Bonne nouvelle pour les cyclistes: les diodes blanches de 3W

Et voici le 2e montage, à base de tôle d'aluminium de 0.5 mm (en double épaisseur), et nettement plus solide:

Après avoir découvert la page http://www.pilom.com/BicycleElectronics/DynamoCircuits.htm, j'ai tout revu. Un séjour de 24h en cachot de garde à vue m'a donné le temps d'y réfléchir plus dans le détail (voir ma page d'accueil: au cachot pour un autocollant arraché).

Par rapport au site de "Pilom", mon montage se place ainsi:

• le rendement est moins bon que des montages pourtant plus simples
• mon montage utilise une seule diode puissante, contre 3 ou 4 diodes moins puissantes chez Pilom: ma solution simplifie donc le montage et réduit le coût des réflecteurs (et même des diodes).
• mon montage ressemble fortement au montage proposé chez Pilom à base de LM2675. Malheureusement ce composant est difficile à trouver et très cher. Je l'ai remplacé par un composant bien moins performant mais qu'on trouve partout et qui ne coûte presque rien: le MC34063 que j'aime beaucoup.
• le principe est le même: il s'agit d'un régulateur à découpage de type abaisseur, avec une régulation qui se fait sur le courant moyen d'entrée. Il s'agit d'un type de régulation qui n'est jamais utilisé, mais qui permet de se placer au point de fonctionnement optimal pour toute vitesse, celui où la puissance fournie par la dynamo est maximale.

Voici donc le schéma de cette 2e version:



Description:

• le 6V alternatif est redressé en demi-alternance, avec 2 diodes Schottky. Tension de déchet = 0.4 ou 0.5V (sur 6V), soit bien mieux qu'avec un redresseur complet à 4 diodes. Autre avantage: le doublement de tension fait que même en poussant le vélo à la main, ça commence à éclairer: pratique pour rentrer dans le garage!
  
• cette tension est stabilisée avec 2 gros condensateurs, faute de quoi on n'obtiendrait jamais 12V à partir de 6V alternatif.
• en fait, on ne se limite pas à 2×6V: les diodes zéner que D3 à D6 limitent la tension d'entrée à 2×15V. Plus on roule vite, plus ça brille (contrairement aux phares normaux qui culminent à partir de 10 ou 15 km/h).
  
• si on veut alimenter aussi un feu arrière, on se branche en série avec le montage, avec au moins 10 diodes en parallèle (sinon le courant risque d'être excessif). Utiliser obligatoirement des diodes identiques, sinon celle dont la tension est la plus faible va prendre tout le courant et griller aussi sec! Le fait que le courant circule par courtes impulsions ne pose en pratique pas de problème aux LED, ce qui compte principalement est qu'en moyenne, le courant dans chacune ne dépasse pas 20 mA.
• si on ne désire pas utiliser de feu arrière, on remplace ce système par un fil ("cavalier" sur le schéma)
• attention, le courant dans le feu arrière étant à fréquence élevée, il faut éviter d'avoir de trop longs fils, et surtout il faut torsader les 2 fils ensembles, sinon vous fabriquez un émetteur radio et non un phare de vélo.
• le circuit MC34063 est utilisé en mode abaisseur avec transistor NPN (intégré) en mode saturé
• la partie du bas sert à la contre-réaction en courant moyen d'entrée constant, on y distingue:
• R3: fixe la proportionnalité de la contre-réaction en courant d'entrée
• C5: permet d'avoir la valeur moyenne de ce courant (et améliore le rendement du convertisseur à découpage)
• R4-R5-D13-T1: source de courant d'environ 1mA
• D14: LED utilisée comme référence de tension du pauvre, sa tension est constante grâce à la source de courant de 1mA
• P1: sert à choisir la tension qui est rajoutée à la mesure de courant d'entrée, ceci avec 2 objectifs:
• choisir la valeur optimale de courant d'entrée (en fonction de la dynamo utilisée)
• réduire la tension utilisée dans la mesure de courant (pour améliorer le rendement) par rapport aux 1.25V normalement requis sur l'entrée "V feedback" du MC34063.
• quand le transistor (intégré dans le MC34063) est passant, le courant passe dans la LED Luxéon en passant par la bobine
• quand le transistor est bloqué, le courant continu à passer par la bobine et la LED Luxéon, mais se reboucle par les 2 grosses diodes Schottky D7-D8
• les 4 diodes zéner D9 à D12 ne servent à rien! Plus sérieusement, le jour où le câble qui relie le montage à la grosse LED Luxéon se casse, ça peut évite une surtension potentiellement destructrice. Je suis d'un naturel prudent, ainsi mes composants ne grillent jamais!
• la bobine L1 est faite maison. On peut en choisir une autre, pour autant qu'elle ait une inductance de 330µH ou plus (pas de limite supérieure), des pertes assez faibles entre 10 et 100 kHz, et qu'elle supporte un courant d'au moins 1A à la fois en courant RMS (correspondant à l'échauffement du fil) et en courant de saturation (correspondant à l'aimantation maximale du circuit magnétique). Le tore d'Électronique Diffusion me convient très bien, à défaut d'être très miniaturisé.

Important: après fabrication, il faut ajuster le potentiomètre P1 qui règle le courant d'entrée. Trop faible, le phare ne brille pas autant qu'il pourrait. Trop fort, la tension de la dynamo reste bloquée à une valeur faible (donc la dynamo fournit peu de puissance) et accessoirement le feu arrière risque de recevoir un courant trop élevé. Il est d'ailleurs prudent de commencer les règlages sans avoir connecté le feu arrière. Le plus facile pour règler est de brancher un ampèremètre (ou de mesurer la tension aux bornes de R3) et de règler P1 de façon à maximiser le courant de sortie. Mieux vaut avoir un règlage un peu trop faible qu'un peu trop élevé (trop élevé = risque de voir la tension de la dynamo ne pas monter correctement). Ce règlage doit se faire en utilisant la dynamo du vélo (roue en l'air, et pédales tournées à la main), et surtout pas avec une alimentation de laboratoire.

Attention: avec ce montage, on ne peut plus utiliser un feu arrière standard sur dynamo (qu'il s'agisse d'une ampoule classique ou du feu rouge à LED indiqué sur mon autre page). Il n'y a donc que 2 solutions: soit connecter des diodes comme indiqué sur le schéma pour faire le feu arrière, soit utiliser un feu arrière sur piles.

Réalisation pratique

J'ai renoncé depuis longtemps à graver des circuits imprimés: trop pénible. Donc le montage est fait sur une plaquette d'expérimentation à pastilles. Les alims à découpage exigent parfois des plans de masse, mais un montage rustique, surtout du type abaisseur comme ici, arrive à s'en passer sans problèmes. Pour autant, n'allongez pas inutilement la longueur des fils où passe le signal à 100kHz.

Voici l'envers du décors (photos correspondant à la version 1, mais la version 2 est assez ressemblante bien que son principe de fonctionnement soit nettement différent):


Et voici le circuit, placé dans un boîtier en plastique (format intérieur environ 9 x 5 x 2.5 cm), avec une étanchéité spécialement soignée pour la sortie des fils par le dessous:

Connexion de l'ensemble

Voici la solution que j'ai trouvée pour mon vélo: sachant qu'il y a déjà une dynamo, et un feu arrière (lui aussi à LEDs) installé sous le porte-bagage, le plus simple est de fixer le boîtier sous le porte-bagage, à un endroit où il ne va pas gêner, ce qui permet de connecter directement les entrées du boîtier sur les vis d'alimentation du feu arrière (sur l'une arrive le fil qui vient de la dynamo, tandis que l'autre est reliée au chassis car les dynamos ont toujours une cosse reliée au chassis).

Ensuite, les deux fils sortant du boîtier sont soudés à un double fil (genre câble pour le 220V) qui longe le câble pour aller jusqu'au phare. Attention:
1) il ne faut relier au chassis aucun des 2 fils qui sortent du boîtier
2) attention à ne pas intervertir les deux fils, la LED ne fonctionne que dans une seule polarité, elle peut même ne pas du tout aimer la polarité inverse.

L'allure finale: plutôt discret, mon boîtier suspendu au garde-boue avec du fil de fer, non? Pour le service après-vente, il suffit de dérouler 2 fils de fer pour libérer le boîtier, qu'on peut alors faire glisser sur le dessus du garde-boue.



Sur le 2e vélo, la dynamo est un moyeu Shimano de roue avant avec dynamo intégrée. Ceci modifie quelque peu le système:

• les fils sont plus longs entre la dynamo et le montage
• la dynamo est toujours en charge, il faut donc rajouter un interrupteur. J'ai mis un petit interrupteur à glissière (de récupération) sous le boîtier (dessous... pour éviter qu'il ne prenne l'eau quand il pleut)
• la fréquence fourni par le moyeu Shimano est beaucoup plus basse que sur une dynamo normale. Mieux vaut donc ne pas trop lésiner sur la valeur des condensateurs C1 et C2 (il n'y a pas de limite supérieure, à part l'encombrement). À petite vitesse (vélo poussé à la main), ça fait des éclats quasiment psychédéliques.
• faute de place sous le porte-bagage, j'ai fixé le boîtier entre le porte-bagage et la tige de selle, en fait sur la tige de fixation du porte-bagage. Avantage: en cas d'intervention (ce qui ne s'est encore jamais présenté, touchons du bois), il me suffira d'ôter le couvercle du boîtier pour accéder au montage.
  

Théorie

Chapitre à ne pas lire si vous n'aimez pas les maths...

Une dynamo, c'est un aimant qui bouge par rapport à une bobine. Plus ça tourne vite, plus ça fonctionne:

• la fréquence augmente (le nombre de passage des pôles de l'aimant devant la bobine)
• la tension à vide augmente, également en proportion de la vitesse.

Bien évidemment, ceci pose un problème: si on roule doucement ça ne brille pas, si on roule vite l'ampoule grille. Le problème a été résolu depuis longtemps, sans la moindre électronique (même si aujourd'hui certains fabricants de dynamos "de luxe", vendues en Suisse ou en Allemagne, proposent des dynamos avec régulateur électronique). La ruse: la bobine de la dynamo a une certaine inductance, comme n'importe quelle bobine.

Soit L l'inductance de la bobine de la dynamo, Ri la résistance du fil de la bobine, et RL la résistance de l'ampoule. Pour les calculs, au lieu de la fréquence F, on utilise la pulsation omega (omega = 2.pi.F; F en Hz, omega en radians/s). Tout bachelier sait que l'impédance de l'ensemble est:
    Z = Ri + RL + L.j.omega

Mais la tension à vide augmente avec la fréquence, disons que U0 = k.omega , dans ce cas le courant circulant est I=U0/Z:
    I = k.omega / (Ri + RL + L.j.omega)

Si on dessine I en fonction de omega, on constate qu'à petite vitesse, le courant est proportionnel à la vitesse (I = k.omega/(Ri+RL)), tandis qu'à vitesse élevée le courant est constant (I=k/L). Il y a une vitesse limite (correspondant à omega = (Ri+RL)/L), normalement prévue pour correspondre à un vélo roulant à 10km/h environ.

Résultat: dès qu'on roule vite, la dynamo se comporte comme une source de courant, et la lampe ne grille pas. Une dynamo 6V/3W est simplement une dynamo qui fournit 0.5A quand elle tourne vite. Si par malheur l'ampoule avant se débranche, l'ampoule arrière récupère les 0.5A alors qu'elle est prévue pour 0.1A, ce qui la fait griller instantanément.

Si l'on cherche à extraire la puissance la plus importante possible d'une dynamo, je vous passe les détails, mais on s'aperçoit qu'à part à vitesse très faible, il faut ajuster la résistance de charge pour avoir un courant constant.

Conclusion

- à vélo, il faut avoir un bon éclairage (pour la sécurité, c'est de loin plus utile que le casque). Quand on doit passer comme moi tous les jours par plusieurs kilomètres non éclairés en banlieue (sans voitures), c'est plus qu'une évidence, c'est vital pour éviter de tomber dans la rivière qui passe à côté du chemin.

- l'électronique, c'est intéressant à bricoler, et le résultat est autrement plus réjouissant qu'un bidule qui ne marche pas acheté dans un hypermarché. Mais attention, les alimentations à découpage sont une partie assez délicate de l'électronique.

- sur un vélo, la dynamo est la meilleure source d'énergie: bien plus puissante (et aussi moins chère et moins polluante) que les piles, moins pénible (et souvent moins lourde) que les accumulateurs à recharger quotidiennement, moins exposée aux vols que les systèmes amovibles...

- pour la plupart des utilisateurs, l'idéal est un phare halogène sur dynamo. Ne rigolez pas, si vous êtes en France, votre phare comporte surement une ampoule standard et non halogène, commencez par changer de phare! Pour les plus fanatiques, les montages de la page "Pilom" citée plus haut ont un rendement excellent et permettent la luminosité maximale. Mon montage est pour des gens modérément fanatiques, il a déjà une belle luminosité bien que non optimale, et fonctionne sur une unique LED de 3W.

- n'espérez aucune économie en fabriquant vous-mêmes votre phare: ce montage vous coûtera plus cher qu'un phare halogène du commerce. Il faudra des décennies pour l'amortir (avec le non remplacement des ampoules). Et ceci bien que ce montage soit nettement plus économique que ceux que propose Pilom sur son site web.

Michel J UL I ER, Montpellier, 25 septembre 2004 pour la version 1, 17 avril 2006 pour la version 2.

Lisez également la description du feu rouge à LEDs (beaucoup plus simple)

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