La LED
En une phrase : une LED est une petite lampe qui ne laisse passer l'électricité que dans un sens, et qui a toujours besoin d'une résistance pour ne pas griller.
Un composant qui a un sens¶
LED veut dire Light-Emitting Diode, « diode électroluminescente ». Une diode, c'est un sens interdit pour l'électricité : dans le bon sens, elle laisse passer et la LED s'allume ; à l'envers, rien ne passe et elle reste éteinte (sans être abîmée, à nos petites tensions).
À quoi servent les LEDs ?¶
| Rôle | Exemple |
|---|---|
| Témoin : montrer un état | la LED rouge de l'ESP32 = « la carte est alimentée » |
| Signal de débogage : voir ce que fait le programme | la LED bleue qui clignote = « le programme tourne » |
| Éclairage et décor | les réacteurs et l'alerte rouge de la mission 6 |
| Message codé | le SOS et NATHAN en morse de la mission 1 |
Plus en profondeur¶
Comment une LED fait de la lumière¶
À l'intérieur, une minuscule puce de semi-conducteur : un matériau un peu spécial, entre l'isolant et le conducteur. Quand les électrons la traversent dans le bon sens, ils « tombent » d'un niveau d'énergie à un autre, et chaque chute libère un petit grain de lumière. La couleur dépend du matériau de la puce, pas seulement du plastique autour : une LED bleue est faite d'un autre matériau qu'une rouge. C'est aussi pour ça que chaque couleur demande une tension différente.
Une invention récompensée
Les LEDs rouges existent depuis les années 1960, mais la LED bleue efficace n'est arrivée que dans les années 1990. Elle a valu le prix Nobel de physique 2014 à ses inventeurs : sans elle, pas de LEDs blanches, ni d'écrans modernes.
Pourquoi une LED ne se protège pas toute seule¶
Une LED se comporte de façon très particulière :
- en dessous de sa tension (environ 2 V pour une rouge), elle ne laisse presque rien passer : elle reste éteinte ;
- au-dessus, elle laisse passer de plus en plus, très vite : quelques dixièmes de volt en plus, et le courant est multiplié !
Elle ne limite donc pas elle-même son courant. Il faut quelqu'un d'autre pour le faire : la résistance. La LED fixe la tension, la résistance fixe le courant. Une équipe parfaite.
Lumière et courant¶
La luminosité d'une LED dépend surtout du courant qui la traverse : plus de courant, plus de lumière, jusqu'à sa limite. Une LED de 5 mm supporte en général 20 mA en continu. À 4 mA, elle brille déjà très bien : nos yeux sont sensibles.
Chaque couleur sa tension¶
Une LED allumée « garde » une partie de la tension pour elle, qui dépend de sa couleur :
| Couleur | Tension gardée par la LED (environ) | Avec 3,3 V et 330 Ω |
|---|---|---|
| 🔴 Rouge | 1,8 à 2,2 V | environ 4 mA : bien lumineuse |
| 🟡 Jaune | 2 à 2,2 V | environ 4 mA |
| 🟢 Verte | 2 à 3,2 V selon le modèle | de 0,3 à 4 mA |
| 🔵 Bleue ou ⚪ blanche | environ 3 V | environ 1 mA : plus faible, mais visible |
C'est pour ça que, dans la piste d'atterrissage, la LED bleue brille un peu moins que la rouge : il ne lui reste presque plus de poussée.
Les LEDs de l'atelier¶
- La LED bleue intégrée de l'ESP32, branchée sur la broche GPIO 2 : sa résistance est déjà sur la carte.
- Les LEDs classiques de 5 mm : il faut ajouter une résistance à chaque fois.
- La barre lumineuse de la manette : une LED RGB, c'est-à-dire trois LEDs (rouge, verte, bleue) dans un même boîtier. En mélangeant leurs luminosités, on obtient toutes les couleurs : c'est le
setColorLED(rouge, vert, bleu)de la mission 1. - Le ruban de LEDs (WS2812B) : chaque LED contient une LED RGB et une minuscule puce. Voir ci-dessous.
Le ruban : des LEDs qui se passent le message¶
Le ruban n'a qu'un seul fil de données. L'ESP32 y envoie une longue suite de nombres : 3 nombres par LED (rouge, vert, bleu), de 0 à 255 chacun. La première LED garde ses 3 nombres pour elle et transmet la suite à la deuxième, qui garde les siens et transmet le reste… comme une file de Stormtroopers qui se passent un message. Le tout recommence des centaines de fois par seconde.
Combien de couleurs ?
256 valeurs de rouge × 256 de vert × 256 de bleu = 16 777 216 couleurs possibles pour chaque LED du ruban !
Exemples de calculs¶
Calcul 1 · La bonne résistance pour chaque couleur
Sur une broche (3,3 V), pour environ 4 mA (= 0,004 A) :
| LED | Reste pour la résistance | R = U ÷ I | Valeur normalisée |
|---|---|---|---|
| Rouge (2 V) | 1,3 V | 1,3 ÷ 0,004 = 325 Ω | 330 Ω |
| Jaune (2,1 V) | 1,2 V | 1,2 ÷ 0,004 = 300 Ω | 330 Ω |
| Bleue (3 V) | 0,3 V | 0,3 ÷ 0,004 = 75 Ω | 82 Ω |
Avec 330 Ω partout, la rouge et la jaune sont à l'aise, la bleue est simplement moins lumineuse.
Calcul 2 · Le ruban en blanc
Une LED du ruban contient 3 petites LEDs de 20 mA chacune. En blanc à fond (255, 255, 255), les trois sont allumées : 3 × 20 = 60 mA. En rouge pur (255, 0, 0) : une seule allumée, 20 mA. Le blanc est la couleur la plus gourmande !
Calcul 3 · Une heure de LED
Une LED avec 4 mA pendant 1 heure consomme 4 mAh. Une pile AA (environ 2 000 mAh) pourrait donc l'allumer environ 2 000 ÷ 4 = 500 heures, soit trois semaines sans interruption.
Mise en pratique¶
Trouver le bon sens d'une LED aux pattes coupées : plus de patte longue pour se repérer ? Trois méthodes :
- Le côté plat du rebord en plastique : c'est le −.
- Regarder dedans : la grosse pièce en forme de petit drapeau, à l'intérieur, est en général côté − (ce n'est pas garanti sur toutes les LEDs).
- Le multimètre en mode diode (le symbole ▶|) : pointe rouge sur une patte, noire sur l'autre. Dans le bon sens, l'écran affiche environ 1,8 V et la LED s'allume souvent faiblement : la pointe rouge est sur le +. Dans l'autre sens, rien.
L'expérience du sens interdit : dans le montage de test, retourne la LED. Elle reste éteinte, et rien ne chauffe. Remets-la dans le bon sens : elle se rallume, intacte. Avec nos 3,3 V, une erreur de sens est sans danger.
Les pièges¶
| Le piège | Ce qui arrive | La bonne habitude |
|---|---|---|
| LED à l'envers | elle reste éteinte | patte longue vers la broche, côté plat vers GND |
| Pas de résistance | LED ou broche abîmée | une LED = une résistance |
| Trop de LEDs sur une broche | la broche dépasse 20 mA | 3 ou 4 LEDs par broche, au maximum |
| Ruban en blanc à fond sur l'USB | l'USB décroche | limiter la luminosité (voir la mission 2) |
Exercices¶
1. La LED reste éteinte, mais le moniteur série affiche bien ON / OFF. Quelles sont les deux premières choses à vérifier ?
Le sens de la LED (patte longue vers la broche) et la boucle : chaque fil, jusqu'au GND. Voir les circuits.
2. Quel courant traverse une LED jaune (2,1 V) avec 330 Ω sur 3,3 V ?
(3,3 − 2,1) ÷ 330 = 1,2 ÷ 330 ≈ 0,0036 A ≈ 3,6 mA.
3. Combien de courant prend une LED du ruban réglée en jaune (255, 255, 0) ?
Rouge et verte allumées : 2 × 20 = 40 mA.
4. Quels nombres faut-il donner à setColorLED pour du violet ?
Du rouge et du bleu, sans vert : par exemple setColorLED(128, 0, 255).
À retenir
- Patte longue = +, patte courte = −. À l'envers, elle ne s'allume pas.
- Une LED garde environ 2 V (rouge) à 3 V (bleue) pour elle, et ne limite pas son courant.
- Toujours une résistance avec une LED classique.
- Une LED RGB, ce sont trois LEDs : en mélangeant rouge, vert et bleu, on fait toutes les couleurs.
Où ça sert dans l'atelier¶
- Mission 0 · Écrire le programme : la LED bleue intégrée sur GPIO 2.
- L'ESP32 · Vérifier la liaison : la première LED branchée à la main.
- La plaque d'essai · Le test de la LED : les pattes dans le bon sens.
- Mission 0 · Quatre LEDs en parallèle et la piste d'atterrissage.
- Mission 1 · Qui fait quoi : la barre lumineuse RGB de la manette.
- Mission 2 · Mustaflash : le ruban de LEDs intelligentes.
Pour aller plus loin¶
- 🇫🇷 Notre premier programme !, cours Arduino d'Eskimon : la LED, son sens et le calcul de sa résistance.
- 🇫🇷 Diode électroluminescente, sur Wikipédia.
- 🇬🇧 Light-Emitting Diodes (LEDs), SparkFun : sens, résistances, types de LEDs.