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, et nettement plus solide:

Explications en bref:

• le 6V alternatif est redressé en demi-alternance, avec 2 diodes Schottky. Tension de déchet = 0.4 ou 0.5V, contre 1.4V dans le schéma précédent, soit presque 3 fois moins de pertes (mais ne rêvons pas, la suite du montage va rajouter d'autres pertes). 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
• les petits condensateurs secs, C3-C4-C5, servent à éviter de soumettre les gros chimiques aux hautes fréquences de l'alimentation à découpage, ils ne sont pas très efficaces pour cela.
• les diodes zéner DZ1 à DZ4 ont pour mission d'empêcher la tension de monter dans les condensateurs dans le cas où le phare ne consomme pas assez: indispensables pour être certains que C1 et C2 ne subissent pas une tension supérieure à leur tension nominale.
• on trouve un circuit standard de l'industrie MC34063, petit et pas cher, qui permet de réaliser facilement un régulateur à découpage, en l'occurence un abaisseur pour passer de 12V à environ 3V. Problème: en général on cherche à réguler la tension, or moi je cherche à réguler le courant de sortie, ce qui modifie pas mal le schéma.
• la sortie, avec D3 et L1, est vaguement classique, sauf qu'elle n'est pas référencée à la tension d'alimentation négative: ceci permet d'utiliser le transistor de commutation en mode saturé, ce qui réduit (de 2 à 3 fois) les pertes par rapport au montage suiveur Darlington conseillé dans la datasheet. On remarque l'absence de contre-réaction: je ne régule pas la tension de sortie. La diode zéner DZ5 (en fait, dans mon cas, 4 diodes de 1.3W en parallèle), a pour mission très importante d'éviter les surtensions qui pourraient détériorer les composants dans le cas où le phare n'est pas connecté (mauvais contact,...). Concernant L1, lire plus bas.
  
• la résistance R4, utilisée par le limiteur de courant incorporé au MC34063, limite le courant maxi d'entrée. Vu l'architecture du montage, le courant maxi d'entrée est très proche du courant moyen de sortie, ce qui est juste ce que je cherche à réguler. La tolérance sur le seuil du MC34063 pour "peak sense" (normalement Vcc-350mV) est assez élevée, raison pour laquelle il est utile d'ajuster la valeur de R4, en remplaçant la LED Luxeon par un ampèremètre et quelques diodes en série (pour avoir 3V de tension de chute) et en alimentant le montage par une alimentation stabilisée. Éviter de brancher la LED dès les premières manips, si la sortie arrive par mégarde à 2.5A, il y aurait de quoi la griller immédiatement.
  
• le condensateur C6 fixe la fréquence de fonctionnement, en l'occurence environ 100kHz. La petite LED D4 a un but précis: quand le courant d'entrée du MC34063 dépasse la valeur fixée, celui-ci charge le condensateur C_T beaucoup plus vite pour lui faire atteindre sa valeur maximale en très peu de temps et couper rapidement le courant. L'inconvénient est que du coup, il faut nettement plus de temps pour que le condensateur se décharge, ce qui réduit le rapport cyclique. La LED évite au condensateur de se charger à plus de 2V environ, c'est peu orthodoxe mais efficace.
  

Avec tout cela, le montage fonctionne parfaitement sur une alimentation stabilisée, mais pas sur une dynamo. C'est un problème classique sur les alims à découpage: quand la tension d'entrée est faible, le montage consomme plus de courant (afin d'en tirer une puissance constante). Du coup, si la source d'énergie ne peut pas fournir beaucoup de courant (c'est justement le cas de la dynamo), le système reste bloqué dans une situation idiote: le circuit consomme beaucoup à cause de la tension d'alimentation qui est basse parce que le circuit consomme trop...

La tension aux bornes de la résistance R4 de mesure de courant est alors amplifiée (approximativement) grâce à T1,T2,R1,R2,R3, et le condensateur C6 permet de calculer une tension correspondant au courant moyen (et non au courant de pic). Si ce courant moyen dépasse une certaine valeur, la tension aux bornes du comparateur du MC34063 dépasse 1.25V et le circuit se coupe, laissant le temps à la tension d'entrée de monter. Le courant limite s'ajuste en tournant le potentiomètre ajustable R1: on peut essayer avec une alimentation stabilisée, mais le test final se fait sur le vélo avec la dynamo et la LED Luxeon. Trop bas, le phare éclaire inutilement peu. Trop haut, la tension ne monte pas et le feu arrière n'éclaire pas ou pas beaucoup.

Problème de la bobine L1: il faut une bobine de 330µH (ou plus), capable de supporter 1A sans saturation de la ferrite, et pouvant travailler à 100kHz. Si on ne trouve pas une bobine toute faite, il faut la faire soi-même sur un tore de ferrite. Or ceux-ci ne sont pas toujours faciles à trouver, et leurs caractéristiques sont très rarement communiquées clairement. Ce qui fait que j'ai dû mesurer moi-même les caractéristiques de mon tore. On pourrait écrire des pages là-dessus, c'est relativement compliqué.

Voici mon choix (qui fonctionne, mais c'est un peu surdimensionné): le tore de 28mm de diamètre du catalogue Electronique Diffusion (magasin de Montpellier), avec 24 spires de fils bobinées dessus. Notez que l'inductance augmente comme le carré du nombre de spires.

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:


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.

Conclusion

Je ne pense pas que beaucoup de gens suivront mon exemple à la lettre, mais j'espère faire passer quelques idées:

- 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, 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.

- 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...

Et maintenant, à vos inventions! Chacun peut adapter en fonction de ses compétences, des composants qu'il a pu trouver (surveiller la baisse des prix des LED puissantes), et de la somme qu'il accepte de dépenser.

Michel J UL I ER, Montpellier, 25 septembre 2004.