Comment choisir la bonne résistance pour un circuit à LED
Une LED rouge spécifiée à 20 mA et 2,0 V de tension directe, branchée sur une sortie 5 V d'un Arduino sans résistance, tire plus de 200 mA dans les premières millisecondes. La température de jonction dépasse 150 °C, le fil de bonding fond et la LED s'éteint. Temps total entre la mise sous tension et la panne : moins d'une seconde. La solution coûte moins d'un centime : une résistance de 150 ohms en série.
La résistance fonctionne en absorbant la différence de tension entre l'alimentation et la tension directe de la LED, qu'elle convertit en chaleur. Le courant dans la boucle est entièrement fixé par la valeur de cette résistance. Un dimensionnement correct et la LED fonctionne à froid pendant 50 000 heures. Un dimensionnement incorrect et vous remplacez des composants.
La formule
Tout calcul de résistance pour LED tient en une ligne d'algèbre issue de la loi des mailles de Kirchhoff. La tension d'alimentation est égale à la somme des chutes de tension dans la boucle :
V_s = V_f + V_R
La chute aux bornes de la résistance vaut I × R (loi d'Ohm), donc :
R = (V_s − V_f) / I_f
Où :
- V_s = tension d'alimentation (volts)
- V_f = tension directe de la LED (volts, issue de la fiche technique)
- I_f = courant direct souhaité de la LED (ampères, issu de la fiche technique)
- R = résistance en ohms
La résistance dissipe de la puissance sous forme de chaleur :
P_R = (V_s − V_f) × I_f
Les deux formules supposent un courant continu. En cas de variation par PWM, le courant de crête dans la résistance reste à la valeur complète de I_f quel que soit le rapport cyclique ; ne dimensionnez pas la résistance sur le courant moyen.
Exemple pratique : LED indicatrice sur Arduino
Vous voulez connecter une LED rouge standard 5 mm sur une broche numérique d'un Arduino. La fiche technique indique V_f = 2,0 V, I_f = 20 mA. La sortie numérique de l'Arduino fournit 5 V.
Étape 1. Calculer la résistance.
R = (5.0 − 2.0) / 0.020 = 150 Ω
Étape 2. Calculer la puissance dissipée par la résistance.
P = (5.0 − 2.0) × 0.020 = 0.060 W = 60 mW
Étape 3. Choisir une valeur normalisée et une puissance nominale.
150 ohms est déjà une valeur normalisée E24/E12 (IEC 60063). Avec 60 mW de dissipation, une résistance à film carbone standard de 1/4 W (250 mW) offre une marge de sécurité de 4:1. C'est réglé.
Vérifiez avec le calculateur de résistance pour LED.
Exemple pratique : LED blanche sur circuit automobile 12 V
Vous ajoutez un plafonnier à LED blanche sur un circuit automobile 12 V. La fiche technique indique V_f = 3,2 V, I_f = 20 mA. Le « 12 V » automobile se situe en réalité autour de 13,8 V alternateur en charge ; utilisez 14 V comme V_s pour dimensionner au pire cas.
R = (14.0 − 3.2) / 0.020 = 540 Ω
P = (14.0 − 3.2) × 0.020 = 0.216 W
La valeur E24 la plus proche au-dessus de 540 est 560 ohms. À 560 ohms, le courant réel descend à (14,0 − 3,2) / 560 = 19,3 mA, toujours suffisant pour un indicateur. Puissance dissipée à ce courant : 10,8 × 0,0193 = 0,208 W.
Une résistance de 1/4 W (250 mW) fonctionnerait à 83 % de sa puissance nominale, ce qui est limite. Passez à une résistance de 1/2 W pour la marge thermique, ou utilisez la tension de 14 V et appliquez un facteur 2× : 0,216 × 2 = 0,432 W, ce qui confirme le choix du 1/2 W.
Vérifiez vos valeurs avec le calculateur de résistance pour LED.
Chaînes de LED en série
Quand des LED identiques sont câblées en série, leurs tensions directes s'additionnent. Une seule résistance limite le courant dans toute la chaîne :
R = (V_s − n × V_f) / I_f
Où n est le nombre de LED. La tension d'alimentation doit dépasser la chute de tension totale des LED, sinon aucun courant ne circule.
Exemple : Trois LED rouges (V_f = 2,0 V chacune) sur une alimentation 12 V à 20 mA.
R = (12 − 3 × 2.0) / 0.020 = 6.0 / 0.020 = 300 Ω
P = 6.0 × 0.020 = 0.120 W
La valeur E24 la plus proche au-dessus de 300 est 330 ohms. Courant réel : 6,0 / 330 = 18,2 mA. Une résistance standard de 1/4 W suffit largement.
Les chaînes série sont plus efficaces que des résistances individuelles car les LED consomment une part plus importante de la tension d'alimentation. Dans cet exemple, les trois LED utilisent 6,0 V et la résistance dissipe 6,0 V. Comparez avec trois LED séparées ayant chacune sa propre résistance sur 12 V : chaque résistance dissipe 10,0 V, ce qui triple la perte thermique totale.
Attention à la marge. Trois LED bleues à 3,3 V chacune nécessitent 9,9 V rien que pour les LED. Une alimentation 12 V laisse seulement 2,1 V pour la résistance (R = 105 ohms), ce qui reste exploitable. Une pile 9 V ne peut pas les alimenter du tout puisque 9,0 < 9,9.
LED en parallèle : une résistance par branche
Ne partagez jamais une seule résistance entre plusieurs LED en parallèle. La raison est physique, pas conventionnelle.
La tension directe varie d'une LED à l'autre, même sur une bobine de fabrication identique, typiquement de 0,1 à 0,2 V. Quand deux LED partagent une résistance en parallèle, celle dont la V_f est la plus basse conduit davantage de courant. Un courant plus élevé chauffe la jonction. Une jonction plus chaude fait baisser la V_f (environ 2 mV/°C pour les composants InGaN et AlGaInP courants). Une V_f plus basse signifie encore plus de courant. Cette boucle de rétroaction positive, l'emballement thermique, détruit la LED.
La solution : donner à chaque LED en parallèle sa propre résistance. Chaque résistance limite indépendamment le courant de sa branche, quelle que soit la dispersion de V_f.
Exemple : Quatre LED rouges en parallèle, chacune avec sa propre résistance, sur une alimentation 5 V à 20 mA chacune.
Résistance par branche : R = (5 − 2,0) / 0,020 = 150 ohms, identique au cas d'une seule LED. Courant total à la source : 4 × 20 = 80 mA. Quatre résistances de 150 ohms, chacune de 1/4 W.
Puissance nominale : la règle du 2×
Calculez P = (V_s − V_f) × I_f. Puis choisissez une résistance dont la puissance nominale est au moins le double. C'est une règle empirique d'ingénierie issue des données de fiabilité IEC 60115 : une résistance fonctionnant à 50 % de sa puissance nominale reste suffisamment froide pour que sa dérive de résistance reste sous 1 % sur toute sa durée de vie.
Puissances nominales courantes des résistances traversantes :
| Puissance nominale | Boîtier | Utilisation typique |
|---|---|---|
| 1/8 W (125 mW) | 0805 SMD | Indicateurs faible courant à 2-5 mA |
| 1/4 W (250 mW) | Axial, 1206 SMD | LED indicatrices standard à 20 mA |
| 1/2 W (500 mW) | Axial (corps plus gros) | Alimentations haute tension, automobile 12 V |
| 1 W | Bobinée ou couche épaisse | Plusieurs LED haute luminosité |
Si la règle du 2× vous place entre deux valeurs normalisées, arrondissez toujours au-dessus. Une résistance qui chauffe trop vieillit prématurément et peut décolorer le circuit imprimé autour d'elle.
Que faire sans fiche technique
Trier un sachet de LED 5 mm sans marquage est courant en bricolage électronique. Les valeurs ci-dessous sont des points de départ conservateurs :
| Couleur de la LED | V_f typique | I_f de départ sûr |
|---|---|---|
| Infrarouge | 1,2 V | 20 mA |
| Rouge | 1,8 V | 10 mA |
| Orange | 2,0 V | 10 mA |
| Jaune | 2,1 V | 10 mA |
| Vert | 2,2 V | 10 mA |
| Bleu | 3,0 V | 10 mA |
| Blanc | 3,0 V | 10 mA |
| UV | 3,3 V | 10 mA |
Utiliser 10 mA au lieu de 20 mA pour des LED inconnues les sous-alimente légèrement. Les LED haute efficacité modernes sont encore visiblement lumineuses à 10 mA, et le courant réduit offre une marge thermique si la V_f s'avère plus élevée que prévu.
Les valeurs de V_f ci-dessus sont des valeurs centrales approximatives tirées des spécifications publiées par les fabricants de LED. Les LED rouges à jaunes utilisent des matériaux semi-conducteurs AlGaInP ou GaAsP avec des bandes interdites plus faibles ; les LED bleues, blanches et UV utilisent de l'InGaN avec des bandes interdites plus élevées, ce qui explique que leur tension directe soit environ 1 V plus élevée.
Quand utiliser un driver à courant constant
Une résistance est la bonne solution pour des LED indicatrices consommant quelques milliampères sur une alimentation stable. Elle cesse d'être la bonne solution dans trois cas :
LED de puissance (350 mA et au-delà). Une LED blanche de 1 W à 350 mA et 3,2 V sur une alimentation 12 V dissipe (12 − 3,2) × 0,35 = 3,08 W dans la résistance seule. C'est plus de puissance gaspillée dans la résistance que consommée par la LED. Un driver LED buck à découpage (LM3414, AL8860 ou CAT4201) fonctionne à 85-95 % de rendement et élimine le problème thermique. Les drivers linéaires à courant constant comme le CAT4101 sont à éviter à rapport de tension élevé ; ils utilisent un transistor série au lieu d'une inductance et leur rendement est simplement V_f / V_s (environ 27 % pour une LED de 3,2 V sur 12 V).
Tension d'alimentation fluctuante. Dans les appareils sur batterie, la tension d'alimentation chute au fil de la décharge. Une pile 9 V démarre à 9,5 V et finit à 6,0 V. Avec une résistance fixe et une LED bleue de 3,0 V, le courant varie de (9,5 − 3,0) / R à (6,0 − 3,0) / R, soit une variation de luminosité de 2:1. Un driver à courant constant maintient un courant fixe dans la LED quelle que soit la tension d'entrée.
Production en série. La dispersion de V_f sur une bobine de LED peut dépasser 0,2 V. Pour un projet personnel avec cinq LED, la variation est invisible. Pour un produit expédié à 10 000 exemplaires, la tolérance de la résistance combinée à la dispersion de V_f crée une variation de luminosité perceptible. Un driver à courant constant élimine les deux variables.
Pour une LED indicatrice seule sur un rail régulé de 3,3 V ou 5 V, la résistance reste la solution la plus simple, la moins chère et la plus fiable. Le calculateur de résistance pour LED la dimensionne en quelques secondes. Pour tout courant dépassant 100 mA, envisagez un circuit intégré driver de LED dédié.
Erreurs courantes
Oublier le trajet retour. Le facteur 1 dans la formule d'une LED seule (et non 2, contrairement à la chute de tension dans le câblage) suppose une boucle série simple. Le facteur « 2× » dans les formules de chute de tension dans les câbles tient compte du courant qui parcourt l'aller et le retour dans deux conducteurs. Dans un circuit à LED, la résistance et la LED sont dans la même boucle unique ; il n'y a donc pas de doublement.
Dimensionner sur le courant moyen en PWM. Un signal PWM de 1 kHz à 10 % de rapport cyclique sur une LED de 20 mA pousse 20 mA de courant de crête dans la résistance à chaque impulsion. La résistance doit supporter le courant de crête et la puissance instantanée, pas le courant moyen de 2 mA.
Alimenter des LED directement sur le secteur avec une résistance. La tension de crête du 120 V RMS est de 170 V ; pour le 230 V RMS, elle est de 325 V. Une simple résistance devrait dissiper plusieurs watts, et la LED subit une tension inverse sur la demi-alternance négative qui dépasse sa valeur V_R nominale (typiquement 5 V). Utilisez un module driver de LED secteur approprié.
Connecter des LED directement sur un GPIO sans vérifier les limites de courant source. Une broche numérique de l'Arduino Uno fournit un maximum de 40 mA (avec une limite recommandée de 20 mA selon la fiche technique de l'ATmega328P). Un GPIO de l'ESP32 est limité à 12 mA par broche. Vérifiez toujours le courant source maximal du microcontrôleur avant de connecter une LED, même avec une résistance correctement dimensionnée.
Utilisez le calculateur de loi d'Ohm pour vérifier toute relation résistance-courant-tension, et le calculateur de code des couleurs de résistances pour confirmer les bandes du composant que vous sortez du tiroir.