Economiser les piles d'une guirlande électrique.

3 guirlandes différentes.

Pour avoir une idée ce qui pourrait être fait pour améliorer la durée de vie des piles, il faut comprendre à quoi nous avons à faire.

Premièrement, le schéma. Il est important, car les actions possibles dépendent de sa structure. Toutes les guirlandes qui m'intéressent dans ce projet ont le même schéma de base.

Schéma d'une guirlande.

LED soudée directement sur les fils (vue de face et vue arrière).

Zoom sur les soudures (pas très propres).

La tension des piles n'étant pas régulée, le courant global est dépendant de l'état des piles. Il sera bien sûr plus élevé avec des piles neuves qu'avec des piles usées. Mais dans quelle mesure le courant global varie-t-il ?

Pour le savoir, j'ai fait quelques relevés sur 3 guirlandes différentes.

Courbes courant/tension des 3 guirlandes (détail à droite).

Les courbes indiquent un courant nul en dessous de 2.5V. Il n'en est rien. Les mesures ont été faites avec la mesure intégrée à mon alimentation de laboratoire qui a une résolution de 1mA. Il est donc impossible de connaitre le courant en dessous de 2,5V avec cette méthode de mesure. Mais cela n'apporterait rien, la luminosité étant très faible en dessous de 1mA.

Avec des piles neuves, j'ai constaté que les guirlandes éclairent beaucoup trop fort, ce qui est confirmé par le fort courant consommé. J'ai également constaté que la bonne luminosité ne nécessite que quelques milliampères.

A partir de ces constatations et des courbes précédentes, on peut en conclure que 2 points d'action sont possibles :

1. Limiter la tension appliquée à la guirlande pour limiter le courant la traversant.
2. Faire fonctionner la guirlande avec une tension de piles la plus basse possible pour extraire plus d'énergie des piles.

La luminosité d'une LED dépend directement de son courant. Donc, la luminosité d'une guirlande dépend du courant traversant chaque LED de la guirlande.

Le courant de fonctionnement idéal n'est pas fixe. Il dépend de la guirlande, de l'environnement lumineux et des envies de l'utilisateur. Après essais, pour la guirlande A, le courant se situe entre 12mA et 24mA. Pour la guirlande B, c'est plus entre 7mA et 12mA. Et pour la guirlande C, entre 14mA et 27mA. Ce sont des estimations bien sûr, mais ce qu'il faut retenir, c'est que le courant doit pouvoir être ajusté.

Idéalement, il faudrait piloter les LEDs avec un générateur de courant. Mais ce n'est pas possible ici. Les guirlandes étant des produits très simples et pas chers, toutes les LEDs sont soudées en parallèle et une simple résistance fait office de limitation de courant global. Nous devons donc créer un générateur de tension, pas un générateur de courant.

Pour les courants qui nous intéressent, la tension correspondante est de l'ordre de 2,8V (voir courbes courant/tension). Lorsque les piles sont neuves, leur tension est de l'ordre de 4.8V. C'est bien au-dessus de la valeur déterminée. Comme vu précédemment au point 2, il serait intéressant de pouvoir faire fonctionner la guirlande avec une tension de piles la plus basse possible.

Il nous faut donc un régulateur de tension de type Buck-Boost qui sera capable de délivrer une tension fixe avec une tension d'entrée inférieure, égale ou supérieure à sa tension de sortie. Ce régulateur doit pouvoir fournir quelques dizaines de milliampères en sortie. Il doit également être très petit, l'espace étant restreint. La tension des 3 piles ne dépasse pas 5V, paramètre important lors du choix du régulateur.

Pour le régulateur, j'ai choisi le STBB1 de ST Microelectronics. Ce composant accepte une tension d'entrée de 2V à 5,5V. Il supporte donc 3 piles 1,5V neuves (environ 3 x 1,6V = 4,8V) et permet d'extraire un maximum d'énergie des piles (jusqu'à 0,66V par pile).

Schéma de l'électronique.

Il est possible de câbler le circuit de 2 façons différentes.

• L'interrupteur se trouvant sur le boitier de piles commute l'alimentation du régulateur. Dans ce cas, la résistance R1 (100k) doit être câblée mais pas R2, ni C3.
• L'interrupteur se trouvant sur le boitier de piles commute le enable du régulateur qui est sous tension en permanence. Dans ce cas, la résistance R1 n'est pas câblée. R2 et C3 forment un filtre qui supprime les glitchs du signal Enable. En effet, les interrupteurs montés sur les boitiers des guirlandes sont bas de gamme et ont souvent des faux contacts faisant "grésiller" les guirlandes. Note : Le fait que le régulateur soit sous tension en permanence n'est pas un problème étant donné que celui-ci consomme très peu d'énergie en shutdown (<1µA).

Le circuit imprimé a une forme adaptée au boitier de piles des guirlandes.

Vue 3D du PCB.

Un boitier de piles avant et après modification.

Pour le réglage de la tension de sortie, le potentiomètre que j'ai choisi n'est pas isolé (boitier métallique). Le curseur de réglage étant directement relié à la pin feeback du régulateur, il est important de se servir un tourne-vis isolé. J'ai utilisé celui qui sert à régler la compensation des sondes de mon oscilloscope.

Le système fonctionne bien mais, à ma surprise, lorsque les piles sont usées, la guirlande se met à clignoter à très basse fréquence. Je m'attendais à ce qu'elle se mette à "grésiller" mais, en fait, elle clignote à une fréquence qui dépend de la tension de sortie, de l'usure des piles, du type de piles, de la température...

Dans l'exemple ci-dessous, la guirlande s'allume pendant quelques centaines de millisecondes avec une période de plusieurs secondes.

Manifestation du clignotement avec des piles usées.
En jaune, la tension de piles. En magenta, la tension de sortie du régulateur.

Lorsque l'on regarde plus en détail ce qui se passe, on voit que le régulateur décroche en dessous d'une certaine tension de piles. Le régulateur ne consommant plus d'énergie, la tension de piles remonte doucement. Le régulateur fait des tentatives avortées de redémarrage jusqu'à ce que la tension de piles soit suffisamment élevée pour qu'il redémarre. Le régulateur consommant à nouveau de l'énergie, la tension de piles redescend jusqu'à ce que le régulateur décroche à nouveau. Et le cycle recommence…

Détails du cycle.

En conclusion, cette électronique apporte 2 améliorations.

• Une luminosité de la guirlande constante et réglable.
• Une prolongation de la durée de vie des piles.

Le second point est difficilement quantifiable. Il dépend de la guirlande, des piles mais surtout de la luminosité choisie par l'utilisateur.

Luminosité avec des piles neuves (à gauche) et avec des piles usées (à droite).

Luminosité avec l'électronique de régulation installée et réglée.