LEDs (DEL)

La LED est une diode qui s'est choisi un métier : même jonction PN que diodes, mais taillée dans un semi-conducteur à gap étroit qui convertit chaque électron en photon. Quelques centimes pour un témoin de 5 mm, quelques watts pour un phare, un pixel sur trois dans votre écran : ce composant est devenu l'organe lumineux universel. Cette page couvre sa physique du gap, ses tensions de seuil par couleur, la résistance série obligatoire, le chaînage, la gradation PWM et son rendement.

1. C'est quoi ?

Une LED (en anglais light-emitting diode, en français diode électroluminescente ou DEL) émet de la lumière quand on la polarise en sens direct. Deux pattes : l'anode (le plus, patte longue) et la cathode (le moins, patte courte, repérée par un méplat). Passé une tension de seuil d'un à trois volts selon la couleur, le courant circule et la jonction brille.

Ici on traite le composant nu — pas l'ampoule d'éclairage (module complet avec driver et diffuseur, traité dans lampes-led, couche 1), ni l'ampoule à filament qu'elle a remplacée (ampoules-filament, couche 1). On croise des LED partout : témoins d'état, télécommande (LED infrarouge, invisible à l'œil), rubans et lampes de poche, feux tricolores, rétroéclairage des écrans — et le médical, où les oxymètres de pouls éclairent la peau d'une LED rouge et d'une LED infrarouge. Et un trait de philosophie : la LED est basse tension (1,8 à 3,4 V de seuil) mais à faible marge — elle exige une tension précise ET un courant contrôlé, contrairement à une ampoule ou une résistance qui avalent presque n'importe quelle tension. C'est tout le sujet de la page.

2. Comment ça marche ?

La jonction est celle de diodes, mais dans des matériaux à gap direct : GaAs pour l'infrarouge, AlGaInP du rouge au vert, InGaN du vert au bleu. Quand un électron rejoint un trou, l'énergie du gap est rendue directement en photon — là où le silicium, à gap indirect, la perd en vibrations thermiques et ne fera jamais de LED. La couleur, elle, suit la largeur du gap :

λ ≈ 1240 / VF

D'où les seuils des datasheets — le blanc étant une puce bleue sous un phosphore jaune, comme un fluorescent dont la décharge serait remplacée par une diode :

Couleur	VF typique	Longueur d'onde	Courant usuel	Usage
Rouge	1,8 V	620–645 nm	5–20 mA	témoins, afficheurs
Jaune	2,0–2,2 V	585–595 nm	5–20 mA	témoins
Vert	2,0–2,2 V	520–530 nm	5–20 mA	témoins, bargraphs
Bleu	2,9–3,4 V	460–475 nm	20 mA	indication, RGB
Blanc	3,15 V typ. (2,9–3,4)	large (bleu + phosphore)	20 mA – 1 A	éclairage

Le point qui gouverne le montage : au-delà du seuil, VF ne bouge presque pas quand le courant double — caractéristique quasi verticale, courant indéterminé : il sera fixé par la source et la pièce, jamais par la LED. Il faut un composant qui l'offre ; le plus simple est une résistance série :

R = (U − VF) / I

Courants à retenir : 5 à 20 mA pour la signalétique, 350 mA à 1 A pour l'éclairage de puissance, qui exige un driver à courant constant et un dissipateur — VF baisse d'environ 2 mV par degré, une résistance calculée trop juste dérive avec l'échauffement. En série, les chutes s'ajoutent et une seule résistance sert la chaîne : R = (U − n × VF) / I, avec la règle n × VF nettement inférieur à U — au moins 1 à 2 V de marge.

SchémaCoupe d'une LED 5 mm

3. Dans le vrai monde

Format	Courant	Où on le croise
3 mm (T-1)	2–10 mA	panneaux, bargraphs
5 mm (T-1 3/4)	5–20 mA	breadboard, DIY, témoins
10 mm	20–30 mA	signalétique
SMD 3528	environ 20 mA	rubans monochromes
SMD 5050	environ 60 mA (3 puces)	rubans RGB
SMD 2835 / 5730	60–200 mA	rubans d'éclairage, luminaires

Prix indicatifs : une LED 5 mm vaut 0,05 à 0,25 euro, une SMD quelques centimes en grande série, une puce de puissance 1 à 5 euros.

La gradation se fait presque toujours par PWM : la LED clignote des centaines de fois par seconde, l'œil intègre le tout et la luminosité perçue suit le rapport cyclique — même commande que les moteurs-cc de la couche 2. Chaque impulsion conserve le courant nominal, là où une résistance variable ferait dériver teinte et rendement. Les boîtiers RGB hébergent trois puces commandées séparément ; l'œil fait le mélange — les rubans WS2812 (« NeoPixel ») cachent même une puce de commande par pixel.

Côté rendement, la comparaison avec ampoules-filament est sans appel : 10 à 15 lumens par watt pour l'ampoule (95 % partait en chaleur), 100 à 150 lm/W pour la LED blanche courante — dix fois moins de watts pour la même lumière.

Enfin, la chaleur : chaque degré abrège la vie du phosphore. Jonction maximale souvent 125 °C, durée de vie en « L70 » (temps avant que le flux ne tombe à 70 %) — 25 000 à 50 000 heures pour les bons modules. Bien refroidie, une LED dure des décennies ; collée sur du plastique, elle meurt en quelques mois.

4. Exemple pratique

Le montage de base

Sur une breadboard, une LED rouge 5 mm en série avec 330 Ω sur une source 12 V : au multimètre, 1,8 V environ aux bornes de la LED quoi qu'il arrive, le reste sur la résistance — la leçon de la page en une mesure. Le calculateur ci-dessous déroule le même raisonnement : couleur (VF), tension de source, courant voulu ; il rend la résistance idéale, la valeur E12 supérieure, le courant réel, la dissipation — et alerte quand la marge (U − VF) tombe sous 0,3 V.

SchémaCalculateur de résistance série d'une LED

InteractifChoix de la résistance série d'une LED

R idéale = 160 Ω — R = (U − VF) / I = (5 − 1,8) V / 20 mA.

Valeur E12 supérieure : 180 Ω → I réel ≈ 17,8 mA, dissipation de la résistance ≈ 56,9 mW (un quart de watt (0,25 W) suffit).

Couleur de la LED — VF typique : 1,8 V

RougeJauneVertBleuBlanc

Tension source : 5 VCourant voulu : 20 mA

La série E12 donne les valeurs normalisées des résistances ; on prend toujours la valeur supérieure pour ne pas dépasser le courant voulu.

Exercice résolu — une chaîne de trois rouges sous 12 V

Un feu arrière de maquette : trois LED rouges (VF 1,8 V, 20 mA) en série sous 12 V. Quelle résistance ?

1. Chute totale : 3 × 1,8 = 5,4 V.
2. Règle du série : 12 − 5,4 = 6,6 V de marge, nettement au-dessus du plancher de 1 à 2 V.
3. Résistance :

R = (12 − 5,4) / 0,02 = 330 Ω

4. Valeur normalisée : 330 Ω existe en E12 (sinon, prendre la valeur supérieure) ; le courant réel reste légèrement sous les 20 mA.
5. Dissipation : P = 6,6 × 0,02 = 132 mW — un quart de watt (0,25 W) tient avec un facteur deux de marge ; les trois LED partagent le même courant.

Exercice résolu — la LED blanche sous 3,3 V : la marge interdite

On veut allumer une LED blanche (VF typique 3,15 V, 30 mA) depuis le régulateur 3,3 V d'un microcontrôleur. La résistance série peut-elle suffire ?

1. Marge disponible : 3,3 − 3,15 = 0,15 V.
2. Résistance théorique : R = 0,15 / 0,03 = 5 Ω — l'ordre de grandeur du câblage lui-même.
3. Dispersion de pièce : VF varie de 3,0 à 3,4 V selon l'exemplaire. Avec 5 Ω sous 3,3 V : I = (3,3 − VF) / 5 va de 60 mA (VF 3,0 V) à 15 mA (VF 3,23 V) — extinction à 3,4 V. Du simple au quadruple sans rien changer.
4. Source réelle : le régulateur oscille à ±10 % (2,97 à 3,63 V) — de l'extinction à plus de 100 mA selon la pièce : destruction garantie.
5. Conclusion : sous une source proche de VF, la résistance n'a aucune prise ; il faut un driver à courant constant, qui mesure le courant et ajuste sa tension en boucle fermée — le rôle du driver de lampes-led.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

1. Pourquoi la résistance série est-elle obligatoire, alors que VF « limite » en apparence le courant ?
2. Une LED verte (VF 2,1 V) sur une pile de 1,5 V : s'allume-t-elle ? Et sur deux piles en série ?
3. Trois blanches (3,15 V chacune) en série sous 12 V : quelle résistance pour 20 mA, et la marge est-elle saine ?
4. Pourquoi graduer une LED par PWM plutôt que par une résistance variable ?
5. Que veut dire « 150 lm/W », et que valait l'ampoule filament sur cette échelle ?

6. Pour aller plus loin

• IEC 62031 — sécurité et essais des modules LED, sur le catalogue de l'IEC.
• Lumileds — datasheets LUXEON (LED de puissance), sur lumileds.com.
• Cree LED — datasheets XLamp et notes thermiques, sur cree-led.com.
• Electronics Tutorials — « Light Emitting Diode » : la résistance série pas à pas, sur electronics-tutorials.ws.
• Texas Instruments — notes d'application sur les drivers à courant constant, sur ti.com.