Un feu rouge à LEDs marchant sur dynamo

Difficulté du système proposé

Le petit montage que je propose ne demande aucune compétence en électronique. Il faut simplement les talents d'un bricoleur moyen, savoir câbler un petit circuit électrique sans faire de court-circuit, posséder un fer à souder (60 à 200F, mais comment peut-on vivre sans?) et de la soudure fine pour électronique (60% d'étain, 5F les 30g), et bien sûr savoir faire des soudures simples. Le matériel nécessaire se trouve dans n'importe quelle boutique d'électronique. Deux adresses à Montpellier:
1) Le magasin "Toute l'électronique", anciennement près de la rue du Chemin Vert, installé depuis septembre 2004 en pleine zone, du côté des Près d'Arènes: 708 avenue du Marché Gare à Montpellier. Ce magasin était assez bien fourni, avec des tarifs intéressants (ils vendent aussi en gros), et l'accueil était bon. Je n'y suis jamais retourné depuis qu'il a déménagé dans la zone.

2) Le magasin "Électronique Diffusion", membre d'une chaîne de 10 magasins en France, est installé 29 rue Guillaume Janvier, au Mas Drevon à Montpellier (dans une impasse difficile à trouver). Sans doute légèrement plus cher, mais le choix y est impressionnant pour un détaillant de ce type.
Dans les deux cas, il est hélas difficile de trouver les composants récents: c'est l'évolution de l'électronique qui le veut, avec l'explosion du nombre de composants et l'apparition de composants inaccessibles aux amateurs (boîtiers BGA ou minuscules, processeurs 32 bits,...). Cela dit, pour ce feu rouge à diodes, vous trouverez votre bonheur dans ces deux magasins.

Préambule: êtes-vous concerné?

Ce n'est pas sûr, alors avant de vous lancer pensez à ce que vous recherchez vraiment. L'éclairage et la visibilité sont primordiaux à vélo, mais vous pourrez peut-être vous limiter à faire deux choses:
  • vérifier que vous êtes visibles: il faut obligatoirement avoir des cataphotes visibles à l'avant, à l'arrière, sur le côté (dans les roues), et éventuellement sur les pédales. Si ça ne vous convient pas, ou bien pour améliorer encore, pensez à coller du ruban adhésif réfléchissant sur votre vélo, en différents endroits. C'est très efficace et très économique. Vous pouvez aussi en coller sur vos sacoches ou sur le sac à dos, voire sur vos habits (ou bien utiliser un brassard réfléchissant, au bras ou bien au pied, où il sert aussi de protège-pantalon).
  • choisir un éclairage adapté. Soit amovible: prenez un feu rouge clignotant pour l'arrière, et une lampe si possible halogène et rechargeable pour l'avant. Le matériel de marque Zéfal est excellent, y compris pour la lampe avant. Pour l'arrière, la plupart des marques sont assez bonnes. Comptez dans les 200F pour l'ensemble, et n'oubliez ni d'emporter votre matériel, ni de le retirer quand vous acrochez votre vélo.
  • Ou alors achetez un kit complet sur dynamo (dynamo+phare+feu rouge), ça va de 80F à 130F (Go Sport, Décathlon, et les détaillants), mais il y a parfois des ruptures de stock. Ce qui est nouveau, c'est que ce matériel est souvent maintenant prévu pour être installé même sur un VTT, habituellement difficile à équiper. La qualité laisse souvent à désirer: malheureusement, si vous n'êtes pas bricoleur, vous risquez fort de vous retrouver sans lumière dans les 15 jours: fils qui s'oxydent, dynamo qui patine.
  • Si vous n'êtes pas bricoleur, si vous ne savez pas réparer un mauvais contact... n'hésitez pas, soit à demander à un ami plus bricoleur (c'est en général très simple à arranger), soit à aller voir votre détaillant favori: n'en ayez pas peur, il ne prendra souvent pas plus de 50F de main d'oeuvre, contrairement aux garagistes automobiles capables de facturer 500F un changement de bougies.

    • Ma suggestion est d'une portée limitée: vous possèdez ou allez installer un éclairage sur dynamo, et en avez marre de changer fréquemment l'ampoule du feu rouge. Dans ce cas, vous pouvez penser à le remplacer par un feu à LEDs, tout en sachant que l'idéal serait d'acheter un feu rouge "de luxe", avec éclairage à l'arrêt, mais qui est encore assez cher et difficile à trouver.

    Plusieurs systèmes d'éclairage

    Il y a différents systèmes: à piles, sur accus, ou sur dynamo. Je trouve que le système à piles est réservé à ces cas spéciaux, par exemple un VTT où c'est le plus facile à installer, ou bien un vélo qui est rarement utilisé de nuit, mais principalement en ballade. Ce n'est pas mon cas, et à part les feux rouges clignotants à LEDs, qui consomment assez peu, les systèmes à piles ne me conviennent pas. Ces feux clignotants ont un autre problèmes: on ne peut pas les laisser sur le vélo, ou bien ils se font voler.
        Les modèles sur accus ont leurs amateurs, mais ils sont trop pesants pour moi: devoir retirer l'engin, le rentrer à la maison, et recharger l'accu, c'est trop pour moi (*). Sans compter que les accus ont une durée de vie limitée, et qu'ils posent en général des problèmes sérieux d'environnement: en particulier les cadmium-nickel (Ni-Cd), qui sont les plus courants, les moins chers, et les plus faciles à utiliser. Ceux au lithium (Li-ion) sont moins dangereux mais sont coûteux et demandent une électronique tellement sophistiquée qu'en dehors des téléphones mobiles, camescopes, et ordinateurs portables, ils sont rarement employés. Et ceux au nickel-hydrure métallique (Ni-MH) sont à peu près inoffensifs, mais par ailleurs assez comparables aux Ni-Cd, simplement plus chers, moins encombrants, moins aptes à des pics de consommation (inexistant pour un vélo), mais aussi plus sujets à l'autodécharge: en un mois ils sont vides.
       Bref, je suis resté fidèle à la dynamo, toujours fixée sur le vélo, qui n'attire pas les voleurs, et qui est accompagnée de phares qui eux non plus ne se font pas voler.

    (*) Correction: maintenant que je fais 17km de vélo par jour, en grande partie sur une piste cyclable sûre mais non éclairée (la piste Montpellier-Carnon), je me suis résigné à acheter un système sur accu Ni-MH, avec 10W de lampes halogènes (marque VistaLite, c'est américain), et donc je retire la batterie pour la recharger à la maison et pour éviter qu'on me vole ce petit bijou. Ça me permet de voir la piste presque comme depuis une voiture, mais c'est très cher, et ça ne concerne pas les cyclistes qui restent en ville.

    L'éclairage sur dynamo

    Il existe plusieurs types de dynamos:
  • à friction sur le flanc du pneu: c'est le plus classique, c'est efficace si la roulette est métallique et le pneu non cranté. Si la roulette est en plastique, il faut lui mettre un capuchon en caoutchouc dessus (5F, en vente chez les détaillants), fixé par exemple par de la résine époxy (type Araldite).
  • à roulement sur la jante: il faut une dynamo munie d'une roulette lisse en caoutchouc, et possèder des jantes alu (comme sur les VTT et beaucoup de vélos récents). Je pense que ça marche, mais je n'ai pas testé. Á noter que sur un pneu non cranté, on peut la faire appuyer sur le flanc du pneu sans aucun problème.
  • à friction sur la bande de roulement: ce sont les dynamos sous pédalier, qui ont une bonne réputation mais sont chères et réservées à certains vélos seulement (disposant de la fixation adécuate et de pneus avec bande de roulement). Pas génial si vous roulez dans la boue.
  • dans le moyeu: alors là, c'est le grand luxe, car ça a une fiabilité absolue. C'est soit une roue spéciale (mais s'il faut la remplacer???), soit un ensemble rajouté sur la roue: il s'en vend un modèle à 600F, j'espère que ça marche pour ce prix. Certaines accrochent plus simplement dans les rayons près du moyeu de la roue avant, mais je n'en sais pas plus.

    • Par paresse, j'ai gardé une dynamo classique (sur le flanc), j'en suis assez satisfait en fait.

    Une dynamo habituelle fournit 3W sur une tension de 6V efficaces (alternatifs), répartis en 2.4W à l'avant et 0.6W à l'arrière (2.1 et 0.9 en Espagne). Voir plus loin les détails sur le fonctionnement interne des dynamos. À l'avant, la lampe 2.4W éclaire peu mais ça marche. On gagne beaucoup de puissance en remplaçant l'ampoule normale par une ampoule halogène. Attention: il vous faut un phare spécial, un écrêteur de tension éventuellement inclus dans le phare, et savoir que les ampoules halogènes sont plus chères (environ 20F).
        Mais à l'arrière, l'ampoule 0.6W grille tout le temps car son filament est très fin (c'est comme une ampoule 220V/20W: elle ne supporterait pas les vibrations d'un vélo). Au bout de quelques ampoules grillées en une semaine, on craque, et soit on ne la remplace plus, soit on y met une ampoule plus puissante (mais du coup même à l'avant, ça n'éclaire plus), soit on réfléchit.

    Mon idée (enfin, je n'en suis pas l'inventeur) est qu'au lieu d'un feu à LED sur pile, qui consomme peu mais brille peu, et un feu incandescent sur dynamo, qui consomme pas mal mais brille peu et ne dure pas longtemps, on pouvait faire un feu à LED sur dynamo, qui consomme pas mal (enfin, 0.6W) et brille beaucoup. Et en plus, c'est facile à faire.

    J'avais envie de faire un système sophistiqué, avec un accu qui se recharge en roulant et permet d'éclairer, même à l'avant, à l'arrêt. Mais c'est vraiment compliqué, surtout en partant de courant alternatif, donc je vais y penser plus avant de me lancer. Il semble qu'il existe des dynamos à courant continu, ça pourrait faciliter la mise au point du circuit. Et puis les accus, c'est cher.

    Le montage

    Schéma du feu rouge à LEDs sur dynamo.
     

    DESCRIPTION DU SCHÉMA

    Le courant étant alternatif, au cours de chaque alternance, seule la moitié des LEDs fonctionne. Mais, celles qui marchent protègent les autres: les LEDS n'aiment en effet pas les surtensions en polarisation inverse. Les résistances fixent la valeur du courant. Compter (6V - 2*2V)/50 ohm=40mA dans chaque branche. (6V c'est la dynamo, 2V c'est la chute de tension dans une LED rouge, en gros). C'est un calcul de cuisine, car en fait c'est 6V efficace, c'est-à-dire une sinusoïdale qui culmine à +/- 6V*racine(2), soit 8.4V. Ça fait donc 80mA en tout, contre 100mA pour une ampoule (6V 0.6W => 100mA). C'est un peu beaucoup pour les LEDs, prévues pour 20 ou 30 mA, mais dans la pratique ça supporte plus, et elles ont un rapport cyclique de 50% donc elles ne risquent pas de surchauffer.

    Les diodes zéners servent à protéger les LEDs dans le cas où l'ampoule avant grillerait. Même si le composant non identifié est vraiment une double diode zéner, ça reste utile dans le cas où le cable allant au phare avant se détache. Problème: pour protéger, on doit écrêter un peu la sinusoïdale, ou bien autoriser une certaine surtension dans le cas contraire, c'est un compromis à faire, impossible de faire mieux sur du courant alternatif avec un montage aussi simple. Il faut savoir que si le phare avant est débranché, la tension ne culminera pas à 6V aux vitesses élevées, mais pourra dépasser les 30V, et envoyer tout le courant (600mA) dans le phare arrière, qui mourra s'il n'est pas protégé correctement.

    À l'avant, c'est un ensemble commercial. Les ampoules halogènes ne supportent pas les surtensions, c'est sans doute la raison du composant bizarre. Les ampoules halogènes ont un culot spécial, il faut donc un phare adapté.

    RÉALISATION

    le plus simple est d'utiliser une plaque d'expérimentation (circuit imprimé pré-percé). Je conseille le modèle sur époxy (et non bakélite, qui fond quand on soude dessus), en bandes plutôt qu'en pastilles car ça réduit le nombre de soudures (cela dit, avec le temps, je préfère maintenant les pastilles: ça dépend de l'habitude qu'on a, de l'outillage,...). Il faut couper les bandes là où le contact ne doit pas exister. Ici, il n'y a pas besoin de mettre des fils supplémentaires ("straps"), donc c'est simple. Attention à la polarité: les LEDs ont une patte plus courte que l'autre et un méplat sur le chapeau. Les zéners ont un anneau sur la cathode comme toute brave diode. Attention à ne pas trop faire chauffer les LED et les zéners en soudant, c'est fragile ces bestioles.  Dans mon cas, l'ensemble rentre à l'intérieur du feu arrière classique. J'ai juste eu besoin de retirer l'ampoule et le réflecteur (inutile car les LEDs choisies sont déjà assez directives), j'ai fixé la plaquette dans le capuchon rouge au pistolet à colle, et j'ai calé l'ensemble avec un bout de chambre à air. Je conseille de souder le plus possible du circuit électrique: avec la pluie ça a tendance à s'oxyder, alors si c'est soudé c'est une sécurité contre les mauvais contacts si pénibles à réparer en pleine nuit.

    PRIX

  • LEDs: 3F pièce le modèle 1000mcd, 6F pièce pour 3000mcd (j'ai pris à 3F)
  • zéners: 1F pièce
  • résistances: 0.20F pièce
  • plaque d'expérimentation sur époxy: 35F pour 10x16cm (14F en bakélite 10x10).
  • Noter que pour l'avant, les LEDs sont possibles mais encore chères: les LEDs "blanches" à base de GaN, en fait bleues avec des matériaux phosphorescents noyés dans le plastique, sont extrêmement efficaces, mais coûtent encore 26F pièce (3000mcd à 20mA), donc pour remplacer le phare avant par 20 LEDs blanches, c'est encore dissuasif. Mais patience, ça baisse vite: il y a seulement 5 ans, ces composants n'existaient que dans un laboratoire de recherche japonais (Nichia Chemical Industries), mais aujourd'hui l'utilisation de ces composants dans les panneaux lumineux et les feux tricolores (pour le vert) permet de lancer la fabrication en très grande série.

    • La physique interne de la dynamo (pour spécialistes)

    Une dynamo (en termes techniques, un alternateur), est en gros une bobine soumise à un champ magnétique variable, ce qui produit une tension induite. Selon les modèles, c'est l'aimant ou bien la bobine qui tourne. C'est similaire à un moteur synchrone ou pas-à-pas: il n'y a pas de balais ou de charbons, contrairement à un moteur à courant continu, et c'est donc très simple. Au contraire, un courant à courant continu (à balais, donc), si on le fait tourner, génère une tension continue.

    Je reprends la réflexion d'un contributeur à fr.sci.electrotechnique: une dynamo à vide fournit une tension proportionnelle à la vitesse, et atteignant facilement 30V. Mais en charge, à partir de 10km/h, le courant ne déparre guère 500mA: c'est une source de courant. Vue la résistance des ampoules, celui donne une tension de 6V, et une puissance de 3W. Si on met des ampoules deux fois plus puissantes (donc de résistance plus faible), on obtiendra una tension de 3V, et une puissance de 1.5W: tout perdu, mais au moins on atteindra la tension limite deux fois plus vite!
        Le phènomène qui limite le courant est la self-inductance de la bobine de la dynamo: en gros, quand la dynamo fournit 500mA, ce courant produit un flux magnétique qui compense celui produit par l'aimant. Pour le spécialiste, si Phi(t) est le flux magnétique dans la bobine, L l'inductance de la bobine, R la résistance de charge, U la tension produite (en négligeant la résistance interne), et i le courant circulant, on a:

        U = -d.Phi/d.t + L d.i/d.t ,  avec i = U / R, donc

        U = -d.Phi/d.t + (L / R) d.U/d.t

    Je passe les détails, mais en gros, voici les résultats, en fonction de la fréquence (j'utilise la pulsation "oméga", sachant que oméga=2*pi*<nombre de tours par seconde>*<nombre de pôles de la dynamo, en général 4>). Donc:

  • à faible vitesse la tension est proportionnelle à la vitesse: U = Phi * oméga
  • à haute vitesse, la tension dépend de la résistance: U = R Phi / L, mais pas de la vitesse
  • la vitesse limite est oméga = R / L   (R en ohms, L en Henry), avec une tension égale à la tension limite / racine(2)

    • Concernant le courant:
  • à faible vitesse, il dépend de la vitesse et de la résistance: i = Phi * oméga / R
  • à haute vitesse, il est fixe: i = Phi / L, c'est ça l'effet source de courant.
  • à la vitesse limite, il vaut le courant limite divisé par racine de 2.

    • Remarque: à vitesse élevée, une dynamo pourrait donc fournir bien plus de 3W si la résistance de charge était plus élevée. L'idéal serait d'avoir une résistance de charge égale à  R = L*oméga, et on pourrait extraire une puissance proportionnelle à la vitesse. Ceci valide l'idée de faire un système qui éclaire tout en profitant de l'excès d'énergie pour recharger une batterie pour l'arrêt. Par contre, cette condition complique encore un peu plus l'électronique nécessaire. On pourrait imaginer un système de ce genre:

        Dynamo (6V ac) => redresseur sans pertes (synchrone à MOSFET) => (alim à découpage à commutation synchrone => 1 élément Ni-MH 1.24V ) => alim à découpage faible perte => ampoules 6V cc.
        Une option serait que lorsque la tension est suffisante, les ampoules soient alimentées par le circuit obtenu en ôtant la partie entre parenthèses, mais ceci n'a rien d'évident: on dispose de peu de place, de peu de puissance, et on doit utiliser des tensions très basses. Pour un fabricant, par contre, il serait facile d'intégrer une telle électronique pour l'avoir sous un volume minuscule et un prix très faible.

    Miguel JULlER, Montpellier, 21 septembre 2000. Dernière mise à jour le 21 octobre 2000 (merci Grolain au sujet des batteries).

    Nouveau (septembre 2004): le phare avant à diode blanche Luxeon 3W (nettement plus compliqué que le feu arrière).

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