Allumer une LED avec une pile de 1,5 V

Comment est-il possible d’alimenter une LED à haute luminosité, dont la tension de conduction est de 3 V, avec une pile de 1,5 V ? C’est ce que va vous apprendre cet article.


Une LED est un composant non linéaire ayant besoin pour s’allumer d’une tension supérieure à sa tension de conduction, afin que le courant servant à l’illumination puisse circuler dans la jonction.
Prenons une banale LED rouge dont la tension de conduction est de 1,8 V ; si nous l’alimentons sous 1,5 V elle ne peut s’allumer car il manque 0,3 V pour que le seuil de tension de conduction soit atteint. A chaque couleur de LED correspond un seuil de tension de conduction différent, en voici un aperçu :
TABLEAU 1

En modifiant la tension directe on peut, dans une certaine limite, faire varier la luminosité : plus le courant qui la traverse est intense plus la LED s’illumine (mais attention de ne pas dépasser le courant de rupture de la jonction, c’est-à-dire la puissance dissipable).
Pour allumer une LED rouge nous utilisons normalement au moins deux piles de 1,5 V montées en série, ce qui fait une tension complexe de 3 V et on monte, toujours en série, par exemple dans le + d’alimentation, une résistance de limitation du courant. Si on veut par prudence limiter ce courant direct à 15 mA on applique la formule suivante pour calculer la valeur de la résistance de limitation R :

R = [(Vcc – Vled) : I] x 1 000


où R est en ohms, Vcc la tension d’alimentation en V, Vled la tension de conduction en V, I le courant maximum que l’on veut faire supporter à la LED en mA, cela donne :

R = [(3 – 1,8) : 15] x 1 000 = 80Ω


Des tensions plus élevées sont nécessaires pour illuminer les LED blanches ou bleues à haute luminosité, car leur tension de conduction est d’environ 3 V (voir Tableau 1).
Comme pour les LED rouges, normalement nous devrions utiliser une source d’alimentation supérieure à cette valeur, sans oublier la résistance de limitation (pour que le courant traversant la LED soit d’environ 20-30 mA maximum).
Cette fois nous montons trois piles de 1,5 V en série pour obtenir une Vcc de 4,5 V et nous montons en série une résistance de limitation de 82 ou 100 ohms, en fonction de la luminosité que nous souhaitons obtenir.
Mais, parfois, cette solution ne peut être adoptée car on n’a la place que pour une seule pile de 1,5 V.
Il nous faut alors élever cette tension de façon à dépasser la tension de conduction de la LED utilisée. C’est ce que nous avons fait dans le circuit dont la figure 1 donne le schéma électrique.
Si on veut alimenter une LED dont le seuil de tension de conduction est de 3 V (cas d’une LED blanche à haute luminosité) avec une pile de 1,5 V, il nous faut réaliser un petit convertisseur DC-DC "step-up" (également nommé "Booster") en mesure de fournir une tension supérieure à ce seuil. Pour cela nous avons monté deux transistors NPN ZTX653 (TR1-TR2).
On les a choisis car ils ont une Vcesat (Vce de saturation) très faible et parce qu’ils sont conçus pour les alimentations à découpage basse tension.
Note : la Vcesat est la tension Vce de saturation, soit la tension entre C et E quand le transistor conduit (saturation).
Dans les applications basse tension il est préférable d’avoir la plus faible valeur de Vce possible car cela améliore le rendement énergétique du convertisseur.
Ils constituent un oscillateur à environ 90 KHz. Cette fréquence est déterminée par les selfs (normalisées, rassurez-vous !) JAF1-JAF2, montées en parallèle (valeur inductive divisée par deux mais courant maximal admissible multiplié par deux) et par le condensateur céramique de rétroaction C1.
La tension du signal carré présent sur le collecteur de TR2 est emmagasinée dans les deux selfs de 110 μH (valeur inductive totale des deux en parallèle) ; cette énergie (Ton) est ensuite cédée à la LED (Toff) sous forme d’une tension supérieure à la tension d’alimentation.
Note : c’est là le principe des alimentations à découpage "step-up/boost".
Comme la tension de conduction directe de la LED est dépassé, le courant peut circuler et activer la jonction de la LED que nous voyons s’illuminer en permanence de par le phénomène de rémanence rétinienne, alors qu’elle s’allume et s’éteint 90 000 fois par seconde !
Aucune résistance de limitation n’est plus nécessaire car le courant fourni est de toute façon faible et limité par les caractéristiques des selfs à 15 ou 20 mA, ce qui est plus que suffisant pour illuminer jusqu’à deux LED en parallèle.
Mais bien sûr, vous nous connaissez, nous n’avons pas pu nous résoudre à en rester là ! Si la possession d’une torche LED alimentée par une pile de 1,5 V ne vous intéresse pas et si vous préférez “l’idée” de la petite alimentation à découpage élévatrice DC-DC, eh bien vous obtiendrez satisfaction. La tension continue prélevée dépend du courant consommé par la charge, comme le montre le Tableau 2 ci-après :
TABLEAU 2

Avec une seule pile de 1,5 V ce montage peut alimenter le circuit d’accord d’une radio FM à basse tension, car il peut alimenter ses diodes varicap, ou bien quelque circuit utilisant des opérationnels.
Quel que soit le circuit choisi (torche ou alimentation) vous n’aurez aucun mal à le construire.

Figure 1 : Schéma électrique et liste des composants de la torche à LED. Pour allumer une LED à haute luminosité avec une pile de 1,5 V, nous avons élevé la tension de la pile avec un petit convertisseur DC DC step-up formé de deux transistors NPN ZTX653 et deux selfs JAF1-JAF2 en parallèle.

Figure 2 : Photo d’un des prototypes de la platine de la torche à LED EN1664 avec son porte pile (pour pile bâton miniature de 1,5 V). La LED est insérée et soudée après qu’on ait replié ses pattes à 90°.

Liste des composants EN1664
R1....... 2,2 kΩ
R2....... 1 kΩ
R3....... 1 kΩ
C1 ...... 470 pF céramique
C2 ...... 100 μF électrolytique
JAF1 .... 220 μH
JAF2 .... 220 μH
DL1 ..... LED flash (haute luminosité)
TR1 ..... NPN ZTX653
TR2 ..... NPN ZTX653
P1 ...... poussoir
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

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