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Ruban de LED (3528SMD; 60 LED/m) — Les rubans de LED sont vendus en rouleau ou au mètre. Le détail en vignette montre un module composé de 3 LED et d'une résistance. On voit clairement la marque de découpe de part et d'autre du module qui permet d'ajuster la longueur du ruban au besoin.
On trouve facilement sur internet et pour un prix raisonnable des rubans de LED. Il s'agit en réalité de circuits imprimés souples sur lesquels sont soudées des LED. Pour en faciliter l'installation, ils sont la plupart du temps autoadhésifs et peuvent être coupés à intervalles réguliers pour en ajuster la longueur au besoin. Cela faisait un moment que j'avais envie de jouer avec ce genre de produit. Et, finalement, j'ai décidé d'en commander un rouleau pour le tester. Voici le compte rendu de mes premières expérimentations.
Sommaire
Principe
Concrètement, un ruban de LED est constituée de modules comprenant chacun 3 LED et 1 résistance en série. Les différents modules du ruban sont assemblés en parallèle. Les fabricants font le choix de cet arrangement car il permet d'alimenter le réseau de LED à tension constante – et cela quelle qu'en soit la longueur. La plupart des modèles sont conçus pour une tension d'alimentation 12V qui conviendra aussi bien pour un seul module que pour le rouleau de 5 mètres, voire une plus grande longueur encore en reliant plusieurs rouleaux ensemble … à condition que l'alimentation soit assez puissante. C'est à dire en l’occurrence, capable de fournir le courant nécessaire tout en maintenant sa tension de sortie à 12V.
Structure d'un ruban de DEL — Un ruban de DEL se présente comme une succession en parallèle de modules composées chacun par 3 DEL et 1 résistance. Un ruban trop long peut être coupé sur une limite de module. Et il est possible de rallonger un ruban trop court en y rajoutant des modules. Cette conception offre une grande souplesse d'installation et permet d'utiliser le ruban à tension constante, quelle que soit sa longueur.
Le ruban que j'ai acheté était conçut pour fonctionner sous 12V. Mais il en existe des modèles « 24V ». Et peut-être d'autres encore. Dans mon cas, chaque module est composé d'une résistance de 150Ω et de 3 LED 3528-SMD blanches. Le code 3528 correspond au format des LED, à savoir 3,5mm×2,8mm. Vous trouverez aussi fréquemment des rubans utilisant des LED 5050 – donc plus grosses (5,0mm×5,0mm) et plus lumineuses – mais également plus chères.
Lors de l'achat, le choix est difficile car il existe de nombreux modèles différents – et il faut bien avouer que lorsque l'on recherche le meilleur prix, par exemple sur e-bay comme je l'ai fait, on ne sais pas toujours bien à quoi s'en tenir. Parmi les caractéristiques à rechercher, il y a bien évidemment la couleur du ruban: rouge, vert, bleu, jaune, blanc chaud, blanc froid, … Mais, le modèle de LED est aussi important. Souvent le choix se fait entre 3528 et 5050. Ces dernières étant plus grandes et plus lumineuses. Au chapitre des détails à prendre en compte, il ne faut pas non plus négliger la densité de LED. Certains rubans sont fournis en 30 LED/m, d'autres en 60 LED/m ou 120 LED/m. Ici encore, toutes choses égales par ailleurs, les derniers sont les plus lumineux. Enfin, si la plupart des rubans sont conçus pour fonctionner en 12V continu, il en existe aussi des modèles « 24V ». Bien entendu, chaque combinaison conduit à des caractéristiques électriques différentes.
RGB
On trouve également des ruban de LED RGB. Ce n'est pas l'objet de cet article, mais si vous optez pour ce choix, lors de l'achat, méfiez-vous et n'hésitez pas à dépenser quelques euros de plus chez un marchand qui présente correctement le produit vendu. En effet, certains rubans RGB sont en fait des rubans composés avec des LED rouges, des LED vertes et des LED bleues. Un vrai ruban RGB, c'est à dire composé des LED RGB coûtera plus cher, mais aura un rendu nettement plus esthétique…
Mesures
Après avoir passé un bon moment à comparer les prix et les modèles, je me suis finalement décidé pour un ruban de LED blanc froid (cool white) équipé avec des LED au format 3528, à raison de 60 LEDs/mètre. Il est livré pour une tension d'alimentation de 12V. Pour mes tests, j'ai en ai coupé un morceau composé de 18 modules. Soit 18×3 LED pour une longueur totale d'environ 90cm.
| Longueur | 5 | m (un rouleau) | 90 | cm | 5 | cm (1 module) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nombre de modules | 100 | 18 | 1 | |||
| Nombre de LED | 300 | 54 | 3 | |||
| Tension d'alim. | 12 | V | 12 | V | 12 | V |
| Courant requis | 1670 | mA (???) | 320 | mA | ≈18 | mA |
| Puissance | 20 | W | 3,6 | W | ≈216 | mW |
Consommation
Alimenté en 12V les LED brillent décemment – mais inutile d'espérer éclairer une pièce avec ce genre de produit. Tout au plus peut-il servir (c'est l'usage que j'en fait) pour éclairer une étagère. Ou comme éclairage architectural.
Mesures faites, la sections de 90cm (c'est la largeur de mon étagère) qui m'a servi de test nécessite que l'alimentation délivre 320mA. D'un module (3 LED + 1 résistance) à l'autre, il y a une légère variabilité du courant qui se situe autour de 18mA. En se basant sur une moyenne et en utilisant la valeur nominale de la résistance de 150 Ω, on peut en conclure que la tension aux bornes de celle-ci est autour de 2,7V – ce qui mesure faite se confirme. Cela mène à une tension moyenne 3,17V aux bornes de chaque LED – ce qui est conforme aux spécifications constructeur pour ce genre de LED, et ce qui se confirme également mesure faite puisque selon les diodes je trouve de 3.0V à 3.2V.
Tout ces chiffres s'entendent à froid: c'est à dire juste après la mise sous tension et pour une température ambiante autour de 25°C. Et c'est là un point essentiel: en effet, les caractéristiques d'une LED évoluent grandement avec sa température. En particulier, il faut savoir qu'une LED à un coefficient de température négatif: à courant constant, quand sa température augmente la tension à ses bornes diminue. Pour une LED blanche ce coefficient est entre -3,1mV/°K et -5,2mV/°K [1]. Autrement dit, si à froid pour une température ambiante de 25°C les 3528 ont une tension directe de 3,17V, quand leur température de jonction va s'élever à 85°C, elle ne sera plus que de 2,9V. Pas une grosse différence me direz-vous. Sauf que dans le même temps, la tension aux bornes de la résistance augmente (rappelez-vous: l'alimentation est à tension constante). Et en vertu de la loi d'Ohm, le courant alimentant les LED passe de 17mA à 22mA – soit une consommation qui augmente de 25%. Où tout ceci est vicieux, c'est que lorsque la température augmente, la puissance dissipée dans les LED augmente, ce qui fait encore augmenter leur température.
Bof me direz-vous: 25% de consommation en plus pour quelque-chose qui consomme moins de 4W ce n'est pas énorme. Je veux bien vous accorder que dans mon cas, pour un ruban de 90cm allumé en moyenne 3h/j cette surconsommation correspond à 1 kWh/an – soit 14 centimes/an sur la base du tarif heure pleine d'EDF. Ceci dit, les économies d'énergies ne sont pas la seule problématique à laquelle se heurte l'alimentation du ruban à tension constante. En effet, sur-alimenter en courant les LED a une autre conséquence, sur laquelle j'insisterai avec la série de mesure suivante.
Intensité et durée de vie d'une LED
| Tension d'alim. (V) | Courant à 25°C (mA) | Acceptable à | ||
|---|---|---|---|---|
| t=25°C | t=40°C | t=55°C | ||
| 6 | 0 | ✔ | ✔ | ✔ |
| 7 | 0 | ✔ | ✔ | ✔ |
| 8 | 0 | ✔ | ✔ | ✔ |
| 9 | 3 | ✔ | ✔ | ✔ |
| 10 | 8 | ✔ | ✔ | ✔ |
| 11 | 13 | ✔ | ✔ | ✔ |
| 12 | 18 | ✔ | ✔ | ✘ |
| 13 | 23 | ✔ | ✘ | ✘ |
| 14 | 28 | ✘ | ✘ | ✘ |
Pour poursuivre sur ces considérations techniques, je me suis amusé à mesurer le courant circulant dans chaque module en fonction de la tension d'alimentation. Les données sont résumées dans le tableau ci-contre. Comprenez bien que ce tableau se base sur l'intensité moyenne. Celle-ci peut être variable d'un module à l'autre. Ainsi, une valeur marquée comme inacceptable signifie que plus de la moitié des modules est en sur-intensité.
Ce qui est intéressant, c'est de remarquer qu'autour de la tension nominale de 12V, une variation de 0,2V (soit moins de 2%) de la tension d’alimentation entraine une variation de 1mA (soit plus de 5%) du courant alimentant les LED. J'ai fait toutes mes mesures avec une alimentation de laboratoire relativement stable. Mais si on prend les caractéristiques d'une alimentation « pour LED » à tension constante, celles-ci annoncent selon les modèles une régulation de tension entre ±1% et ±5%. Si l'on prend également en compte le coefficient de température des LED, on ajoute encore une incertitude de ±1% pour 10°C de variation de température. Tout ça pour dire quoi? Que puisque les LED qui équipent le ruban sont conçues pour un courant maximal autour de 25mA à 25°C ∼ 20mA à 40°C, il est facile de dépasser ces limites avec une « alim 12V ». Bien entendu cela n'entrainera pas la destruction immédiate des diodes ou une « panne » du ruban. Mais par contre, la durée de vie des LED va s'en trouver significativement diminuée. Par ailleurs, l'intensité de l'éclairage et sa température de couleur évoluent aussi fortement en fonction de l'intensité. Finalement, la qualité d'un éclairage LED et sa constance seront conditionnées par la stabilité du courant qui l'alimente.
Remarque:
Il est très difficile de trouver des chiffres précis quand à l'impact de la température sur la durée de vie des LED, surtout pour des produits comme les rubans de LED bon marché, assemblés avec des LED d'origine inconnue.
Juste pour référence, PLCC Series Reliability Document, publié par Edison Opto Corp. pour leur série de LED ET-3528, fournit quelques chiffres qui permettent de relativiser les arguments commerciaux moins sérieux que l'on trouve à profusion sur le Web.
Ainsi, Edision Opto annonce qu'il faut 64000h à 20mA avant que la luminosité de leur LED blanche ne tombe à 70% pour une température de jonction de 55°C. Par contre, ce chiffre descend à 38000h pour une température de jonction de 70°C et à seulement 20500h à 85°C. Soit une durée de vie diminuée de plus des 2/3. Ces données sont également intéressantes car elles montrent que la durée de vie des LED chute significativement dès les premiers degrés d'élévation de température.
Attention: ces données se basent sur la température de jonction (la température au cœur de la LED) qui en règle générale est nettement plus élevée que la température ambiante. C'est assez dur à estimer dans le cas de LED faible puissance et avec le peu d'information à disposition, mais pour se faire une idée on peut facilement partir sur la base d'une température de jonction 30 ou 40 degrés au dessus de la température ambiante. C'est cohérent avec une température ambiante de fonctionnement maximale de 75°C alors que la température de jonction maximale est généralement de 125°C.
Une solution pour maximiser la durée de vie du ruban de LED serait de le faire fonctionner à une température ambiante très basse (certaines sources suggèrent entre -5°C et 0°C [2]). En pratique, c'est assez irréaliste. Plus pragmatiquement, il faut abandonner l'alimentation à tension constante pour une alimentation à courant constant. C'est d'ailleurs le choix qui est fait pour toutes les autres formes d'éclairage à base de LED. Le seul problème dans le cas des rubans de LED, c'est qu'il faudra choisir (ou régler) l'alimentation en fonction de la longueur de ruban à alimenter. C'est beaucoup moins souple, mais c'est à ce prix que l'on peut espérer s'approcher de la durée de vie annoncée par le constructeur tout en minimisant les fluctuations de luminosité et de température de couleur.
Projections
Muni des différentes mesures effectuées et des informations résumées ci-dessus, j'ai modélisé l'évolution du courant dans les modules en fonction de la température ambiante. Et j'ai comparé ces données avec les maximums théoriques annoncés par le fabriquant Wayjun Technology Co. Ltd pour ses LED 3528-SMD cool white. C'est un des rares fabriquant chinois à fournir des données relativement détaillées sur ses produits. Et je suppose que les LED qui équipent les rubans bon marchés ont des caractéristiques assez proches. Les graphiques ci-dessous permettent de comparer les limites de température entre alimentation à tension continue et alimentation à courant continu. Comme vous le constaterez, si les résultats ne sont pas aussi éloignés que la théorie pouvait le laisser penser, des différences subsistent quand même…
Module 3 DEL 3528SMD cool white et 1 résistance alimenté à tension constante (12V) — Ce graphique reprend la zone de fonctionnement recommandée par le fabriquant pour des diodes 3528-SMD et y superpose l'évolution de l'intensité traversant un module lorsque le ruban est alimenté à la tension constante de 12V.
Ce graphique prend en compte le coefficient de température des DEL et de la résistance carbone, ainsi qu'une marge de ±2mA qui correspond à la variabilité que j'ai mesurée d'un module à l'autre.
Dans ces conditions, on observe que dès une température ambiante de 36°C certaines diodes du ruban sont déjà hors de leur zone de fonctionnement recommandée par le fabriquant.
Module 3 DEL 3528SMD cool white et 1 résistance alimenté à tension constante (12,6V) — À 12,6V – soit à seulement 5% au dessus de la tension d'alimentation nominale de 12V – on observe que la température maximale de fonctionnement recommandée n'est plus que de 27°C. Soit un écart de près de 10°C pour une variation d'à peine 5% de la tension d'alimentation.
Or, c'est une température qu'il est tout à fait envisageable d'atteindre au voisinage des DEL, surtout si la circulation d'air autour du ruban est limitée. Une application reste toujours possible dans ces conditions, mais alors il faudra accepter une diminution de la durée de vie du ruban.
Module 3 DEL 3528SMD cool white et 1 résistance alimenté à courant constant (18mA) — On alimente maintenant le ruban à courant constant pour une intensité moyenne par module de 18mA. Celle-ci correspond à l'intensité moyenne observée à 25°C lorsque le ruban était alimenté « sous 12V ». Dans ces conditions, la température maximale de fonctionnement est de 40°C.
Contrairement à ce que j'aurais pu croire, le gain ici est marginal, ce qui peut faire douter de l'intérêt de passer à courant constant…
Module 3 DEL 3528SMD cool white et 1 résistance alimenté à courant constant (19mA) — Le ruban est toujours alimenté à courant constant, mais cette fois-ci en considérant un courant moyen de 19mA par module – soit un tout petit peu plus de 5% d'augmentation par rapport au graphique précédent. On observe que la température maximale de fonctionnement recommandée atteint encore 37°C. Soit un changement de seulement 3°C pour 5% de variation du courant.
Ici, par contre, la différence avec l'alimentation à tension constante est flagrante. Concrètement, cela veut dire que si vous utilisez une alimentation extrêmement stable, le choix entre courant constant ou tension constante ne prête pas réellement à conséquence. Par contre, si votre alimentation n'est régulée qu'à 5% – ce qui est une valeur raisonnable pour une alimentation d'entrée de gamme – l'option courant continu sera à envisager d'autant plus sérieusement que la convection au voisinage du ruban de DEL sera faible.
Et la résistance?
Quand le ruban est alimenté à tension constante, c'est la résistance de 150Ω qui contraint l'intensité du courant dans chaque module. Or, une partie non négligeable de l’énergie consommée par le ruban est perdu par effet Joule dans cette résistance: un module de 3 LED alimentées en 12V sous 18mA consomme 216mW desquels plus de 48mW sont dispersés sous forme de chaleur par la résistance. Soit plus de 20% de l'énergie perdue.
Par contre, une fois le ruban alimenté à courant constant, le rôle des résistances se limite à niveler les différences de tension entre les différents modules. Par conséquent, une autre modification qui j'envisageais – malgré un travail important – était de remplacer les résistance de 150Ω pour réduire ces pertes.
Cependant, après calculs, la valeur de 150Ω n'est pas si mauvaise que ça: en effet, sur la base de LED avec une tension directe entre 3,0V et 3,2V, on a donc aux extrêmes des modules dans lesquels la chute de tension est de 9,0V et des modules avec une chute de 9,6V. Soit une différence de 0,6V. Avec une résistance de 150Ω, et par application directe de la loi d'Ohm, cette différence de 0,6V correspond à une différence de 4mA entre les pires et les meilleurs des modules. Passer à une résistance de 50Ω; pour réduire significativement les pertes par effet Joule reviendrait à un écart potentiel inacceptable de 12mA. À l'inverse, si l'on voulait maintenir cet écart sous 1mA, il faudrait une résistance de 600Ω – ce qui augmentait du même coup la consommation du ruban de près de 70%!
Bref, la résistance de 150Ω d'origine se révèle un plutôt bon compromis. D'autant plus que, en restant sur la base de 3h/j et en considérant le cas de mon ruban de 90 cm, les pertes par effet Joule dans ces résistances s'établissent 0,85kWh/an, ce qui correspond à la somme faramineuse de près de 12 centimes/an. Finalement, que ce soit techniquement ou financièrement, le jeu n'en vaut pas la chandelle – et j'ai laissé les résistances comme elles étaient.
Alimentation à courant constant
Après toutes ces considérations théoriques sur l'intérêt d’alimenter un ruban de LED à courant constant, il est temps maintenant de passer à la pratique. Mon choix pour la mise en œuvre c'est porté sur le circuit VLD24-300 fabriqué par Cui Inc. Celui-ci est conçu spécifiquement pour alimenter un éclairage LED à courant constant, et est capable de délivrer 300mA à sa sortie, ce qui correspond à ce dont j'ai besoin pour mon segment de 90cm. Par ailleurs, c'est un circuit dont le prix reste raisonnable (10€), qui est performant (le fabriquant annonce un rendement de 96%), et qui permet de moduler l'éclairage (modulation analogique et/ou PWM ) – bien que je n'ai pas utilisé cette possibilité ici. Par contre, il n'est pas très tolérant aux erreurs de câblage. Faites en particulier attention aux polarités et souvenez-vous que si vous l'utilisez, la broche remote (PWM) n'accepte que des tension entre 0V et 6V alors que la broche d'alimentation (Vin) accepte une tension entre 6,5V et 36V.
Je dispose par ailleurs d'une alimentation industrielle 24V/30W continu qui me servira d'alimentation principale pour le système. C'est largement surdimensionné pour moins d'un mètre de ruban de LED, mais elle a pour avantage de me permettre d'y connecter plusieurs installations d'éclairage. Ce qui est plus efficace que de multiplier les « alims ». Ceci dit, une source de courant continu comme le VLD24 permet aussi d'envisager d’alimenter le système avec une source mal stabilisée ou variable (batterie). Tout en maximisant la durée de vie des LED et en garantissant la stabilité de l'intensité de l'éclairage et de la température de couleur de celui-ci.
Mise en œuvre du VLD24-300 pour alimenter un ruban de LED — Le circuit VLD24-300 de Cui est conçu pour alimenter des LED à courant constant. Ce modèle délivre 300mA, ce qui correspond, pour mon ruban de LED composé de 18 modules, à 16~17mA par module. En jouant sur le nombre de module on peut faire varier l'intensité moyenne que chacun reçoit. Il existe également d'autres modèle de VLD24 capables de fournir un courant de plus grande intensité.
Comme vous le voyez-ci dessus, le montage est trivial et la réalisation quasi-instantanée. À tel point qu'on a rapidement envie de perfectionner les choses. Ici, cela pourrait passer par le raccordement d'un interrupteur entre la broche remote (PWM) et la masse. Interrupteur ouvert, l'éclairage s'allume. Interrupteur fermé, il s'éteint. Une autre option serait de faire piloter le circuit par un micro-contrôleur. Les possibilités sont vastes – mais si vous vous lancez, souvenez-vous de ne jamais dépasser 6V sur cette broche! Vous vous doutez que si j'insiste, c'est que j'en a fait les frais…
VLD24 obsolète?
Alors que je mets la dernière main à cet article, j'apprends que Cui abandonnerait la fabrication des VLD24 au profit de la génération suivante VLD25. Par contre, ces derniers ne semblent exister qu'en composant de surface (SMD). Si le package et le brochage sont différents, les fonctionnalités restent globalement identiques.
Au cas où vous préféreriez des composants à montage en trou traversant, en remplacement il faudra sans doute se diriger vers des produits d'autres fabricants. Personnellement j'apprécie beaucoup les BuckPlus™ de LED Dynamics Inc. Les anciens 7021-D-E ou les nouveaux 3021-D-E offrent sensiblement les mêmes fonctionnalités que les VLD24/VLD25 mais malheureusement à un prix plus élevé (autour de 14€).
