absorbable. Un moteur de quelques euros, surtout les puissants (du type voitures télécommandées) génèrent beaucoup plus de pics de tension parasite, qu’un moteur avec un gros bobinage (comptez plus de 100 € le moteur de qualité industrielle).

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Diode Transil avec une tension inverse à 5 V et un temps de réaction de 1 ns, 1 500 W (max) avec un courant supérieur à 100 A.

Il existe aussi les diodes Transil et diodes Zener, qui disposent de deux tensions de seuil : 0.6 V et une autre. La diode Transil est plus rapide qu’une diode Zener. Le but est d’empêcher qu’une tension monte au delà de 5 ou 8 V, par exemple. Le but est toujours de couper les surtensions en créant un court‐circuit avec la masse pour protéger un circuit plus sensible, comme un transistor. Si cela dure trop longtemps et/ou que la diode chauffe trop, cela peut aller jusqu’à sa destruction. Il faut prévoir un plomb ou une varistance. Si la diode est détruite, la tension est appliquée sur les composants qui sont censés être protégés, parfois une résistance est ajoutée en série pour partager la puissance à dissiper.

En conclusion, il faut retenir qu’une diode dissipe de l’énergie, que sa tension de seuil n’est pas toujours de 0,6 V, qu’elle peut être trop lente et qu’elle protège, entre autres, des transistors de commande contre les surtensions.

Vous pouvez reprendre une activité normale (comme regarder les réseaux sociaux).

Aller plus loin

  • # Led comme capteur de luminosité

    Posté par  (site web personnel, Mastodon) . Évalué à 10.

    Un truc qui est sympa aussi avec les LED. C'est qu'on peu s'en servir comme capteur de luminosité !
    En effet branché «à l'envers» une led se comporte comme un condensateur dont la capacité varie en fonction de la luminosité.

    On trouve quelque montage sur le web pour exploiter cette propriété.
    https://duckduckgo.com/?q=led+as+light+sensor&t=ffnt&ia=web

    J'ai plus qu'une balle

  • # Confusions

    Posté par  (site web personnel) . Évalué à 9.

    Les rendements lumineux "de fou" (en candela par watt), « vu dans les magazines », concernent les LED les moins lumineuses, malheureusement. Mais cela change tous les jours.

    Lors du choix d’une LED, pour servir d’éclairage, faites attention aux différentes grandeurs physiques indiquées : les candelas (cd) ou les lumens (lm). Une candela est la vraie valeur de puissance lumineuse. Le lumen est une mesure de puissance lumineuse par unité d’angle (candela par stéradian). En gros, vous pouvez avoir une LED avec un nombre de candelas faible, mais un nombre de lumens élevé, car la LED a un faisceau lumineux très étroit (15° par exemple). Souvent les vendeurs mettent en avant le nombre le plus avantageux. Rarement celui qui vous intéresse.

    Reprenons les bases.

    • Le lumen (lm) est l'unité de flux lumineux, grandeur qui représente la quantité totale de lumière visible par l'œil humain qu'une source émet chaque seconde. Ce serait une puissance si la variation de sensibilité de l'œil humain selon la longueur d'onde n'intervenait pas.

    • La candela (cd) est l'unité d'intensité lumineuse, grandeur qui traduit la vigueur de la source que perçoit un observateur dans sa direction. 1 cd = 1 lm ÷ 1 sr.

    Donc, les grandeurs physiques qui vous intéressent quand vous achetez une LED de puissance pour vous éclairer sont le flux lumineux en lumens, l'ouverture du faisceau, et la puissance absorbée en watts (W). Il serait bien de savoir aussi comment est mesuré l'angle d'ouverture du faisceau et comment l'intensité lumineuse y est distribuée. On trouve ces informations sur les datasheets, pas sur les emballages commerciaux.

    Hors sujet, mais à votre décharge je côtoie des enseignants de technologie en collège qui utilisent (utilisaient ?) de simples luxmètres pour aborder la question de l'efficacité énergétique en comparant les lampes à incandescence, à fluorescence et les LED. Tout faux :

    • le lux (lx) est l'unité d'éclairement, grandeur qui représente le flux lumineux reçu par unité de surface. 1 lx = 1 lm ÷ 1 m².

    Le luxmètre ne mesure que l'éclairement qu'il reçoit et cette seule information ne permet pas de connaître le flux lumineux produit par la source. Pour cela, il faudrait par exemple utiliser une sphère intégrante. Le plus déplorable : la plupart de ces enseignants ne comprennent pas où est le problème ou bien considèrent cette erreur sans importance, l'essentiel étant selon eux de faire manipuler les gamins…

    « J'ai pas Word, j'ai pas Windows, et j'ai pas la télé ! »

    • [^] # Re: Confusions

      Posté par  (site web personnel, Mastodon) . Évalué à 1.

      En mettant un luxmètre à distance fixe de la source lumineuse, on peut mesurer l'intensité lumineuse (il faut juste calculer l'angle correspondant à une surface de 1m2 à cette distance).

      Il reste à tenir compte de la largeur du faisceau, mais pour les éclairages en question, il n'est pas forcément très différent de l'un à l'autre.

    • [^] # Re: Confusions

      Posté par  (site web personnel) . Évalué à 4. Dernière modification le 23 novembre 2016 à 15:43.

      Bah je suis pas moins confus qu’avant après lecture de ce message en tous cas.

      Donc au final le candela est directionnel et pas le lumen ?
      Et le lux c’est par unité de surface, donc c’est directionnel ?
      Pourquoi la mesure en lux ne permet pas de déduire le lumen, parce que ça part pas pareil dans toutes les directions ?
      En quoi c’est pas pertinent de mesurer les lux pour l’efficacité energétique, en général c’est bien une surface qu’on éclaire avec sa lampe, non ?

      • [^] # Re: Confusions

        Posté par  . Évalué à 6.

        En quoi c’est pas pertinent de mesurer les lux pour l’efficacité energétique, en général c’est bien une surface qu’on éclaire avec sa lampe, non ?

        Si un tube fluo de 36 watts éclaire à un mètre à la même « force » qu'une lampe à LED de 36 watts, alors le tube émet bien plus de lumière car il est relativement omnidirectionnel (disons plutôt éclairage cylindrique), alors que la lampe à LED éclaire un cône.
        L'efficacité énergétique du tube est alors bien meilleure.

        Reste ensuite à utiliser au mieux un tube omnidirectionnel, car une partie de la lumière est perdue à cause du luminaire. On n'a pas ce problème avec une lampe qui éclaire en cône.

      • [^] # Re: Confusions

        Posté par  (site web personnel) . Évalué à 10.

        Bah je suis pas moins confus qu’avant après lecture de ce message en tous cas.

        Donc au final le candela est directionnel et pas le lumen ?
        Et le lux c’est par unité de surface, donc c’est directionnel ?

        Je vais essayer d'éclairer le propos par une analogie avec la douche.

        • Le flux lumineux (lumens), c'est la quantité d'eau qui sort chaque seconde de la pomme.
        • L'intensité (candelas), c'est la force du jet. Pour un flux donné, plus le jet est étroit, plus il est fort.
        • L'éclairement (lux), c'est la quantité d'eau reçue chaque seconde par une surface.

        Alors, sauf si on sait que la tête reçoit toute l'eau, la simple connaissance de la quantité d'eau que reçoit la tête chaque seconde ne permet pas d'en déduire le flux.

        « J'ai pas Word, j'ai pas Windows, et j'ai pas la télé ! »

  • # DEL, tension inverse. Plomb

    Posté par  . Évalué à 4.

    Dans le sens inverse, la tension à ses bornes va monter mais aucun courant ne passe.

    Il y a une limite à la tension inverse. Pour les DEL (euh pardon, LED en anglais) courantes, elle est aux alentours de 6 V ; au-dessus, destruction sans appel.

    Si cela dure trop longtemps et/ou que la diode chauffe trop, cela peut aller jusqu’à sa destruction. Il faut prévoir un plomb…

    Euh, il y a plus de 30 ans qu'on n'utilise plus de plomb. Ce sont des fusibles dans un autre métal pur ou en alliage… fusible (étain, etc.). D'ailleurs, on essaie de se débarrasser du plomb de tous les secteurs industriels dans le cadre de la ROHS entre autre. Même si cela se fait souvent dans le grand public surtout âgé, employer le mot plomb à la place de fusible prête à confusion.

    • [^] # Re: DEL, tension inverse. Plomb

      Posté par  . Évalué à 8.

      il y a plus de 30 ans qu'on n'utilise plus de plomb

      C'est pour ça que les vieux disent « il a pété les plombs » alors que les jeunes disent « il a pété un câble » ?
      Cela dit, rien n'empêche de fabriquer un câble en plomb.
      Mais aussi c'est un peu bête de faire un fusible avec un câble.
      Je suis perdu. Le monde d'aujourd'hui est trop compliqué pour moi…

    • [^] # Re: DEL, tension inverse. Plomb

      Posté par  (site web personnel) . Évalué à 3.

      Si je parle de varistance au lieu de plomb, il aurait fallut expliquer encore plus.

      mais c'est l'idéal :
      https://fr.wikipedia.org/wiki/Varistance

      "La première sécurité est la liberté"

      • [^] # Re: DEL, tension inverse. Plomb

        Posté par  . Évalué à 1.

        En fait il ne parlait pas de varistance mais soulignait juste que le terme approprié est fusible et non "plomb". Il fût un temps ou le filament qui fond lors d'une surcharge était en plomb ( d'où le nom, cartouche fusible → fusible) mais ça fait un moment que ce n'est plus cas.

  • # bipède ?

    Posté par  . Évalué à 1.

    On dit pas plutôt un dipôle ?

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