Autonomie des bougies et objets LED rechargeables ou sur piles

Vous n'êtes pas sans ignorer que nous commercialisons sur le site www.couleurs-et-led.fr des bougies LED rechargeables, des guirlandes sur piles ou autres objets lumineux rechargeables.

La description y est, ainsi que les photos et les caractéristiques mais qu'en est-il de l'autonomie?

Contrairement à des batteries Lithium-ion qui gardent un débit constant jusqu'à l'arrêt brutal, les solutions sur piles présentent l'avantage (et l'inconvénient) d'une décharge lente et constante aussi est-il difficile de répondre à la question : quelle autonomie si ce n'est en publiant une courbe complète dans le temps.
De plus, les LED n'ont pas la même consommation suivant leur couleur et un oeuf multicouleur comme celui-ci :

est équipé d'une diode RGB soit une triple diode rouge, verte et bleue dont les trois consommations sont différentes...

Il faudrait aussi mesurer les temps de chargement sur un produit neuf mais aussi après un certain nombre d'utilisations...

Aussi est-il temps de penser sérieusement à automatiser le procédé de mesure.

 Ce que nous avons fait et c'est relativement simple.

Nous avons choisi une solution sur la base de la carte Arduino :

Qui présente l'immense avantage de disposer de nombreuses entrées-sorties (analogiques ou numériques) et de pouvoir être directement connectée à un PC.

une photorésistance dans un caisson sera notre capteur :

Les photorésistances présentent l'avantage d'une bonne linéarité.

La mesure de l'intensité lumineuse à l'aide de l'arduino est un des exemples d'utilisation les plus simples que l'on retrouvera sur le site de référence Arduinp : www.arduino.org

Il s'agit maintenant d'enregistrer le tout sur le PC et nous avons alors choisi l'excellente macro Excel développée par la société PARALLAX qui permet d'écrire directement dans un fichier excel les données envoyées par la carte Arduino.

Un exemple d'application en français est disponible ici.

Nous avons donc réalisé un caisson avec la photorésistance :

La carte Arduino connectée :

Il n'y plus qu'à poser le produit allumé dans le caisson et enregistrer jusqu'à extinction...

Ci-après une vue de la macro en train de se remplir toutes les minutes:

Il  s'agit de mesures relatives par rapport à l'allumage initial du système à évaluer (100%).

Les résultats sont publiés au fur et à mesure sur notre site www.couleurs-et-led.fr 

La mesure du temps de chargement sera un peu plus complexe:

On peut se baser sur les diodes rouges et vertes intégrées dans les produits pour détecter la charge ou utiliser l'Arduino pour piloter la télécommande ou allumer régulièrement le produit afin de vérifier sa luminosité pour tracer aussi une courbe de charge.

Cela fera l'objet d'un projet article !

Alimenter un ruban LED "magic" ou numérique

Nous avons vu que les rubans numériques ou les pixels LED sont équipés d'un circuit intégré.
Celui-ci reçoit les instructions d'un contrôleur (data et horloge ou data seul) et alimente les LED en fonction de ces instructions.

Pour faire fonctionner le tout, il est nécessaire d'alimenter le contrôleur et le ruban ce qui ne pose pas de problème quand il s'agit d'un ruban de 5 mètres mais devient plus compliqué lorsque l'on veut gérer de plus grandes longueurs.

Dans le cas d'un simple ruban de 5 mètre en 12 volts par exemple, une alimentation de 6 ampères (72 watts) par exemple alimente le contrôleur comme pour le kit ci-après par exemple.

Le ruban se branche alors directement sur le contrôleur d'où proviennent datas et alimentation.

Si l'on considère 5 mètres de ruban 14.4 W/m, nous avons donc au maximum 72 Watts (nous savons que ce sera bien moins) soit quand même 6 Ampères qui traverse le contrôleur et tout le ruban.
Nous approchons des limites admissibles pour les contrôleurs.

Comment donc réaliser un ruban de 10 mètres ou plus avec un seul contrôleur?
Il suffit de réinjecter une nouvelle alimentation sur les entrées V- (GND) et V+ tous les 5 mètres de ruban et bien relier le signal DATA (ou DATA et CLK) d'un ruban au suivant pour assurer la continuité du flux de données.
On peut même alimenter le contrôleur séparément avec sa propre alimentation et dédier une autre alimentation au premier ruban (bien sûr, toujours la même tension!).
Mais il est alors impératif de bien relier tous les V- (ou GND) de toutes les alimentations afin d'éviter des problèmes de potentiel flottant.

L'unique limitation sera alors la capacité du contrôleur à gérer suffisamment de circuits.
En général, cette capacité maximum est de 1024.
Soit un ruban 12 volts à 60 LED par mètre et 20 circuit par mètre, cette limitation se situera alors autour de 60 mètres... Ce n'est pas le point contraignant...

Alimentation des rubans LEDS: bien choisir son alimentation !

Nous avons vu dans un précédent article comment les LEDs sont alimentées dans le cas d'une alimentation 12 volts:
Trois diodes LEDs en série avec une résistance.
Les diodes LED type 5050 sont en fait trois diodes LED intégrées dans un seul boitier, aisément identifiables du fait de la présence de trois connecteurs d'entrée et trois connecteurs de sortie.

Astucieusement, les LEDS sont regroupées par trois non pas par boitier mais à raison d'une LED par boitier suivant le schéma ci-après:

En cas de panne d'une diode, chacun des modules voit sa puissance diminuer d'un tiers (une diode sur trois) mais ceci évite l'extinction complète d'un module, beaucoup plus visible...
Un tronçon sécable est donc composé de trois boitiers (regroupant chacun trois LEDs) et trois résistances et un mètre de ruban dit "60 Leds" est composé de 20 tronçons de 5 centimètres.
Généralement, la très grande majorité des LEDs utilisées sur les rubans ont un courant typique de 20 mA.
Si la valeur de la résistance est bien calculée de façon à faire travailler la LED à son intensité nominale, chaque tronçon doit voir  passer un courant de 20 mA.
Le calcul est alors évident: un tronçon sécable consomme 3 x 20 mA = 60 mA et nous avons 20 tronçons soit 1.2 Ampère par mètre d'où une puissance consommée de 1.2A x 12volts = 14.4 Watts.
En conclusion, un ruban LED équipé de 60 LED triples au mètre type 5050 d'intensité individuelle nominale 20mA devrait, si il est bien conçu et alimenté en 12 volts, consommer 14.40 Watts au mètre.
Toutefois, rien n'est jamais parfait et plusieurs facteurs que nous allons détailler maintenant rentrent en ligne de compte...
Il est d'usage de mettre en place des résistances de valeur légérement supérieures afin de limiter le courant dans la LED et d'augmenter ainsi sa durée de vie au détriment d'une très légère perte de luminosité.
C'est le cas de nos rubans blancs où nous disposons d'une résistance de 130 ohms alors que le calcul théorique demanderait 120 ohms.
Le courant est alors d'environ 18.5 mA soit une consommation théorique de 13.3 Watts au lieu de 14.4 Watts et une perte de luminosité (par rapport à la valeur nominale) de 2 à 3%....
Mais le principal paramètre à prendre en compte est lié à la tension d'alimentation qui ne peut malheureusement pas être égale à 12 volts pour tous les tronçons.
La tension d'entrée du ruban doit être de 12 volts or, même si l'alimentation est régulée, sa tension de sortie varie en fonction de la charge et nécessite un ajustement.
De plus, la longueur et la qualité du câble d'alimentation ( de l'alimentation au ruban) ont une forte incidence sur la tension à l'entrée du ruban.
C'est pourquoi nos alimentations à bornier sont équipées d'un ajustement fin de la tension et nous proposons des câbles de section 0.75mm² et 1.5mm² pour limiter la perte de tension dés que la longueur dépasse 1 ou 2 mètres.
A titre d'exemple, la résistivité d'un câble de section 0.75 mm² est de l'ordre de 30 ohms/km ce qui occasionnerai une chute de tension de 1.5 volts pour 5 mètres de câble utilisé à 5 ampères !
Il est donc important d'ajuster la tension d'entrée au niveau du ruban lors de l'installation pour assurer les 12 volts nécessaires.
Mais le principal phénomène est lié à la résistivité même du bandeau sur lequel sont placées les LEDs.
Cette résistivité est de l'ordre de 70 ohms au km ce qui amène une chute de tension de l'ordre de 2.1 volts au bout de 5 mètres de ruban utilisé à 3 Ampères: non négligeable !
Ce qui signifie que la tension disponible aux bornes des LEDs diminue tout au long du ruban et donc aussi la consommation.
Si le premier tronçon de 5 cm consomme bien ses 3 x 20  mA (avec la résistance théorique), le deuxième tronçon consommera déjà un peu moins et ainsi de suite ce qui fait que le premier mètre ne consomme déjà pas sa puissance théorique et bien sûr encore moins pour les suivants...

Ci-après un relevé de mesure sur un ruban blanc jour en différentes longueurs.
le premier tronçon consomme bien l'équivalent au mètre de 13.3 Watts mais la consommation ramenée au mètre diminue dés le premier mètre.

 En conclusion, le choix de la valeur de la résistance est peu conséquent sur la consommation totale. Les deux principaux facteurs à prendre en compte sont:

• Le comportement de l'alimentation une fois chargée et la longueur du câble d'alimentation. Ceci peut-être compensé par un ajustement de la tension de sortie de l'alimentation mais a pour conséquence une plus grosse consommation pour celle-ci (jusqu'à + 10%)
• La résistivité linéique du bandeau lui-même qui induit une chute de consommation globale du ruban à tel point que les 14.40 W/m spécifiés peuvent devenir seulement 8 Watts en moyenne par mètre.

En terme de luminosité, la perte est beaucoup moins sensible du fait de la courbe de réponse Luminosité/Intensité des diodes LEDs :

où l'on constate qu'une réduction du courant de fonctionnement de 20 mA (100%) à 10 mA soit 50% de diminution n'engendre qu'une réduction de la luminosité d'environ 35%.
On retiendra néanmoins que les longueurs supérieures à 5 mètres devrait donner lieu à réalimentation du ruban.
Quand au choix de l'alimentation, on retiendra que la possibilité d'ajustement de la tension est très importante,  qu'il est nécessaire de prévoir une réserve de 10% pour obtenir au moins les 12 volts au niveau du ruban mais qu'un ruban de 5 mètres consomme près de 40% de moins que la consommation théorique.

LED 3528 et 5050 sur les rubans LED : quelle différence ?

Nous avons vu dans un précédent article que les diodes LED se regroupent par trois en série avec une résistance lorsqu’elles sont alimentées en 12 volts.
Ceci est vrai pour une diode LED que l’on pourrait appeler « de base ». On verra qu’il existe plusieurs types de diodes LED « de base »  et que celles-ci sont logées obligatoirement dans un boitier.
Une « 3528 » est en fait un boitier de 35 dixièmes de millimètres sur 28 dixièmes de millimètres comprenant une diode LED  « de base ».


Une  « 5050 » est un boitier de 50 dixièmes de millimètres sur 50 dixièmes de millimètres.
A la différence près que le boitier 5050 regroupe trois diodes LED « de base»

Il s’agit ici d’une vue d’un tronçon de 5 cm sous-alimenté pour mettre en évidence les trois LED dans leur boitier.

On voit aussi les trois connecteurs d’entrées et les trois connecteurs de sorties des LED qui sont bien indépendantes sur ce ruban (2 x trois points de soudure en surface).
Les deux modèles sont donc faciles à reconnaitre :

• 3528 : une soudure de chaque côté et les dimensions :       3.5 mm x 2.8 mm
• 5050 : trois soudures de chaque côté et les dimensions :     5.0 mm x 5.0 mm

Et qu’en est-il de la façon de les alimenter ?
Et bien l’on doit  retrouver la même logique car chacune des trois « LED de base » à l’intérieur du boitier est la même que celle que l’on retrouve dans un boitier 3528.
On verra dans un prochain article qu’il existe aussi différents modèles de ces LED de base, mais dans le principe une « 5050 » comprend trois « 3528 ».
Néanmoins, le principe reste le même en 12 volts :
Trois LEDs en série avec une résistance.
L’astuce consiste alors à relier en série non pas les trois diodes d’un boitier avec une résistance mais :

• les trois premières diodes de trois boitiers 5050 avec une résistance pour obtenir 12 volts
• les trois deuxièmes diodes de trois boitiers 5050 avec une résistance pour obtenir 12 volts
• les trois troisièmes diodes de trois boitiers 5050 avec une résistance pour obtenir 12 volts

avec l’avantage indéniable qu’en cas de panne d’une diode, ce n’est pas un boitier complet qui s’éteint de façon visible mais une diode sur trois sur trois boitiers consécutifs ce qui est beaucoup moins visible.
Que devient un ruban si l’on supprime deux résistances sur trois ?

Dans chaque boitier, une LED sur trois continue à fonctionner comme un boitier 3528 (une LED par boitier) et il n’y a pas de discontinuité flagrante dans le ruban.
Finalement, un ruban équipé de 5050 se décompose donc en tronçon de trois boitiers (chacun contenant trois LEDs) et trois résistances.

Nous savons donc maintenant facilement distinguer en 12 volts un ruban 3528 d’un ruban 5050:

• La taille des boitiers
• 3 boitiers, une résistance en 3528 -  3 boitiers, trois résistances en 5050
• Le ruban 5050 éclaire trois fois plus :-)

Diode LED et ruban

La diode LED:
Une diode est un composant qui a la particularité de ne laisser passer le courant que dans un sens et pour la diode LED fort heureusement en éclairant!
La principale caractéristique à prendre en compte est que dans le sens "passant", la diode n'est pas un simple court-circuit, mais répond à des contraintes particulières en tension et en intensité que l'on peut découvrir sous la forme de sa courbe de fonctionnement:

Il s'agit ici d'une diode LED type 3528 dont on retrouve l'évolution de l'intensité (current) en fonction de la tension (voltage).
Alors qu'une résistance pure serait modélisée par une droite :
U (tension)= R (résistance) x I (intensité)
on retrouve une courbe très particulière qui conditionne l'architecture des rubans LEDs.
Même passante, la diode LED crée ici une chute de tension située entre 3.0 et 4.0 Volts mais pour laquelle l'intensité peut évoluer dans des proportions très importantes et même destructrice pour la LED (phénomène d'emballement).

Le fabricant d'une LED indique donc dans sa fiche technique une plage de fonctionnement, dans le cas de notre figure :

• Intensité max : 20 mA
• Tension nominale : 3.0 à 3.4 Volts

Pour un température de 25°C.

Pour un ruban, on impose donc une alimentation à tension constante soit 12 Volts par exemple.
Choisissons un point de fonctionnement à 3.40 Volts (donc 10 mA sur la courbe) pour obtenir le maximum de luminosité de la diode dans sa plage de fonctionnement et plaçons trois diodes en série.
Ces trois diodes en série créeront une chute de tension de 3 x 3.40 volts soit : 10.2 volts et les 1.80 volts restant seront bien constants puisque imposés par l'alimentation à tension constante de 12 volts.
On insère alors une simple résistance qui répond à la loi U=R x I.
La résistance étant fixe et la tension (1.80 volts) aussi, l'intensité sera alors fixe et la résistance sert donc bien à imposer l'intensité qui traverse l'ensemble.
Je voulais 10 mA, je choisis donc une résistance de 180 Ohms et le tour est joué!
Tous les rubans sont basés sur ce même principe :
Une alimentation à tension constante répartie entre des diodes LED en série avec une résistance qui fixe l'intensité.
Vous savez maintenant lire un ruban équipé de diodes simples type "3528".
Les LED sont faciles à identifier et le carré noir est la résistance qui sert à fixer l'intensité de travail de la section considérée.
Dans l'exemple réel ci-après, on retrouve trois diodes LED 3528 en série avec une résistance normalisée de 151 Ohms.
Ce qui éclaire aussi l'existence des tronçons sécables qui correspondent à un groupe de composants en série pour 12 volts.


Au voltmètre, on constatera facilement que l'ensemble trouve un point d'équilibre avec une tension de 2.0 volts aux bornes de la résistance soit un courant de 13 mA et des tensions au bornes des diodes de l'ordre de 3.33 Volts.


Dans un prochain billet, nous regarderons comment utiliser les diodes LED triples de type "5050"...

Magic strip ou ruban LED programmable: comment ça marche?

On peut facilement distinguer deux grandes familles de rubans LED multicouleurs télécommandés ou programmés:

ANALOGIQUE:
Il s'agit du ruban RGB classique.

Les boîtiers de 5 x 5 mm (LED 5050 ) contiennent 3 diodes (rouge, vert, bleu soit RGB en anglais) indépendantes avec chacune leur alimentation (+/- trois fois).

Il suffit donc d'alimenter la bonne piste pour allumer la diode rouge, verte ou bleue.

Le ruban consiste alors dans un conducteur 4 pistes (+, rouge, vert, bleu ou -, rouge,vert, bleu) et le contrôleur envoie la bonne tension (contrôlée en puissance) pour allumer la ou les diode(s) adéquate(s).

Mais cette tension de commande est commune à toutes les diodes du ruban, aussi toutes les diodes du ruban respectent la même consigne sur toute la longueur du ruban.

NUMERIQUE:
Dans ce cas, les diodes sont régulièrement affublées d'un circuit de commande (un par diode ou un pour trois diodes).
Ces circuits de commande (IC en anglais soit Integrated Circuit) sont individuellemnt adressés par un contrôleur et donc chaque LED ou groupe de LED est contrôlé séparemment.
D'où une gamme d'effets beaucoup plus riche...
Ceci peut-être réalisé par un contrôleur possédant ses propres séquences programmées ou même par une programmation sur PC mémorisée sur carte SD et insérée dans un contrôleur.
Ces rubans sont généralement appelés: arc-en-ciel, magic strip, dream strip, etc...
Il existe de nombreux circuits intégrés (IC) comme les modèles suivants:
LPD 6803, WS2801, P 9813, LPD 8806 fonctionnant en DATA, CLK ou TM 1803, UCS 1903, WS 2811, etc fonctionnant en DATA uniquement (voir ci-après).

Ces circuits sont des drivers (en général à trois sorties) adaptés aux diodes RGB (rouge, vert, bleu) et capables d'allumer ces diodes en 5 volts (une diode)  ou 12 volts (trois diodes à la fois).

Les premières versions nécessitent quatre conducteurs à savoir deux pour l'alimentation (+/-), un pour l'horloge (CLK soit CLOCK) et un pour les données (DATA).
Des versions plus avancées se passent de l'horloge, se synchronisent sur les données et ne nécessitent donc que trois conducteurs (bien qu'avoir un conducteur de plus pour l'horloge ne soit pas forcément toujours un inconvenient).

Il existe donc deux grandes familles de circuits à trois conducteurs (+/-/data) ou quatre conducteurs (+/-,clk,data).

Mais le plus intéressant consiste dans le mode d'adressage. Comment adresser individuellement chaque circuit (et la ou les LED correspondante)?


Et l'astuce est là:
Plutôt que de fixer une adresse à chaque circuit, ceux-ci sont adressés séquentiellement c'est à dire que sachant que ceux-ci se trouvent les uns à la suite des autres sur un ruban, les consignes sont simplement envoyées à la queue leu leu...(autre façon de dire séquentiellement :-)   mais précédées d'une séquence d'initialisation INIT (soit quelques bits signifiant : attention, on démarre).


Chaque circuit a la même instruction:

• Dés que je détecte la séquence d'initialisation INIT
• Je prends en compte la consigne d'éclairage R,G,B (codé sur 8 bits) arrivant aussitôt après.
• Je remplace ma consigne personnelle par une nouvelle séquence d'initialisation

Reprenons:


Si j'appelle R1,G1, B1 les consignes en niveau de couleur du premier circuit 1 et R2,G2,B2 etc pour le circuit2, etc...
Le contrôleur envoie donc :


INIT,R1,G1,B1,R2,G2,B2,R3,G3,B3... etc...


INIT étant la séquence d'intialisation commune à tous les circuits.
Pour le contrôleur, c'est simple...


Le circuit 1 détecte INT, prend en comtpe R1,G1,B1 pour ses LEDs et remplace  R1,G1,B1 par INIT avant de l'envoyer au circuit suivant qui verra donc


 INIT,INIT,R2,G2,B2,R3,G3,B3... etc...


Le circuit 2 prendra donc en compte R2,G2,B2... etc...






Est-ce clair ??
Dans la négative, envoyez moi un courriel, j'améliorerai l'explication !!!


C'est astucieux et économique. Pas d'adresse sur les circuits qui sont tous interchangeables et les séquences sont simples.
Par contre, il faut bien comprendre ce qui se passe si vous voulez réagencer plusieurs tronçons de ruban ensembles ou séparemment.

 Le paramétrage correct du contrôleur consiste donc à :

• Indiquer le type de circuit piloté
• indiquer le nombre de circuit pilotés (c'est à dire le nombre de séquences RGB envoyés)
• choisir l'animation

et surtout bien comprendre que la connexion au ruban est séquentielle c'est à dire qu'il y a une entrée des données (DI : DATA IN) et une sortie (DO: DATA OUT).






Prenons par exemple un contrôleur paramétrable et un ruban LED équipé d'un circuit de type WS2811 (datasheet sur cette page)
Attention : ces liens renvoient sur notre site de vente (âmes sensibles, s'abstenir...)




Si vous voulez réaliser une étoile à partir de tronçons découpés d'une bobine commune de 5 mètres.dont les LEDs s'allument en rouge à partir du centre et partent vers la périphérie.


Nous aurons donc un contrôleur unique qui réalisera une séquence sur n circuits : allumage successif en rouge de n circuits: il faudra donc bien des tronçons identiques de n circuits !
ces tronçons devront être tous reliés au contrôleurs par leur entrée DI (Data IN) au centre.
Et il suffit alors juste de choisir la bonne séquence sur le contrôleur !!


En ce qui concerne l'alimentation, celle-ci peut-être amenée par le contrôleur si l'on ne dépasse pas un total de 5 mètre de ruban.
Au-delà, il faudra alimenter les rubans séparemment tout en grandant une masse commune (GND) avec le contrôleur.

Rubans et bandeaux LED

Rubans LED 

Les rubans LEDs sont des bandeaux autocollants recouverts de LEDs lumineuses.


 

Ces diodes doivent être alimentées par un courant continu de quelques volts.
Elles sont alors agencées sur des tronçons de rubans par trois, six ou plus pour que le ruban soit alimenté en 12 volts , 24 volts ou plus (version 230 volts).


Ces tronçons sont dit sécables puisqu’ils peuvent être coupés à intervalles réguliers pour ajuster la longueur du bandeau en fonction du besoin.
Des tronçons coupés peuvent être recomposés à l’aide de différents accessoires :

• Connecteur droit en angle
• Câble de raccord
• Soudure

 

 Exemple d'un raccord en angle pour ruban RGB

On distingue deux grandes familles de rubans, monochrome (blanc, bleu, vert, rouge, jaune) ou multicouleurs (sélectionnée par télécommande) et chacune des familles se décline en différentes puissances lumineuses suivant le nombre de LED au mètre (exprimé en Watt/mètre).


La famille monochrome existe en deux largeurs suivant le modèle de LED utilisées :

• Ruban de 8 mm pour des LEDs de  type 3528
• Ruban de 10 mm pour des LEDs de type  5050/5060 ou 5630

 et la connexion nécessite deux contacts (+ et - de l'alimentation)

La famille multicouleur (Bande LED RGB) existe seulement en largeur 10mm vu le type de LEDs utilisées  (SMD 5050).
Dans ce cas, trois LED (rouge, verte et bleue) sont encapsulées dans un boitier de 5 x 5 mm. Les LEDs de même couleurs sont regroupées par trois sur un tronçon.

On retrouve sur cette image le même ruban avec les LEDs bleues, vertes et rouges  successivement allumées.
La différenciation est réalisée à l'aide des quatre pistes d'alimentations dont on retrouve les contacts (+12V, B pour Blue, R pour Red et G pour Green) en début et fin de tronçon.
L'allumage simultané et le dosage de puissance des trois LEDs permet d'obtenir toutes les couleurs.

Le contrôleur indispensable au fonctionnement de ce type de ruban est un boitier alimenté en 12 volts (dans notre exemple) qui envoie les tensions sur chacune des pistes en fonction des consignes de sa télécommande.

Ci-dessus un exemple de contrôleur à télécommande infrarouge.