LED Économe en COURANLEDMOIN1T

1 Les raisons du montage
2 Le principe
3 Le schéma de base
4 Les calculs
5 Le courant des LED
6 Reprendre l'énergie
7 Conclusions

Si vous arrivez directement sur cette page par un moteur de recherche, vous pouvez avoir accès à la table des matières et à chaque article, en page d'accueil.    L'accès se fait par l'un des deux liens en tête de colonne de droite ----->


Préambule

Qu'on le veuille ou non, même avec des modèles "faible consommation", les milli Ampères des LED s'ajoutent et finissent par atteindre des valeurs non négligeables. Certes en 5 V d'alimentation, ce n'est pas la mer à boire, mais le problème devient beaucoup plus déterminant pour l'autonomie lorsque l'appareil est alimenté sur piles ou sur batteries et que les tensions sont plus élevées.
Ce problème a une grande acuité pour les appareils de mesure ayant de nombreux points de contrôles visuels de bon fonctionnement par LED.

L'heure étant aux économies en tous genres, cela incite à la réflexion. Pourtant, pour un appareil alimenté à une distance de quelques dizaines de mètres, il est important de connaître son état de fonctionnement, et principalement de savoir s'il est alimenté ou non. (L'informatique associée ne peut pas tout faire de façon simple).

Dans ces appareils non raccordés directement au secteur, il est habituel de couper l'essentiel de l'énergie depuis le centre nerveux, par une commande. Dans ces conditions comment savoir "de visu" s'il n'y a pas de problème de liaison au moins pour l'alimentation ?

C'est l'objet de ce petit article qui n'a rien de très technique ni très compliqué, un tout petit peu astucieux et qui fait "presque seulement" appel à la loi d'ohm et au bon sens. Je n'ai jamais vu cependant ce genre d'application précise, et on préfère le plus souvent gaspiller 5 à 20 mA (fois N) pour savoir ce qui se passe…

1 Les raisons du montage

Il s'agissait d'alimenter des sondes de mesure de température consommant 5 à 6 mA situées à une distance de 10 à 15 mètres, depuis une base de mesures ayant l'énergie sur batteries NiMH type R6. (Datalogger)
Lorsque l'on n'a pas de moyens d'analyse à proximité d'une sonde, il est important de pouvoir surveiller à la mise en place, puis en cours de fonctionnement, si au moins l'alimentation est présente par instants et si elle se coupe de même.
Non seulement cela renseignera sur l'alimentation, mais aussi sur le bon balayage de cette sonde par le programme de la base de mesures.

(Pour l'explication, une sonde type LM35 délivrant 10mV/°C sous une impédance "moyenne" à quelque distance est sujette à perturbations, et il est normal d'amplifier préalablement et de délivrer cette tension sous faible impédance. C'est pourquoi ce genre de sonde comporte souvent une petite électronique qui doit être alimentée, et donc la raison de ce petit article…)

C'est donc particulièrement utile ! MAIS il est exclu de mettre une LED allumée tout le temps ? D'autant que dans certaines campagnes de mesures, il peut y avoir bouclage permanent sur une ou plusieurs sondes ou au contraire scan seulement toutes les heures.
Ces sondes de mesures, lorsqu'elle sont sous tension, consomment environ 5 mA en 6.5v avec une alim générale d'à peine moins de 9 Volts.
On peut conclure qu'une LED consomme au moins autant que le montage lui-même…Le rendement si l'on peut parler ainsi, ne serait donc "pas très glorieux" !

Oui, il est possible de faire encore plus simple et mettre un poussoir sur la sonde, pour savoir si elle est sollicitée normalement et de n'allumer une LED qu'à ce moment. C'est aussi une bonne solution !
Mais je ne l'ai pas utilisée car elle demande une intervention manuelle avec un appui qui doit se prolonger jusqu'à ce que la tension soit présente…. (La paresse et les crampes du bout du doigt sans doute relativement à des durées de scan de quelques secondes à plusieurs heures ?)

Pour ceux qui doutent du principe d'économie d'énergie regardez donc comment il se fait que les piles des petits thermomètres à quelques Euros avec écran LCD et Thermistance INT et EXT, durent si longtemps…

2 Le principe

Le principe repose seulement sur le courant de charge ou de décharge d'un condensateur, courant  qui traverse des LED. Ce courant sera intense mais bref, mais n'existera qu'une seule fois à la MST et à la MHT.

Ce principe est particulièrement simple puisqu'il ne consomme de l'énergie qu'au moment de la mise sous tension. La mise hors tension utilise l'énergie stockée, et cela durant un très court instant. Cette énergie ne se mesure plus réellement en mA consommés, mais plus particulièrement en JOULES ou en Watt heures (W=UIt et 1 Wh=3600 J). Si le terme Intensité est important et que le temps est très court, l'énergie pourra être équivalente à une sollicitation normale en courant durant un temps plus long.

Le but est de pouvoir repérer visuellement la mise sous tension (MST) et la coupure d'alimentation (MHT). Créer une petite logique (même faiblement consommatrice type CMOS) pour réaliser cette opération n'est pas souhaitable (surtout pour des questions de volume), et de toutes façons il faudra bien stocker un peu d'énergie pour indiquer la coupure (Une fois que l'alimentation est coupée, il n'y a plus d'énergie disponible, alors il faut "faire des provisions").
Il faut aussi admettre que plus on monte en technicité plus on introduit de risques alors pourquoi faire compliqué quand on peut faire très simple ?

On admettra les deux postulats suivants :
- L'alim générale de la base de mesure est suffisamment "solide" pour fournir un pic de courant de 40 à 100 mA durant un temps inférieur à la seconde (Le condensateur de filtrage devrait normalement y pourvoir facilement.
- La consommation du montage alimenté (sonde analogique) décroît de façon à peu près linéaire avec la diminution de la tension.
On va simplement utiliser un condensateur qui servira dans les deux cas de MST et MHT.

3 Le schéma de baLEDMOIN0se

La LED D1 indique la mise sous tension (MST). L'énergie fournie à D1 est obtenue par le courant de l'alimentation de la base de mesures qui charge le condensateur C sous forme d'un pic de courant limité par la résistance R1. (Voir schéma avec flèche verte ci dessous).

La LED D2 indique la mise hors tension (MHT), et l'énergie fournie à D2 est obtenue par le courant de décharge du condensateur C à travers l'électronique de la sonde de mesure, et au travers de son alimentation régulée plus particulièremenLEDMOIN2t.
D2 brillera seulement le temps que la tension Vin sera supérieure à la tension Vout (aux tensions de déchet près), mais le condensateur Cx fait office de force contre électromotrice (en opposition)...!

On constate de plus que l'énergie utilisée pour allumeLEDMOIN3r à la MST est stockée dans le condensateur C puis restituée (presque) intégralement à la MHT en prolongeant également quelque peu (très peu en réalité et parfaitement inutile à cet instant !) l'alimentation de la sonde de mesure. (C'est juste pour dire que le rendement va bientôt être supérieur à 1….!!!)

Attention cependant dans le cas où l'on "véhiculera" une alim déjà régulée (Vin), la chute de tension due au pic de courant pourrait perturber le montage lors de la MST, mais on peut raisonnablement espérer sur la chance d'un bon condensateur d'entrée du montage, et de plus lors de la MST d'un montage, il y a toujours un temps d'établissement et durant ce temps aucune mesure sérieuse n'est faite tant que les tensions ne sont pas parfaitement stables et les équilibres thermiques au moins un peu stabilisés.
Avec une alim régulée, il ne sera pas possible d'avoir Vin>Vout, donc difficilement possible d'avoir l'indication de coupure. (Il faudrait pour cela que le condensateur C soit très supérieur au condensateur Cx, ce qui est rarement le cas.

4 Les calculs

D1 est une LED Verte. La résistance R1 est à calculer pour (Vin-2.1/0.06 mA) soit  ~180 Ohms. En effet le condensateur C se comporte à l'instant initial comme un court-circuit, et le courant est seulement limité par R1.

Dans la phase de coupure de l'alimentation, le condensateur C va se décharger à travers D2, R2 ET à travers la régulation de tension de la SONDE .
Il serait possible de conclure que le montage consommant seulement quelques milliampères, qui vont alors décroître avec la coupure, il ne serait pas nécessaire de monter une résistance R2. Cependant, pour les réglages de luminosité et pour rendre le montage plus généraliste, il est préférable de prévoir une petite valeur de limitation au cas où ! (La paresse m'aurait fortement poussé à faire cette économie, mais je me suis ravisé -à tort car j'ai finalement shunté cette résistance-!)
La charge du condensateur C ne pose aucun problème particulier, par contre la décharge est beaucoup plus complexe puisqu'il y a une décroissance générale des courants (montage électronique, régulateur et condensateur Cx juste après la régulation. Le courant va donc être beaucoup plus faible car le condensateur Cx limitera de fait le courant possible dans la diode D2 et la résistance R2.

On remarquera que la couleur des LED n'est pas le fruit du hasard, car les LED vertes ont une tension directe plus élevée que les rouges. (La LED D2 est rouge car elle a besoin de plus de "peps", en d'autres termes sa tension directe est plus faible que celle d'une verte et tout ce qui contribue à un courant plus élevé est le bienvenu).

5 Le courant des LED

Naturellement les constructeurs donnent des COURANTS PERMANENTS de 6 à 100 mA suivant les différentes familles et modèles de LED.

Cependant il est tout à fait normal de dépasser les courants nominaux permanents en mode de fonctionnement impulsionnel, dans la mesure où il y a un temps de repos correspondant à un courant moyen "étalé" dans le temps.
En d'autres termes, il est possible d'envoyer 50 ou 100 mA durant 200 ms  et de "se reposer" durant 4 secondes.
Calculons la puissance pour voir...100 mA durant 200 mS avec 2.1 V de tension...soit 2.1V*0.1A/0.2s=1.05 WATTS, ce qui n'est pas négligeable....Cette énergie est elle réelle ? Oui, mais une partie a été transformée en énergie lumineuse. Combien ? "Voyez ailleurs" car je ne peux répondre de façon certaine, et je préfère me taire plutôt que de dire un bêtise, mais la puissance (énergie ramenée à la seconde) est tout de même conséquente. (Attention car ces 1.05 W sont pour une seconde)

Cela se comprend facilement par un échauffement INTERNE très localisé. Seul le temps de repos permet d'évacuer ces micro calories en excès.
Il y a cependant des "limites de temps" "dans le temps de passage" du courant intense. (En effet il ne serait pas possible de fournir 100 mA permanent à une LED "20 mA" durant une heure et qu'elle se repose ensuite 4 heures)

Sur ce point, seules les notices des fabricants permettent d'évaluer les possibilités réelles et garantissent la longévité des LED.

Regardons tout de même les quelques chiffres avec des petites batteries R6 pour 8.75 V de tension. Batteries de 2500mAH. W=2500 mAH*1H*8.75V=21.875 WH ou 78750 Joules. Dans l'exemple ci-dessus 1.05 W (durant 1 seconde) soit 1.05*0.2s/3600=0.007 WH ou 25 Joules  soit environ 1/3150 de la capacité de la batterie. (Ceci représente le ratio de puissance, sachant qu'une grande partie de l'énergie est dissipée en chaleur dans la résistance de limitation en non dans la LED (rapport 4) qui elle-même ne délivre qu'une petite partie en énergie lumineuse !)

A titre pratique, et pour ce type d'application, je pense qu'il ne faut pas faire durer l'impulsion "ON" plus de 1/3 de seconde pour le double au triple (voire quadruple) du courant permanent autorisé. (Il y a un ratio entre la masse très faible de l'élément et les calories "accumulées") et naturellement avec un temps de repos conséquent de 10 fois le temps "ON".

Pour les calculs qui vous sont spécifiques, prenez comme constante de temps Téta1=R1*C1. En un temps de 5*Téta1, un  système RC est considéré comme stable avec 95% de la charge perdue ou acquise, soit ici :
47µF*180 Ohms*5=42.3 mS
Ce temps très court est parfaitement visible avec une intensité suffisante. (La tension utilisée ici est de 8.75 Volts soit un courant maxi de 8.75V-2V(LED)/180=6.75/180=37.5 mA environ.

Pour l'autre diode D2, on ne maîtrise pas vraiment la décharge qui dépend de la consommation de la logique de la sonde (électronique du montage), du condensateur d'entrée Cx. Dans ce cas, le condensateur d'entrée Cx perturbe largement. Plus Cx est important relativement à C, moins la LED rouge va s'illuminer, car la sortie du régulateur va se maintenir à une valeur élevée, et donc la décharge du condensateur C ne se fera que jusqu'à la tension Vout. A ce stade il n'y aura pas de pic de courant, et le courant sera seulement représenté par la consommation du montage électronique (la consommation propre du régulateur est le plus souvent très faible de 1 à 2 milli ampères et s'ajoute au courant traversant D2)
Pour faire suite à ces considérations, une fois que la tension différentielle mini a été atteinte, le courant du régulateur chute de façon vertigineuse.

On peut dans ce contexte dire simplement que la LED rouge ne s'allumera pas fortement, même avec une résistance nulle, car le condensateur de "filtrage" Cx après régulation réduit la dynamique de ce système en réalimentant l'électronique sans l'aide du régulateur.
En cas de courant d'utilisation beaucoup plus important, il faudrait dériver une partie du courant au travers d'une diode normale et d'une résistance ad'hoc, le tout en // sur R2.D2.
En cas de consommation plus faible, il pourrait être difficile de faire fonctionner la LED rouge.

Si vraiment deux LED prennent trop de place, la seule mise sous tension pourrait suffire, puisque "après la pluie vient le soleil"…(Si il y a MST c'est qu'il y a eu MHT !!!) Il faudra penser dans ce cas à décharger C par un résistance en // sur C telle que la constante de temps soit plusieurs fois supérieure à la charge ou que la décharge dure au maximum environ 1 seconde, mais que le courant soit tel que la chute de tension aux bornes de la LED soit très faible pour éviter son allumage. (Position de cette résistance sur le schéma ci-dessous)

6 Reprendre l'énergie

Je reviens sur la LED rouge, témoins de la mise horsLEDMOIN4 tension du montage…On a vu que le système LED rouge est délicat de mise en œuvre, car le fonctionnement dépend de ce qu'il y a après le régulateur de tension et/ou de la consommation du montage, mais surtout de la tension différentielle aux bornes du régulateur.

L'idée est donc de s'affranchir du condensateur de découplage (Cx) situés après régulation, et même de l'utiliser comme réservoir d'énergie. Que faire  ? Reprendre l'énergie de ce condensateur pour recharger C lorsque la tension d'entrée aura suffisamment baissé pour tomber au niveau de la tension régulée (moins les chutes de tensions d'une diode). 
L'idée était séduisante est une diode en //sur le régulateur aurait permis de recharger le condensateur C par Cx…Trop beau pour être vrai ! On ne remonte pas les potentiels et on ne sait plus vraiment ce que fait et consomme le régulateur dans des conditions si anormales. Essais à l'appui, je confirme qu'il n'y a aucune énergie récupérée (lumière LED identique).
De toutes façons, le courant de la LED rouge ne peux plus se reboucler par le régulateur dont l'entrée est, aux chutes de tension près inférieure à la sortie...!

Encore une possibilité...Peux-t-on supprimer l'équivalent de C et ne garder que Cx en mettant une diode et résistance en série (avec Cx) ? Naturellement NON, car la fonction de Cx ne serait plus assurée correctement (impossibilité de décharge de Cx dans le montage ce qui est principalement sont rôle...)

Et après régulation avec un condensateur C (en plus) ? OUI c'est possible seulement pour l'allumage à la MST, car la MHT sera totalement obérée par l'absence de différence de potentiel pour créer le courant dans la deuxième LED. Dans ce cas, la résistance "R3" ne sera pas nécessaire, car ce sera le montage électronique qui fera office de décharge de C.

7 Conclusions

Un petit montage très simple, qui va rendre le service dans une application faible énergie et qui ne manquera pas d'être utilisé dans un prochain montage… (Même avec une seule LED de MST c'est déjà très bien). Pour les commandes de tensions des sondes en balayage, il sera mis un seul condensateur mais toujours une résistance en // sur C pour assurer la décharge et permettre la recharge de C la prochaine fois (décharge durant le temps d'absence tension).

On peut également remarquer qu'une LED bicolore 2 pins (2 diodes tête bêche) pourrait être utilisée, mais que la résistance de charge fera également la décharge, alors ça n'ira pas pour tous les montages…!

Après avoir analysé le fonctionnement de D2, on s'aperçoit que finalement la décharge de C par D2 et l'ensemble de la consommation de la sonde n'est pas réellement très simple et que je préfère laisser le calcul théorique du courant maxi et de la durée d'éclairement aux grands spécialistes....

Ces calculs relèvent des consommations intrinsèques des composants actifs en régime de décroissance de tension, difficilement calculables au commun des mortels, mais aussi des consommations des composants passifs de mise en œuvre, plus abordables aux calculs par un non spécialiste des composants.
En réalité seul le "Quiescent current" du régulateur est connu par une courbe, et il faut superposer le courant du montage alimenté, auquel il ne faudra pas oublier de joindre le courant du condensateur Cx en phase de décharge….

Mais cela ne va pas nous dire si la LED rouge va briller fort…?
Et bien SI ! Elle brille un court instant dans ces conditions précises !

Il faut naturellement adapter ce principe à l'électronique de chaque montage spécifique et mesurer les courants consommés, et il n'y a pas une seule solution, mais une infinité de valeurs suivant les montages et les éclairements souhaités. Cela n'est seulement qu'un principe simple que je n'ai pas rencontré ailleurs dans ce type d'application.

Si vous adoptez seulement une diode D1 (MST) et que D2 ne vous intéresse pas, n'oubliez pas la résistance R3, sinon la LED ne s'allumera qu'une seule fois (par jour...) !

Encore une petite précision à apporter... Attention à la coupure d'énergie qui doit réellement "insérer une résistance de grande valeur dans un circuit". A cette fin, certaines alimentations sont capable de délivrer une tension nulle et de maintenir une résistance interne faible...! A méditer...

Ce montage pourrait s'appliquer aux appareils déportés et à toute électronique embarquée, mais aussi pour les modélistes "bateau", car en aviation allumer une LED est un surpoids un peu plus conséquent (condensateur et surtout batteries à peine plus conséquentes !)

Enfin pour clore cette petite pause café, il est bon de signaler que cela intéresse seulement des LED qui restent allumées au moins quelques secondes, car dans le cas contraire, ou d'une fréquence de commutation élevée, le système ne permet pas un éclairement suffisant.
Cela n'empêche pas de le prévoir et de court-circuiter le condensateur pour retrouver un fonctionnement "normal".

Allez Marcel amène les bougies rouges et vertes, ce sera plus simple va …!

____ ( retour début d'article ) ____

____ ( retour accueil bricolsec) ____
____ ( retour accueil lokistagnepas) ____