Les LED (ou DEL) sont des diodes. Elles doivent être alimentées en courant continu et polarisées en direct pour émettre de la lumière.
Alimentation d'une LED en Courant Continu
Une simple résistance (R) permet de limiter le courant direct IF à la valeur préconisée par le constructeur en correspondance à la tension directe de la LED. Le constructeur de la diode donne un courant d'emploi (IF) pour une ambiance de 25°C. Pour expliquer les principes et les calculs de base, nous allons travailler avec un cas très simple.
Si nous alimentons cette LED directement en 5 V, elle éclaire, mais le courant qui la traverse est excessif et elle finit par chauffer et griller. Nous calculons d'abord la chute de tension nécessaire pour que la diode LED soit soumise à une tension directe de 2,1 V : UR = U(Alim) − Vf. Soit : UR = 5 − 2,1 = 2,9 V.
Nous calculons maintenant la valeur de la résistance en tenant compte de la valeur du courant qui traversera la LED (soit 20 mA). R = UR ÷ If. Soit : R = 2,9 ÷ 0,020 = 145 Ω. En pratique, nous utiliserons une résistance de la série E24 (tolérance ±5 %) de 160 Ω. La valeur de 160 ohms permet de ne pas dépasser le courant que l'on s'est fixé (20 mA).
Nous avons un écart possible de plus ou moins : 150×5 %=7,5 ohms. Valeur mini de R=150−7,5=142,5 ohms. Pour une application d'un simple voyant indicateur, un courant de 10 mA peut suffire.
Puissance Dissipée par la Résistance de Limitation
Un élément de calcul a jusqu'à là été ignoré : il s'agit de la puissance dissipée par la résistance de limitation. L'effet Joule nous dit qu'un conducteur traversé par un courant électrique s'échauffe. Calcul de la puissance dissipée par la résistance de limitation : 490×0,022=0,196 watt. R=(24−2,2)÷0,030=726 Ω. P=726×0,032=0,65 watt.
Les résistances d'un quart de watt (0,25 W) sont couramment utilisées dans les circuits classiques d'électronique (avec une tendance croissante vers 1⁄8 de watt soit 0,125 W).
Alimentation d'une LED en Courant Alternatif
Nous alllons travailler ici sur un montage relié directement à la tension du secteur. Il convient donc de faire particulièrement attention et de prendre toutes les précautions d'usage. Attention où vous mettez les mains, aux fils dénudés, à la manière dont vous faites vos mesures ....
Comment faire fonctionner une Led sur le 220 Volts sans utiliser de transformateur ? Prenons pour Iled une valeur de 10 mA. Pour une tension Vled de 1.3 volts( led rouge - 3 volts pour une led blanche par exemple), petite par rapport aux 240 volts, on obtient donc 240 Volts= 10 mA x Resistance et Resistance vaut donc 24 kohms.
Si on surveille ce que devient la puissance dissipée par cette résistance, on obtient une dissipation de 2.4 Watts (p=RI²). Comme nous sommes sur la tension secteur, nous avons à notre disposition un signal alternatif. Qui dit alternatif, dit impédance... Nous allons remplacer la résistance de 24 kohms du précédent essai par un condensateur.
Comment déterminer la valeur du condensateur à placer en série avec notre Led ? On reprend nos 24 kohms de l'essai précédent et on obtient C=1/24000*2*Pi soit en arrondissant un peu , une valeur de 150 nF. Pour préserver la vie du condensateur et des autres composants lors du courant d'appel induit, il faut ajouter une résistance de 1 kohms dans la ligne. En effet, une fois déchargé, le condensateur présente une résistance nulle laissant passer un courant important lors de la connection au 220 volts.
Une autre précaution est à prendre lors de la déconnection du 220 volts. En effet, le condensateur peut encore être chargé et présenter une tension élevée à ses bornes. Pour le décharger lors de la déconnection, il suffit de lui adjoindre une résistance de forte valeur en parallèle. Généralement, on utilise 2 résistances en série pour reprendre la tension sans risques. 470 Kohms par résistance est suffisant.
Reste encore à protéger notre LED de la tension inverse en lui ajoutant une collègue diode en parallèle et en position tête-bêche.On prendra une diode style 1N4001 par exemple. Une dernière recommandation concerne le type de condensateur à utiliser : Choisissez un condensateur de type X2 auto-cicatrisant , prévu entre autres pour ce type d'application. N'oubliez pas non plus de bien choisir le paramètre tension du condensateur. Prévoyez du 400 volts.
On peut alimenter une LEDs sous 230 V en tension alternative, à la manière de l'acriche de Seoul Semiconductor. Avec ces valeurs numériques on obtient C = 615 nF. Il ne faut pas oublier de prendre un condensateur dont la tension de service soit supérieure à Vm (amplitude de la tension du secteur) = 230*sqrt(2) = 325 V. Un condensateur 400 V conviendra.
De même il faut que la diode soit adaptée au circuit. Remarque : il semblerait préférable d'utiliser une diode zéner à la place de la diode classique. Car elle éviterait au montage de griller de temps en temps.
Alimentation LED : Drivers et Méthodes de Gradation
Ce qui suit présente les différents types d’alimentations LED (driver LED) utilisées pour piloter un luminaire: Les deux types d’alimentation soit à courant constant (CC) ou tension constante (CV) Les méthodes de gradation (dimming) et leurs variateurs associés.
De manière générale, les variateurs universels qui faisaient varier la phase 230V pour les lampes à incandescence ou halogène ne sont pas compatibles avec les lampes ou luminaires LED. L’alimentation LED pour l’éclairage délivre la puissance électrique (Watt) nécessaire au luminaire pour être convertie en puissance lumineuse souhaitée (nombre de lumen). L’alimentation sélectionnée par le fabricant fournit le couple courant/tension requis selon l’intégration du(es) module(s) LED présent(s) dans le luminaire.
Les puces LED unitaires sont assemblées sur la carte électronique en série et/ou parallèle selon le montage du fabricant (le module LED). Elles requièrent une polarisation directe pour injecter un courant continu dans la LED, courant qui est converti en lumière. Par exemple pour chaque LED unitaire une polarisation de l’ordre de 3,0 V et un courant de l’ordre de 50-60 mA (dépendants des puces LED intégrées par le fabricant).
Une alimentation branchée sur le secteur 230V doit par conséquent transformer le courant alternatif à l’entrée en un couple tension/courant continu à la sortie. L’alimentation contient un ensemble de composants électroniques (bobines, capacités, résistances, transistors) pour réaliser cette conversion. On parle ainsi de design de circuits d’électronique de puissance.
Un système de conversion entrée/sortie implique toujours un rendement de conversion qui définit l’efficacité de l’alimentation: Rendement = Puissance sortie (W) / Puissance entrée (W). Une bonne alimentation LED affiche une efficacité supérieure ou égale à 90% à pleine charge (load).
Types d'Alimentations LED
On distingue 2 types d’alimentations LED pour l’éclairage avec un pilotage par:
- Courant constant plus stable en luminosité (car l’intensité lumineuse de la puce LED est proportionnelle au courant injecté dans cette puce). En anglais Constant Current (CC).
- Tension constante plus adaptée pour utiliser des arrivées électriques avec des tensions standardisées (12V, 24V). En anglais Constant Voltage (CV).
Lumeninside a choisi d’utiliser uniquement des alimentations à courant constant pour ses applications d’éclairage qui se branche sur le secteur. Elles garantissent une plus grande stabilité de la lumière et un meilleur contrôle de l’efficacité selon les variations de l’environnement (température, réseau électrique…).
Le schéma ci-dessous montre les caractéristiques courant-tension d’une puce LED unitaire en production (SMD 4014). Il permet de comprendre la plus grande stabilité de la régulation en courant constant. L’intensité lumineuse émise par une LED est directement proportionnelle au courant circulant dans la LED.
Comme on peut le voir sur le diagramme, la résultante d’une variation de +5% du réglage nominal causée par une fluctuation de l’environnement est beaucoup plus impactante si la variation intervient sur la tension.
Méthodes de Gradation (Dimming)
Il existe par ailleurs pour ces 2 types d’alimentation des options de gradation. La gradation de la lumière (dimming en anglais) est le fait de faire varier l’intensité lumineuse avec un pas quasi-continue.
Plusieurs méthodes de dimming sont utilisées en faisant varier le signal (courant/tension) situé en:
- Entrée de l’alimentation
- Sortie de l’alimentation
En conséquence, l’alimentation est spécifiquement désignée avec les composants électroniques requis pour réaliser la variation du signal. La gradation par phase-cut ou TRIAC est une gradation réalisée par la variation du signal d’entrée de l’alimentation; c’est à dire une variation du signal sinusoïdal du réseau électrique. Le variateur associé est de fait un variateur spécifique au phase-cut.
Avec cette méthode le signal sinusoidal du réseau électrique est coupé (par l’intermédiaire du variateur phase-cut) à intervalles réguliers. Cette méthode fait partie des gradations « anciennes générations ». En effet, elle était utilisée pour la gradation des ampoules à incandescence et halogène. Elle ne nécessite pas de recâblage et peut convenir pour la gradation de luminaire LED. Cependant les gradations de nouvelles générations éffectuées sur le signal de sortie de l’alimentation sont plus adaptées pour la technologie LED.
Les nouvelles générations d’alimentation LED avec option de gradation permettent à l’utilisateur d’agir directement sur le signal de sortie:
- 0-10V: Le variateur commandé par l’utilisateur - en général en bouton rotatif - envoie un signal analogique entre 0 et 10V à l’alimentation (0V = 0% lumière 10V=100% de lumière)
- DALI (Digital Addressable Lighting Interface): Le variateur envoie une commande par signaux numériques à l’alimentation avec un protocole dédié. Ce protocole a été développé spécifiquement pour l’éclairage. Il convient bien pour les grands bâtiments avec un adressage de chaque points lumineux. Une interface reliée à un PC de commande peut remplacer le variateur pour piloter tous les points lumineux grâce à un logiciel.
- PWM (Pulse Width Modulation): Le variateur envoie un signal numérique modulé en fréquence pour couper le signal de sortie continu vers le module LED.
Ces méthodes 0-10V, DALI ou PWM sont indépendantes. C’est à dire qu’il faut vérifier à la fois que l’alimentation LED et le variateur sont compatibles avec la méthode employée. Cependant certaines alimentations supportent plusieurs méthodes (par exemple le 0-10V et le PWM).
Ces différentes méthodes nécessitent un câblage avec 2 fils supplémentaires en sortie de l’alimentation pour une connexion au variateur. Les méthodes les plus modernes utilisées pour la gradation du signal en sortie d’alimentation et qui ne nécessitent pas de câblage additionnel se font avec des protocoles de communication sans fil (wireless).
Les protocoles sans fil de type WiFi ou Bluetooth sont généralement utilisés sans variateur. En effet la commande se fait au travers d’une App du téléphone mobile ou d »une tablette connectées à l’alimentation par le réseau WiFi ou Bluetooth.
Lumeninside a choisi pour ses plafonniers et appliques de ne pas utiliser cette solution qui suppose la consommation d’électricité supplémentaire. Nous utilisons le protocole sans fil basse consommation EnOcean. Le variateur EnOcean (interrupteur mural-variateur) fonctionne grâce à l’énergie générée et récupérée lorsque l’utilisateur appuie sur l’interrupteur. Concernant la gradation de nos lampes qui font aussi veilleuse, nous proposons une gradation avec un signal sans fil RF 2,4 GHz et un variateur sous forme de télécommande. La télécommande s’avère plus pratique (mobile) pour l’utilisateur. La télécommande est alimentée avec 2 piles.
L’alimentation LED pour l’éclairage transforme le courant alternatif du réseau en un couple tension-courant dimensionné pour le luminaire. Elle fournit l’énergie électrique qui est transformée en énergie lumineuse par chaque puce LED unitaire.
Il existe deux types d’alimentation et plusieurs méthodes de gradation. Lumeninside a opté pour des alimentations en courant continu plus stables en luminosité. De plus nous avons sélectionné une méthode de gradation avec un protocole de communication sans fil pour éviter le recâblage et le coût engendré sur des installations déjà existantes.
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