Alimentation d'un éclairage à LED par accumulateurs
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Alimentation d'un éclairage à LED
A la suite des différents articles déjà réalisés par mes soins, je vous propose de jeter un oeil (averti ?) sur les solutions d'alimentation des éclairage à LED. Par alimentation, je nomme la partie source d'énergie et technique de régulation de courant. Vous pouvez lire (ou relire) les 2 articles Module 1 et Module 2.
Topologie d'alimentation
Je ne parlerais que d'alimentations mettant en oeuvre des régulations de courant à découpage qui sont les seules solutions permettant d'alimenter des LEDs de puissance avec un rendement correct.
Prenons :
- La tension de la source d'alimentation : Ualim
- La tension au borne de la régulation : Ureg (valeur mini.)
- La tension au borne de(s) LED : Uled (valeur maxi., n x Vf)
2 solutions (enfin 3) :
- Ualim > Ureg + Uled : par exemple avec le LM3404. (appelée "Buck")
- Uled > Ualim + Ureg : par exemple avec le LTC3490.(appelée "Boost")
- Mélange des 2 précédentes. (appelée "Buck-Boost")
Cas 1 : régulation de courant par conversion "Buck"
Dans le cas de ce type de régulation de courant, la tension délivrée par la batterie d'accumulateurs doit être supérieure à la somme de la tension mini chutée par le régulateur et la tension max. aux bornes des LEDs pour le courant considéré.
Prenons par exemple le cas d'un éclairage utilisant 2 LEDs Séoul W42182-U P4 alimenté par le module M1 à base de LM3404 réglé à 700mA.
- Uled = 2 x Vf max. = 2 x 3.65V = 7.3V
- Ureg =1V
- Ualim mini. = 7.3 + 1 = 8.3V
La valeur Ualim mini. obtenue par le calcul ci-dessus doit servir à déterminer le nombre d'accus à utiliser. En fin de décharge des accus, la tension délivrée doit être au minimum égale à Ualim mini. Dans le cas ou la tension passerait sous la valeur Ualim mini., la régulation de courant ne pourrait plus fonctionner correctement et le courant délivré aux LEDs diminuerait.
Calcul du courant fourni par la batterie d'accumulateurs
- Puissance consommée par les LEDs : Pled = Uled x Iled = 7.3 x 0.7 = 5.11W pour notre exemple.
- Rendement du régulateur LM3404 = 85 - Puissance consommée sur la batterie Pbat = Pled / 0.85 = 6W
- Si par exemple, on utilise une batterie 9.6V / 2Ah : Courant consommé Ibat = Pbat / Ubat = 6 / 9.6 = 0.63A
- Autonomie dans ces conditions : 2Ah / 0.63A = 3 heures 10 minutes.
Cas 2 : régulation de courant par conversion "Boost"
Dans le cas de ce type de régulation de courant, la tension délivrée par la batterie d'accumulateurs doit être inférieure à la tension mini. aux bornes des LEDs pour le courant considéré.
Prenons par exemple le cas d'un éclairage utilisant 2 LEDs Séoul W42182-U P4 alimenté un LT1618 réglé à 700mA.
- Uled = 2 x Vf min. = 2 x 3.2V = 6.4V (le Vf mini à 700mA n'est pas indiqué dans la doc, j'ai donc pris 3.2V)
- Ualim maxi. < 6.4V
La valeur Ualim maxi. obtenue par le calcul ci-dessus doit servir à déterminer le nombre d'accus à utiliser. A pleine charge, la tension délivrée doit être au maximum égale à Ualim maxi. Dans le cas ou la tension passerait au dessus de la valeur Ualim maxi., la régulation de courant ne pourrait plus fonctionner correctement et le courant délivré aux LEDs serait supérieure à la valeur souhaitée.
Calcul du courant fourni par la batterie d'accumulateurs
- Puissance consommée par les LEDs : Pled = Uled x Iled = 7.3 x 0.7 = 5.11W pour notre exemple.
- Rendement du régulateur LT1618 = 85 - Puissance consommée sur la batterie Pbat = Pled / 0.85 = 6W
- Si par exemple, on utilise une batterie 4.8V / 2Ah : Courant consommé Ibat = Pbat / Ubat = 6 / 4.8 = 1.25A
- Autonomie dans ces conditions : 2Ah / 1.25A = 1 heures 36 minutes. Pour obtenir la même autonomie que précédement, il faudrait utiliser une batterie 4Ah.
Technologies de stockage d'énergie électrique
Voici un comparatif de différentes technologies d'accumulateurs :
On peut se rendre compte que les technologies de stockage d'énergie électrique par accumulateurs ont fait des progrès. Pour ce qui nous intéresse, nous allons éliminer les "plomb / acide" trop lourds, les NiCd interdit à la vente au "grand public" car extrêmements poluants et seulement nous pencher sur les NiMh et Li-ion.
NiMh : Nickel Métal Hydride
C'est aujourd'hui la technologie d'accumulateur la plus courante, on peut les trouver dans n'importe quel super-marché avec leur chargeur. Ces accumulateurs sont en plus disponibles dans les mêmes formats que les piles standards (alcalines ...). Ils sont faciles à utiliser. La technologie NiMh a fait de gros progrès et on trouve aujourd'hui des accumulateurs ayant une faible autodécharge, peu d'effet mémoire et un rapport capacité / volume intéressant à des prix relativement bas.
Il est préférable d'utiliser un chargeur spécifique car les accumulateurs NiMh supportent mal la surcharge (vieillissement prématuré). Leur durée de vie est de l'ordre de 2 ans. Ils sont capables de délivrer de forts courants (faible résistance interne).
Exemple d'un accu NiMh format AA standard
- En format AA (Diam. : 14.5mm / Hauteur 49.5mm) : capacité 2.4Ah / Masse : 32g (Documentation GP)
- Courant de décharge de 240mA à 7.2A (costaud le p'tit accu)
- Volume : 8.18cm3 = 8.18ml
- Puissance : 1.2V x 2.4Ah = 2.88Wh
- Energie / Masse = 90 Wh/kg
- Energie / Volume = 350Wh / l (Valeur un peu élevée pour du NiMh ?)
Courbe de décharge
La courbe de décharge est intéressante car elle va permettre de déterminer la plage de tension Max. / Min. délivrée par un pack d'accu NiMh.
On peut voir qu'après charge complète, la tension peut atteindre 1.5V et qu'en fin de décharge il n'y a qu'à peine 1V. Si on considère une batterie constitué de 6 accus NiMh, on a donc à pleine charge 9V et en fin de décharge 6V pour une valeur nominale de 7.2V. Il faut donc absolument tenir compte de ces caractéristiques pour choisir une alimentation adaptée.
Li-Ion : Lithium Ion
Cette technologie a remplacé peu à peu les NiMh dans les appareils nomades tels que les téléphones portables, les PDAs, les lecteurs multimédias, les PC portables en raison de ses caractéristiques très intéressantes : Pas d'effet mémoire, très peu d'autodécharge, rapport volume énergie, 1 élément Li-Ion = 3 NiMh en tension ... Les soucis arrivent lorsque l'on charge ou décharge ces accus : il sont très chatouilleux. Lors de la charge, la tension appliquée doit être régulée très précisément à 4.2V par accus, ceci interdit de charger plusieurs accus en série sans circuit d'équilibrage. Les accus Li-Ion peuvent exploser ou s'enflammer s'ils sont mal utilisés (principalement en phase de charge). Il ne doivent pas être déchargé en dessous de 2.8V (2.5V pour certains modèles). D'ailleurs, certains fabricants de PC portables ont du rappeler de nombreux accus Li-ion présentant des défauts de fabrication.
Aujourd'hui, il est assez difficile de se procurer des éléments Li-ion (surtout en France).
Exemple d'un accu Li-Ion format 18650
- En format 18650 (Diam. : 18.3mm / Hauteur 65.2mm) : capacité 2.2Ah / Masse : 44g (Documentation GP)
- Courant de décharge de 420mA à 2.2A (et oui, moins qu'un NiMh, la résistance interne est plus élevée)
- Volume : 17.15cm3 = 17.15ml
- Puissance : 3.7V x 2.2Ah = 8.14Wh
- Energie / Masse = 185 Wh/kg (2 x plus que notre NiMh)
- Energie / Volume = 474Wh / l (Valeur un peu élevée pour du Li-ion ?)
Courbe de décharge
La courbe de décharge est intéressante car elle va permettre de déterminer la plage de tension Max. / Min. délivrée par un pack d'accu Li-ion.
On peut voir qu'après charge complète, la tension atteint 4.2V et en fin de décharge 2.8V. Si on considère une batterie constitué de 4 accus Li-ion, on a donc à pleine charge 16.8V et en fin de décharge 11.2V pour une valeur nominale de 14.8V.
Les formats standards
Voici une liste de quelques formats disponibles ...
Formats malins
Les formats 10400 (AAA) et 14500 (AA) ont les mêmes dimensions que les piles alcalines ou les accus NiMh standards. Ils sont donc plus faciles à utiliser en les montant dans un coupleur comme ci-dessous. Attention à la tension, il ne peuvent en aucun cas remplacer des accus NiMh dans un appareil !
Acheter des accus Li-ion et un chargeur spécifique
Comme vous ne trouverez pas des éléments Li-ion aussi facilement que des NiMh, voici quelques solutions :
- Ebay / UltraFire Shop : Accu 18650 à 3.72€ et chargeur WF139 à 11.50€ à Hong-Kong
- Ebay / HKequipment : Accu 18650 à 3.79€ et chargeur WF139 à 4.72€ à Hong-Kong ou Chargeur AA/AAA + 4 x 14500 à 8.09€
- DealExtreme : 18650 + Chargeur : Accu 18650 à 5.25$ et chargeur WF139 à 12.28$
- Kaidomain : 18650 + Chargeur : Accu 18650 à 5.00$ et chargeur WF139 à 12.28$
- NeoLumen : 18650 + chargeur: Accu 18650 à 10.85€ et chargeur WF139 à 17.95€
Chargeurs UltraFire WF-138A (version CR123, existe en WF-138B pour AA/AAA) et WF-139 (14500/17500/18500/18650/CR123)
On peut voir, qu'en plus d'être difficiles à trouver en France, les tarifs des accus Li-ion sont bien plus élevés chez nous.
Il est TRES FORTEMENT conseillé de n'utiliser que des accus Li-ion protégés contre les inversions de polarité, les surcharges et les court-circuits !