Calculer l’ampérage d’une matrice LED pour afficheur DMD

Comment connaitre l’ampérage des matrices LED RGB HUB75 pour DMD ?

Les afficheurs DMD (Dot Matrix Display) sont des éléments de plus en plus implantés dans les bornes d’arcade et les dartscabs pour afficher les scores, des images et des animations. Ces afficheurs sont généralement composés de deux matrices LED HUB75 RGB, souvent de type P2.5 ou P4, avec une résolution de 64×32 pixels chacune. L’un des aspects les plus important à prendre en compte lors de la conception et de l’exploitation de ces afficheurs est l’ampérage, soit la consommation de courant en ampère (A), car il a un impact significatif sur la sécurité et de ce fait sur la section des câbles à utiliser pour l’alimenter. Dans cet article, nous allons explorer comment calculer la consommation de courant de ces matrices LED HUB75 pour les afficheurs DMD utilisés dans les bornes d’arcade et les dartscabs.

Qu’est-ce qu’une LED ?

Une LED (Light Emitting Diode) est un composant électronique qui émet de la lumière lorsqu’un courant électrique le traverse. Elle est constituée de matériaux semi-conducteurs qui convertissent l’électricité en lumière de manière efficace et émettent une lumière monochromatique (une seule couleur) ou polychromatique (plusieurs couleurs) en fonction de sa conception et de sa composition chimique. Les LED sont largement utilisées dans diverses applications d’éclairage, d’affichage, d’indication et de signalisation, ainsi que dans de nombreuses technologies modernes, notamment les écrans d’affichage à LED, les éclairages d’intérieur et d’extérieur, les feux de signalisation, les écrans de télévision, les dispositifs de communication, les appareils électroniques, et bien d’autres encore. Les LED sont appréciées pour leur faible consommation d’énergie, leur longue durée de vie, leur faible dégagement de chaleur, leur compacité et leur capacité à être utilisées dans une large gamme de couleurs.

Qu’est-ce qu’une LED RGB ?

Une LED RGB (Red Green Blue) est une diode électroluminescente qui est capable d’émettre trois couleurs primaires de base : rouge, vert et bleu. Contrairement à une LED monochrome qui n’émet qu’une seule couleur, une LED RGB peut mélanger ces trois couleurs pour produire une large gamme de couleurs différentes en fonction des niveaux de luminosité relatifs de chaque couleur. Chaque couleur est générée indépendamment en ajustant le courant électrique qui traverse chaque segment de la LED. Les LED RGB sont largement utilisées dans les applications d’affichage, d’éclairage et d’indication nécessitant une grande flexibilité dans la reproduction des couleurs, tels que les écrans d’affichage à LED, les éclairages d’ambiance, les éclairages de scène, les systèmes de signalisation et plus encore. Les LED RGB sont souvent utilisées en combinaison avec des circuits de commande et de contrôle pour ajuster la couleur, la luminosité et les effets d’éclairage en fonction des besoins spécifiques de l’application.

LED WS2812B et les LED 2121 RGB PLCC-4 : Quelles sont les différences ?

Les diodes électroluminescentes (LED) sont devenues une technologie d’éclairage populaire pour une large gamme d’applications, allant de la décoration et l’éclairage d’ambiance à l’affichage LED et à l’éclairage architectural. Les deux types couramment utilisés de LED RGB sont les WS2812B qui constituent principalement nos strip LED (bandes de LED) et les 2121 RGB PLCC-4 présentes dans les matrices LED pour DMD. Examinons les principales différences entre ces deux types de LED.

Broches de connexion : Les LED WS2812B ont 4 broches de connexion, à savoir VCC (tension d’alimentation), GND (masse), DIN (entrée de données) et DOUT (sortie de données). En revanche, les LED à anode ou cathode commune RGB peuvent avoir soit 6 broches de connexion (Rouge, Vert, Bleu, VCC, GND, NC – Non Connecté), soit 4 broches de connexion (Rouge, Vert, Bleu, GND) ce qui est le cas pour les 2121 PLCC-4 des matrices LED P2.5.

Protocole de contrôle : Les LED WS2812 utilisent un protocole de contrôle basé sur une communication série, ce qui permet d’adresser individuellement chaque LED dans une chaîne en envoyant des données séquentielles. Par contre, les LED 2121 RGB PLCC-4 peuvent être contrôlées de différentes manières en fonction du circuit de commande utilisé, comme le protocole de modulation de largeur d’impulsion (PWM) ou le protocole de commande de tension constante (CV).

Apparence physique : Les LED WS2812 ont un boîtier carré aux dimensions de 5×5 mm, tandis que les LED 2121 RGB PLCC-4 sont plus petite, avec un boîtier également carré de dimensions 21×21 mm.

Puissance et luminosité : Les LED WS2812B ont une tension d’alimentation typique de 5 V et consomment généralement entre 20 mA et 60 mA par LED, en fonction de la luminosité et de la couleur choisies. Les LED 2121 RGB PLCC-4 peuvent varier en termes de spécifications de tension d’alimentation et de courant de fonctionnement, en fonction du modèle spécifique et du fabricant.

Applications : Les LED WS2812B sont couramment utilisées dans les projets de décoration, d’éclairage d’ambiance, d’éclairage de scène, de costumes lumineux et d’autres applications créatives qui nécessitent un contrôle individuel des LED pour créer des motifs d’éclairage dynamiques. Les LED 2121 RGB PLCC-4 sont souvent utilisées dans les écrans LED, les panneaux d’affichage, les éclairages architecturaux et d’autres applications nécessitant des sources lumineuses de haute qualité pour afficher des couleurs vives et riches.

Comment fonctionne une LED RGB ?

Les LED RGB 2121 que l’on retrouve dans les matrices LED P2.5 par exemple, sont des diodes électroluminescentes tricolores de type PLCC-4, voici comment elles fonctionnent :

Structure de la LED : Les LED RGB 2121 sont de petites tailles, avec un boîtier carré de 2,1 mm x 2,1 mm. Elles sont constituées de trois LED individuelles intégrées dans un seul boîtier, une LED rouge (R), une LED verte (G) et une LED bleue (B), d’où le terme « RGB » (red, green, blue).

Anode et cathode : Comme toutes les LED, les LED RGB 2121 ont une anode (le terminal positif) et une cathode (le terminal négatif). Lorsque du courant est appliqué à la LED en polarisant correctement l’anode et la cathode, elle émet de la lumière.

Mélange des couleurs : La couleur de la lumière émise par une LED RGB est déterminée par la combinaison des niveaux de luminosité des LED rouge, verte et bleue. En ajustant les niveaux de courant d’entraînement des LED rouge, verte et bleue, on peut obtenir une large gamme de couleurs en mélangeant ces couleurs primaires.

Commande de la couleur : Pour afficher différentes couleurs sur une matrice LED, les niveaux de courant d’entraînement des LED rouge, verte et bleue sont ajustés en utilisant des signaux de commande électrique. Ces signaux de commande sont généralement fournis par un contrôleur LED externe qui envoie des signaux de commande pour ajuster les niveaux de courant d’entraînement des LED en fonction de l’image ou du contenu affiché.

Gestion de la luminosité : Comme mentionné précédemment, pour gérer la consommation d’énergie et la durée de vie des LED, les niveaux de courant d’entraînement peuvent être ajustés pour contrôler la luminosité des LED RGB. Cela permet de régler la luminosité de l’affichage en fonction des besoins spécifiques de l’application et de l’environnement d’utilisation.

PLCC-4 : (Plastic Leaded Chip Carrier) est un type de boîtier ou de package utilisé pour les LED (diodes électroluminescentes). C’est un format de boîtier en plastique avec des broches de connexion, également connu sous le nom de broches J-leads, qui sont utilisées pour monter et connecter les LED sur une carte de circuit imprimé (PCB) ou un autre substrat. Le boîtier PLCC-4 est généralement utilisé pour les LED de type SMD (Surface Mount Device), ce qui signifie qu’ils sont conçus pour être montés en surface sur une carte de circuit imprimé plutôt que d’être traversants. Le terme « PLCC-4 » se réfère spécifiquement au format du boîtier, qui a une taille et une forme spécifiques avec quatre broches de connexion J-leads disposées à chaque coin du boîtier. Les LED utilisant le boîtier PLCC-4 sont couramment utilisées dans les applications d’éclairage, d’affichage et d’indication où une petite taille, une efficacité énergétique élevée et une facilité de montage sont nécessaires.

En quoi la couleur impacte-elle la consommation d’énergie ?

Dans le cas des LED RGB (rouge, vert, bleu) de type PLCC-4, chaque LED a une consommation de courant spécifique pour chaque diode de couleur. Lorsque ces diodes au sein d’une même LED sont allumées ensemble pour afficher du blanc, la consommation de courant des trois couleurs (rouge, vert et bleu) s’additionne pour obtenir la consommation totale en ampères.

Reprenons l’exemple donné précédemment pour une LED RGB 2121 PLCC-4 avec une consommation de courant de 25 mA pour le rouge, 15 mA pour le vert et 15 mA pour le bleu. Lorsque ces trois couleurs sont allumées ensemble pour afficher du blanc, la consommation totale de courant sera la somme des courants de chaque couleur, soit 25 mA + 15 mA + 15 mA, ce qui donne une consommation totale de 55 mA selon les spécifications techniques fournies par le fabricant de la LED.

Ainsi, pour une matrice de LED avec plusieurs LED RGB de type PLCC-4, la consommation totale de courant sera la somme des courants de chaque couleur pour chaque LED allumée simultanément multiplié par les 4096 LED que compose votre afficheur DMD.

Mais si on additionne les courants pour chaque couleur (25mA + 15mA + 15mA) = 55mA, alors la consommation totale de courant pour les 4096 LEDs sera de 55mA multiplié par 4096, soit 225 280mA, donc 225,3A ???

Heureusement que non, pour simplifier vulgairement elles sont bridées. La consommation de courant des LEDs dépend de leur luminosité, qui peut être ajustée en fonction du niveau de gradation ou de la puissance de sortie du système d’éclairage. Si la consommation maximale indiquée par le fabricant est basée sur une luminosité maximale, dans la pratique, la luminosité réelle utilisée est inférieure. Ce qui augmente également leur durée de vie.

Ces systèmes d’éclairage utilisent des techniques de gestion de l’énergie pour optimiser la consommation d’énergie, telles que la modulation de largeur d’impulsion (PWM), qui permet de varier la puissance fournie aux LEDs en fonction de leurs besoins. Le protocole de commande HUB75 utilisé pour les matrices de LED est basé sur la modulation de largeur d’impulsion (PWM), qui permet de contrôler la luminosité des LED en ajustant le rapport cyclique de l’impulsion de commande. Le rapport cyclique détermine la quantité de temps pendant laquelle la LED est allumée par rapport à la période totale de l’impulsion, ce qui permet de régler la luminosité des LED de manière graduée.

Comment est exprimée la consommation de courant ?

L’ampère (A) est l’unité de mesure de l’intensité d’un courant électrique, c’est-à-dire le flux d’électrons dans un conducteur.

Le watt (W) est l’unité de mesure de la puissance électrique. Soit la quantité d’énergie pendant un temps donné.

La tension constitue la pression provenant d’une source d’alimentation d’un circuit électrique qui pousse les électrons chargés (le courant) le long d’une boucle conductrice, leur permettant d’accomplir un travail, tel qu’éclairer une ampoule. En résumé, tension = pression. La tension est mesurée en volts (V).

En électricité, puissance = tension x intensité.

La consommation de courant d’une matrice LED HUB75 dépend de plusieurs facteurs, notamment la résolution de la matrice en pixel, la luminosité, la durée de fonctionnement et le mode de fonctionnement. La consommation de courant est généralement mesurée en watts par mètre carré (W/SQM), ce qui indique la quantité d’énergie consommée pour alimenter une matrice LED sur une surface donnée.

W/SQM est une unité de mesure couramment utilisée dans le domaine des écrans à LED pour indiquer la consommation d’énergie par unité de surface. Elle représente la quantité d’énergie en watts (W) consommée par mètre carré (SQM) d’écran LED.

La valeur de W/SQM est généralement indiquée dans les spécifications techniques des écrans LED et peut varier en fonction de la technologie d’écran, de la résolution, de la luminosité, des paramètres de couleur et d’autres facteurs. Une valeur plus élevée de W/SQM indique une consommation d’énergie plus élevée par unité de surface, tandis qu’une valeur plus basse indique une consommation d’énergie moindre.

La consommation d’énergie maximale (W/SQM) indiquée dans les spécifications techniques des écrans LED se réfère généralement à la consommation d’énergie maximale possible dans des conditions d’utilisation optimales, par exemple à pleine luminosité et avec tous les pixels allumés. La consommation d’énergie réelle peut varier en fonction des paramètres de fonctionnement de l’écran, tels que la luminosité réelle utilisée, le contenu affiché, les réglages de contraste, etc. Considérez également la consommation d’énergie moyenne (W/SQM) dans les spécifications, qui peut donner une estimation plus réaliste de la consommation d’énergie dans des conditions d’utilisation réelles.

Dans notre exemple, nous allons prendre deux matrices LED HUB75 de type P2.5, avec une consommation d’énergie maximale de 780 W/SQM et une consommation d’énergie moyenne de 312 W/SQM. Ci-dessus la fiche technique du fabricant correspondante où nous avons surligné la partie nous intéressant sur sa consommation d’énergie. Les dimensions du module matrice sont de 160×80 mm.

Calcul de la consommation d’une matrice :

Calculons maintenant la consommation d’énergie d’une seule matrice :

La consommation d’énergie d’une seule matrice = la consommation d’énergie maximale (W/SQM) x La surface de la matrice (M²)

La surface de la matrice est calculée en convertissant la taille de la matrice en mètres carrés. Dans notre exemple, la surface de la matrice est de :

Surface de la matrice = (160/1000) m x (80/1000) m = 0,0128 M²

En utilisant cette valeur, nous pouvons maintenant calculer la consommation d’énergie d’une seule matrice :

Consommation d’énergie d’une seule matrice = 780 W/SQM x 0,0128 M² = 10 W (arrondi)

Ensuite, pour calculer la consommation d’énergie totale pour les deux matrices LED HUB75, attention c’est compliqué, nous multiplions tout simplement la consommation d’énergie d’une seule matrice par deux. Donc, la consommation d’énergie totale pour les deux matrices serait :

10 W x 2 = 20 W

Ces valeurs sont basées sur la consommation d’énergie maximale spécifiée par le fabricant et peuvent varier en fonction de divers facteurs tels que la luminosité réelle, le contenu affiché, la durée de fonctionnement, etc. Il est donc essentiel de se référer aux spécifications du fabricant mais surtout de réaliser des mesures réelles pour obtenir une estimation précise de la consommation d’énergie réelle pour votre configuration spécifique.

Pour convertir la consommation d’énergie de watts (W) à ampères (A), vous aurez besoin de connaître la tension d’alimentation des matrices LED HUB75. La formule pour calculer le courant en ampères est la suivante :

Courant (A) = Puissance (W) / Tension (V)

La tension d’alimentation peut varier en fonction du système d’alimentation utilisé pour les matrices LED HUB75. En général, les tensions d’alimentation courantes pour les matrices LED sont de 5V, 12V ou 24V.

Par exemple, si vous avez une consommation d’énergie totale pour deux matrices LED HUB75 de 20 W (comme dans notre exemple précédent) et une tension d’alimentation de 5V, vous pouvez calculer le courant total en ampères comme suit :

Courant total (A) = 20 W / 5V = 4 A

Cela signifie que pour ce cas spécifique, la consommation d’énergie totale de 20 W pour les deux matrices LED HUB75 nécessitera une alimentation capable de fournir un courant minimal dédié de 4 ampères (A) sous une tension de 5V.

Les valeurs de courant peuvent varier en fonction de la tension d’alimentation réelle utilisée, ainsi que des pertes d’énergie et de l’efficacité du système d’alimentation. Il est donc conseillé de consulter les spécifications du fabricant de l’alimentation et de s’assurer que l’unité d’alimentation soit dimensionnée correctement pour fournir le courant nécessaire en toute sécurité ainsi que la section des câbles.

La consommation réelle observée selon nos tests

Selon nos tests et pour information seulement, sur la base de notre PiDMD 128x32px en P2.5 avec Raspy2DMD 1.5.1.5 en mode autonome installé sur un Raspberry Pi ZERO 2 W et à 90% de luminosité, nous avons observé sur 3mn une fluctuation de la consommation de courant de l’ensemble allant de 0.5A à 2.2A. Le test portait sur des séquences de permutation d’animations GIF en pixel perfect, de l’heure et de la météo, comprenant des animations sombres et d’autres très lumineuses au hasard. Ne prenez donc pas ces valeurs pour une généralité car elles seront différentes selon les animations ou images que vous afficherez.

A partir de cet exemple comparons le à la consommation moyenne annoncée par le fabricant, qui nous indique une consommation d’énergie moyenne de 312 W/SQM.

Consommation moyenne d’énergie d’une seule matrice = 312 W/SQM x 0,0128 M² = 4 W (arrondi)

Pour 2 matrices : 4 W x 2 = 8 W

Courant total (A) = 8 W / 5V = 1.6 A

Pourquoi ne pas retenir la valeur réelle ou moyenne ?

Au regard des valeurs observées lors de nos tests, le fabricant nous donne ici les bonnes valeurs, mais alors pourquoi ne pas retenir la valeur moyenne plutôt que la maximale ?

Parce qu’il vous faut prendre en compte les pics de consommation qui varient en fonction du nombre de LED allumées en même temps, de leur couleur et de leur intensité lumineuse. Votre alimentation et vos câbles doivent pouvoir absorber ces pics. Imaginons que dans une animation une image totalement blanche et qui recouvre tout votre afficheur soit envoyée pendant 3s.

Ou alors un bug qui bloque votre afficheur DMD sur un écran totalement blanc pendant plusieurs minutes, voir des heures si vous n’êtes pas présent à ce moment-là.

Vos matrices passent instantanément à leur consommation maximale ; sur un temps très court cela provoque une perte d’intensité qui pourrait endommager votre système ou provoquer des « reboot » intempestifs, mais sur une période plus longue, cela pourrait entrainer une surchauffe de l’alimentation ou/et des câbles d’alimentation pouvant provoquer un incendie si vos éléments sont sous-dimensionnés et que vous utilisez des cartes sans aucune protection.

C’est pour cela que nous retiendrons toujours la valeur la plus haute + une marge de sécurité afin de palier à tout problème d’ordre électrique et d’incendie en pensant toujours au pire.

Tableau indicatif de section de câble appropriée en fonction de l’ampérage.

Référence LED 2121 PLCC-4 de l’exemple : Documentation technique

Retrouvez les matrices LED pour DMD dans notre boutique !