Éclairage à LEDs 2

 

La présente réalisation est un éclairage à LEDs rouges de type "continu", non clignotant, conçu en tant que "Feux STOP" à l'arrière d'une moto (ou d'une voiture) avec une alimentation nominale de 12 V. 


Version 002 - 3 lignes de 6 LEDs


Version 002b - 1 ligne de 18 LEDs

Cet éclairage peut sans problème être adapté à toute autre situation, tout est indiqué dans le texte pour vous permettre libre adaptation au nombre et type de LEDs désirés. Le câblage des LEDs se fait selon la méthode série / parallèle, tel que discuté à la page Alimentation d'une LED.

Le schéma

Un schéma assez clair et lumineux, pas de fils qui se croisent dans tous les sens. A priori, la réalisation d'un circuit imprimé pour soutenir tout ça ne devrait pas être trop problématique...

eclairage_leds_002

Principe général

Le principe repose sur la mise en parallèle de plusieurs branches de LEDs câblées en série. D'où l'appellation logique de câblage série / parallèle. OK pour le principe, mais comment déterminer précisément le nombre de LEDs dans chaque branche, et combien de branches en tout ? Vaut-il mieux être plus généreux sur le mode série et diminuer la consommation globale, mais au risque de perdre plus de lumière en cas de défaillance (coupure) d'une LED ? Ou vaut-il mieux donner avantage au nombre de branches et réduire le nombre de LEDs que chacune comporte, avec une "fiabilité lumineuse" accrue mais une consommation électrique qui va dans le même sens ? C'est ce que nous allons voir dans la suite du texte.

Nombre total de LEDs

Là, je ne peux guère vous aider, c'est vous qui décidez de ce que vous voulez obtenir. 10 LEDs hautes luminosité à 100000 mcd, ou 1000 LEDs normales à 20 mcd, à vous de voir en fonction de l'impact visuel désiré. Dans l'exemple qui nous concerne ici, à savoir le feu stop, il a été décidé d'utiliser 18 LEDs rouges câblées en trois branches de six, LEDs dont les caractéristiques principales sont les suivantes :

- flux lumineux = 500 mcd
- tension nominale = 1,7 V
- courant nominal = 20 mA
- angle d'éclairement = 30 degrés

Mais on aurait très bien pu utiliser 16 LEDs câblées en quatre branches de quatre, ou utiliser 20 LEDs câblées en quatre branches de cinq.

Nombre maximal de LEDs en série

Le nombre de LEDs que l'on peut câbler en série n'est imposé que par la logique du système à monter. Pour s'allumer "correctement" (pour qu'elle émette la quantité de lumière attendue), une LED doit recevoir une certaine tension à ses bornes, qui correspond à sa tension nominale. Ici, nous avons choisi des LEDs dont la tension nominale est de 1,7 V, il faut donc appliquer à chaque LED cette tension. La valeur exacte de la tension n'est pas critique au point qu'il faille la contrôler au centième de volt près, mais il faut la respecter au mieux. Si l'on place deux LEDs en série, la tension que l'on doit appliquer à ce couple est le double de la tension nominale de chacune, soit 3,4 V et non plus 1,7 V. Ce qui est logique. Pour trois LEDs en série, il nous faut une tension de 3 * 1,7 V, soit 5,1 V. Et ainsi de suite. Il arrive bien un moment où l'ajout de LEDs supplémentaire en série va poser problème : tout simplement quand la tension requise pour la branche entière sera supérieure à la tension dont on dispose. Ici, la batterie de la moto nous donne 12 V à 13 V, on ne peut pas mettre dix LEDs de 1,7 V en série, car la tension requise de 17 V ne sera jamais au rendez-vous ! Mettre 7 LEDs ? Cela impose une tension d'alimentation de 11,9 V, ce qui est un peu trop proche de la tension nominale disponible. Cela fonctionnerait, mais nous verrons plus loin pourquoi il vaut mieux aller en-dessous. Mettre 6 LEDs en série ? Cela impose cette fois une tension d'alimentation de 10,2 V, ce qui est bien. Comme vous devez maintenant le savoir, il est impératif de mettre une résistance en série avec une LED pour limiter le courant qui la traverse, et la protéger ainsi contre toute destruction liée à un surchauffage. Quand on met plusieurs LEDs en série, le problème reste le même, il faut limiter le courant qui les parcourt toutes en même temps. Heureusement, une seule résistance est nécessaire pour la branche, inutile d'en mettre autant qu'il y a de LEDs (mais vous pouvez le faire si le but final de la réalisation est une sculpture originale pour le salon). Le choix de la valeur de la résistance série de la branche (de chaque branche, à savoir R1, R2 et R3) sera expliqué plus loin.

Nombre maximal de branches en parallèle

Ce nombre est limité par la capacité en courant de la source d'alimentation. Ici, nous utilisons trois branches de six LEDs qui consomment chacune 20 mA (chaque LED consomme 20 mA, et chaque branche consomme aussi 20 mA), pour donner au total un courant consommé de 60 mA quand les 18 LEDs sont allumées. La batterie de la moto soutiendra sans problème une telle demande, bien minime au regard de ce qu'on peut lui demander à côté. Si on souhaitait limiter le courant total consommé à 1 A, cela voudrait dire que l'on pourrait installer 50 branches de 6 LEDs, soit 300 LEDs haute luminosité ! Bonjour la place occupée et le prix de revient ! Bref, pas de soucis de ce côté, mais pensez-y si l'installation que vous prévoyez diffère de celle décrite ici.

Protection additionnelle

La résistance à monter en série avec chaque branche de LEDs constitue la protection minimale contre leur destruction suite à surintensité. Mais nous nous basons sur le fait que la source de tension est assez stable (entre 12 V et 13 V) et que la température ambiante ne joue pas un rôle trop important sur le comportement des résistances et des LEDs elles-mêmes. Bien entendu, en pratique il n'en est pas ainsi, ce serait trop beau. Si on peut à la limite se baser sur un courant moyen à une température donnée, on peut aussi penser que le circuit électrique de la moto peut donner lieu à certains moments, à des surtensions qui dépassent bien la tension nominale attendue. Il n'est donc pas inutile de prévoir un petit circuit de protection contre les surtensions, de façon à les "écrêter", c'est à dire les limiter en amplitude. Cette protection peut se résumer à l'emploi d'une simple diode zener, dont la valeur nominale (de conduction) est située un peu au-dessus de la tension nominale attendue. Il ne faut pas en effet que la zener conduise en continu, ce n'est pas le but recherché ici... En même temps, il faut limiter le courant qui circule dans la diode zener quand elle est conductrice, c'est à dire au moment même des surtensions. C'est pourquoi une résistance est placée en série avec (avant) cette diode. A noter que cette résistance additionnelle se laisse traverser de façon continue par le courant total absorbé par l'ensemble des LEDs quand ces dernières sont allumées. Il faudra donc en tenir compte dans les calculs qui ne manqueront pas de pointer le bout du nez.

Calcul des résistances nécessaires au circuit

Nous voici arrivé au terme de la théorie barbare, passons maintenant à la théorie pratique. Le schéma proposé au début de cette page pose des valeurs de composants qui conviennent à notre application, nous allons voir comment elles ont été calculées, et comment les modifier pour d'éventuelles adaptations (type et nombre de LEDs différents). La résistance R4 doit être calculée en tenant compte de la source de tension principale (tension avant la résistance R4, ici 12 V), du courant qui va la traverser (ici 60 mA qui correspondent aux trois branches de 20 mA) et de la tension que l'on doit trouver sur les branches de LEDs (après la résistance R4). Mais avant d'aller plus loin, mettons tout de suite les choses au clair, et nommons les tensions et courants qui vont entrer dans les calculs.



U1 = tension d'alimentation générale, ici 12 V à 13 V - On se fixe la valeur 12 V pour les calculs
U2 ( = U1 - UR4) = tension sur chacune des branches de LEDs (avec résistances série R1 à R3)
I ( = IR4) = courant total consommé par le montage et donc par l'ensemble des branches de LEDs, la zener D19 étant ici considérée comme bloquée (non conductrice)
I1 ( = IR1) = I2 ( = IR2) = I3 ( = IR3) = courant consommé par chaque branche de LEDs (ici 20 mA)

Le courant qui traverse R4 est de 60 mA :
IR4 = 0,06 A

et la chute de tension à ses bornes est égale à 
UR4 = U1 - U2 = 12 V - U2

Le courant qui traverse R1 est de 20 mA :
IR1 = 0,02 A

et la chute de tension à ses bornes est égale à 
UR1 = U2 - ULED1 - ULED2 - ULED3 - ULED4 - ULED5 - ULED6

En même temps, nous savons que la chute de tension au niveau des LEDs est, pour chaque branche, de 
ULED1 + ULED2 + ULED3 + ULED4 + ULED5 + ULED6 = 6 * 1,7 V = 10,2 V

La tension aux bornes de R1 (même chose pour R2 et pour R3) est donc 
UR1 = U2 - 10,2 V

On en déduit aisément que la tension aux bornes de R4 conjuguée à celle présente aux bornes de R1, est 
UR4 + UR1 = 12 V - 10,2 V = 1,8 V

Le courant dans R4 étant trois fois plus important que le courant dans R1 (ou R2 ou R3), on peut écrire 
IR4 = 60 mA = 3 * IR1

ou encore
IR1 = 20 mA = IR4 / 3

De même, la tension que doit chuter R4 est identique à la tension que doit chuter R1 (ainsi que R2 et R3)
UR4 = UR1 = UR2 = UR3 = (UR4 + UR1) / 2 = 1,8 V / 2 = 0,9 V 

et le courant dans R4 étant 3 fois plus important que celui dans R1, la valeur ohmique de R4 sera 3 fois plus faible que celle de R1

R4 = R1 / 3
ou encore 
R1 = R4 * 3

Vous connaissez sans doute la fameuse formule R = U / I (ou U = R * I) qui lie résistance, tension et courant. Si oui, aucune surprise pour ce qui suit :

R4 = UR4 / IR4 = 0,9 V / 0,06 A = 15 ohms
R1 = UR1 / IR1 = 0,9 V / 0,02 A = 45 ohms

Dans la pratique, nous prendrons 15 ohms pour R4, et arrondirons à 47 ohms pour les trois résistances R1 à R3.

Conclusion
Maintenant, vous savez quoi faire si vous partez du principe que la tension nominale de la batterie est de 13 V et non de 12 V...

Fonctionnement sous 15 V et plus

Que se passe-t-il si la tension de la batterie, supposée être de 12 V, monte à 15 V et reste à cette valeur au moment où l'on freine ? Dans ce cas, la diode zener joue son rôle, et évite à la tension U2 de dépasser 15 V. Le courant dans les LEDs est ainsi limité à la valeur suivante :

IR1 = IR4 / 3 
IR1 = (UR4 / R4) / 3 
IR1 = ((15 V - 10,2 V) / 2) / 15 ohms / 3
IR1 = 2,4 V / 15 ohms / 3 
IR1 = 0,053 A dans chaque branche

Cela provoque donc une surintensité assez "forte", que peuvent cependant supporter nombre de LEDs récentes tant qu'on ne leur fait pas subir cet exercice trop longtemps et trop souvent (en régime continu, je dirais tout de suite Stop). Si malgré ce risque mesuré vous préférez jouer sur la pleine sécurité, donnez aux résistances R1 à R4 des valeurs un peu plus élevées, qui permettront d'avoir un courant modéré en cas de tension d'alim élevée, mais qui en contrepartie contribueront à une luminosité plus faible des LEDs sous la tension normale de 12 V. A titre d'exemple, et pour un courant max de 33 mA dans chaque branche pour une tension d'alim de 15 V, vous pouvez donner la valeur de 22 ohms à R4 et la valeur de 68 ohms aux résistances R1 à R3.

Effets extérieurs indésirables et précautions à prendre

Les différences de température, l'humidité et les vibrations que le système va devoir supporter en usage extérieur, n'ont rien à voir avec un montage cloué à la maison. Il convient donc de prendre certaines précautions pour que le montage fonctionne encore au bout d'un mois...

Précautions côté mécanique

- Le circuit doit être parfaitement réalisé, les soudures doivent être parfaites. Si vous câblez l'ensemble des composants sur un circuit imprimé tel que celui présenté ci-après, les pistes de cuivre devront impérativement être étamées, de préférence avec de la "vraie" soudure et pas seulement avec un étamage chimique qui laisse une couche d'étain trop fine pour résister au temps.

- Il n'est pas luxueux de recouvrir le circuit d'une couche de vernis, qui le protègera de l'humidité et des poussières conductrices (vous savez, ces petits trucs qui n'existent que dans notre imagination).

Précautions côté électrique

- Le montage décrit ici est simple et ne possède pas de régulation en courant (comme c'est le cas dans mon projecteur à LEDs 002), ce qui aurait peut-être été mieux. La fiabilité du circuit devrait tout de même être assez bonne, bien qu'en toute franchise je n'ai pas assez de recul pour en parler sérieusement. Il faut reconnaitre que si la protection par diode zener est assez sommaire, elle n'en reste pas moins efficace, surtout quand on sait que le circuit n'est mis sous tension que pendant un freinage...

- Vous devez apporter un soin tout particulier au raccordement électrique du montage sur le véhicule. Il ne s'agit pas de provoquer de court-circuit au moment du câblage ou au moment du premier freinage ! Gardez à l'esprit que la connectique électrique est un point critique sur un véhicule en mouvement, qui vibre tout le temps. Si vous utilisez des cosses à vis (que je déconseille), pensez à vérifier régulièrement leur serrage. Préférez des cosses de type Fast-on, plus robustes et moins susceptible de se défaire d'elles-mêmes.

- L'insertion d'un fusible en série avec l'arrivée d'alimentation sera un point additionnel positif. Vu que le circuit ne présente pas de pointe de courant à la mise sous tension, le calibre du fusible peut être choisi juste au-dessus de la valeur de la consommation nominale du circuit, c'est à dire au-dessus de 60 mA. Vous pouvez ainsi prendre un fusible calibré à 100 mA ou à 150 mA.

Circuits imprimés

Réalisé en deux versions, toutes deux en simple face.

eclairage_leds_002_pcb_composants
Version 002 - 3 lignes de 6 LEDs

eclairage_leds_002b_pcb_composants
Version 002b - 1 ligne de 18 LEDs

Typons aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
(l'archive zip contient les deux versions 002 et 002b)

 

 

 

 

 

 

 

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