Comment régler l’intensité lumineuse d’une LED ?

NIVEAU 2

Objectifs

  • Câbler une LED à un microcontroleur
  • Configurer un signal modulé sur une carte Nucléo pour régler l’intensité de la LED

Pré-requis

Luminosité d’une LED

Méthode analogique

Source de courant réglable

La première méthode pour modifier le courant traversant la LED est d’utiliser une source de courant. Si cette source de courant est réglable en intensité alors il sera possible de moduler l’intensité lumineuse de la LED.

Cependant, une source de courant est difficile à mettre en oeuvre. On préfère les sources de tension.

Source de tension et résistance variable

Pour transformer une source de tension en source de courant, il suffit d’ajouter une résistance à cette source de tension. On obtient une source de tension non parfaite et par transformation Thévenin/Norton, on peut ainsi obtenir une source de courant non idéale.

Les deux montages précédents permettent d’obtenir quasiment le même fonctionnement, à savoir modifier le courant transitant dans la LED par modification : a) de la résistance associée à la source de tension, b) de la tension aux bornes de l’ensemble résistance et LED.

En effet, si on s’intéresse au cas où la LED est passante (i.e. où elle émet un flux lumineux), quand le courant \(I_{LED}\) est positif et la tension aux bornes de la LED est supérieure à la tension seuil (ou directe) \(V_F\), on a alors la relation suivante : \(E = R \cdot I_{LED} + V_F\)

Le courant vaut alors \(I_{LED} = \frac{E – V_F}{R}\).

Attention Avec cette méthode, il faut garantir que le courant ne dépasse pas le courant maximal admissible par la LED. Dans la cas du montage b, il faut en plus garantir que la tension \(E\) est supérieure à la tension seuil \(V_F\) de la LED.

Pilotage numérique

Le problème de la méthode précédente est qu’il n’est pas possible de contrôler à distance l’intensité lumineuse de la LED sans avoir recours à des potentiomètres (ou résistances variables) commandables numériquement (type MCP4022 ou MAX5434). Ces potentiomètres numériques nécessitent l’utilisation d’un pilotage numérique (d’un microcontroleur par exemple). Or il existe une méthode numérique permettant de se passer de ce type de composant.

Persistance rétinienne et MLI

L’être humain est capable de voir les éléments qui l’entourent, grâce à ses yeux, qui captent les informations depuis l’extérieur, et son cerveau, qui traite ces données acquises. Or comme tout système de “traitement” de l’information, il a ses limites :

  • les longueurs d’onde que l’oeil est capable de transmettre
  • la fréquence maximale des événements que le cerveau est capable de traiter

Si on prend l’exemple du cinéma, les images diffusées se font au rythme de 24 images/seconde. A cette fréquence là (i.e. 24 Hz), le cerveau humain est biaisé et n’arrive pas à distinguer deux images successives. Ce que nous voyons est une suite de mouvements fluides. De la même façon, beaucoup d’éléments autour de nous “clignotent” : les écrans d’ordinateur (60 ou 70 Hz), les smartphones (autoud de 100 Hz), les néons (100 Hz)…

En utilisant le principe de la modulation de largeur d’impulsions et en appliquant le signal résultant sur une LED, celle-ci va donc s’allumer durant le temps haut du signal et s’éteindre le reste de la période.

Si ce signal est appliqué avec une fréquence suffisamment élevée pour que l’être humain ne distingue plus l’allumage et l’extinction de la LED, ce dernier verra alors une LED constamment allumée avec une intensité lumineuse variant en fonction du rapport cyclique.

Câblage d’une LED

Pour ce faire, on peut utiliser l’un des câblages suivants pour une LED standard (i.e. dont le courant nominal est de l’ordre du courant admissible par le microcontroleur qui génère le signal PWM) :

Dans le montage 1, un signal modulé de polarité normale, i.e. le temps actif est le temps à l’état haut, permet d’avoir une luminosité au niveau de la LED qui est proportionnel au rapport cyclique (défini par le rapport du temps haut sur la période du signal).
Dans le montage 2, un signal modulé de polarité inversée, i.e. le temps actif est le temps à l’état bas, permet d’avoir une luminosité au niveau de la LED qui est proportionnel au rapport cyclique (défini par le rapport du temps haut sur la période du signal).

Exemple de réalisation

On propose d’appliquer sur une LED rouge standard un signal MLI piloté par le programme suivant à l’aide d’une carte Nucléo :

#include "mbed.h"

PwmOut ma_sortie_pwm(D10);
double rc;

int main() {
    rc = 0;
    ma_sortie_pwm.period_ms(10);
    while(1){
        rc += 0.1;
        if(rc > 1)  rc = 0;
        ma_sortie_pwm.write(rc);
        wait_us(200000);
    }
}

Dans ce programme, on initialise une sortie PWM avec une période de 10ms et un rapport cyclique nul. Dans la boucle infinie, on incrémente ce rapport cyclique de 10% toutes les 200 ms. On obtient alors une rampe de luminosité sur la LED, entre 0 et 100% par pas de 10%, changeant toutes les 200ms.

Tutoriel lié

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Nucléo – Régler l’intensité lumineuse d’une LED