Electronique > Réalisations > Ampoule 230 V à LED
Dernière mise à jour : 24/03/2013Présentation
Les lignes qui suivent décrivent comment utiliser un ensemble de LED haute luminosité (10000 mcd ou plus) directement alimentées sur le secteur 230 V, et ce sans transformateur.
Pour plus de renseignements concernant les LED, merci de vous reporter à la page Théorie - LED. D'autres exemples d'alimentation d'une LED sont donnés à la page Alimentation d'une LED.
Avertissement - A lire impérativement !
A lire impérativement avant de continuer. Tout montage alimenté par le secteur présente des risques mortels, si un minimum de bon sens n'est pas respecté. Les montages décrits ici ne possèdent pas de transformateurs d'isolement, et présentent donc un danger supérieur. Si ce montage vous interresse mais que la technique employée pour l'alimentation des leds vous fait peur, merci d'utiliser un transformateur d'alimentation (tension de sortie adaptée au nombre et type de LED employées, courant de sortie 100 mA ou plus), associé à un pont de diode (constitué de 1N4007) et à un petit condensateur de filtrage (100 uF à 220 uF / 25 V ou 40 V).Schéma
Il existe plusieurs façons de brancher un groupe de LED sur le secteur 230 V, dont la plus sécurisée est sans aucun doute celle faisant appel à un transformateur. Mais il est possible aussi de se passer de transformateur lorsque le courant demandé n'est pas trop important. On utilise alors la capacitance d'un condensateur, qui correspond à la résistance qu'il oppose au passage du courant en fonction de la fréquence. Le schéma qui suit repose sur cette particularité. Il est possible d'utiliser un seul condensateur ou plusieurs (de valeurs plus faibles) montés en parallèle.
Pour plus de détails, merci de vous reporter à la page Alimentations secteur sans transformateur.
Regroupement des LED
Dans ce schéma, il est fait appel à 16 LED de même type (elles doivent de préférence provenir d'un même lot), mais il est possible d'en utiliser moins (par exemple 8 ou 12). J'ai choisi un regroupement de 4 x 4, car cela amène à une chute de tension qui n'est pas très élevée pour chaque branche. De plus, si une LED est défaillante, les autres groupes continuent de fonctionner normalement. Les résistances R1 à R4 de 10 ohms contribuent à équilibrer les courants dans chaque groupe de LED. Sans ces résistances - ou si on n'en mettait qu'une seule - le courant dépendrait plus des LED et certaines risqueraient de s'allumer plus que d'autres.Protection des LED
La diode zener D17 de 15 V permet de limiter à 0,6 V la valeur de la tension inverse appliquée aux LED lors des alternances négatives, et permet de limiter à 15 V la valeur de la tension directe appliquée aux LED lors des alternances positives. Cette diode zener est indispensable, je vous conseille un modèle 1,3 W de la série BZX85C. Vérifiez qu'elle n'est pas branchée à l'envers avant la première mise sous tension !Détermination du courant dans les LED
Nous ne pourrions cloturer le descriptif de ce montage sans parler du condensateur C1, que l'on peut considérer comme le coeur du montage. C'est ce dernier qui joue le rôle de "résistance de limitation de courant". Le condensateur présente en effet une caractéristique appelée "capacitance" ou "réactance capacitive" qui correspond à la résistance (impédance pour être plus précis) qu'il présente à une fréquence donnée et pour une valeur capacitive donnée. La valeur de la capacitance décroit au fur et à mesure que la fréquence du signal qui le traverse est elevée, et dépend aussi de la valeur même du condensateur. La formule qui permet de déterminer la capacitance d'un condensateur en fonction de sa valeur capacitive et de la fréquence, est la suivante :Xc = 1 / (wc)
où Xc est la capacitance en ohms,
w est la pulsation (lire oméga, égale à 2 * Pi * Freq, Freq en Hertz)
et C est la valeur du condensateur en Farad.
A la fréquence de 50 Hz, qui est celle du réseau EDF, le condensateur permet de laisser passer un courant de quelques mA par "paquet" de 100 nF :
Par exemple, à 50 Hz, et avec un condensateur de 470 nF :
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.00000047) = 6776 ohms => courant de court-circuit Imax (valeur efficace) = 230 / 6776 = 34 mA (47 mA en crête)
Autre exemple, à 50 Hz, et avec un condensateur de 1 uF (1000 nF) :
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.000001) = 3184 ohms => courant de court-circuit Imax (valeur efficace) = 230 / 3184 = 72 mA (101 mA en crête)
Considérant d'une part que les LED haute luminosité se contentent d'un courant de 10 mA à 20 mA, et d'autre part que nous avons ici 4 branches, il nous faut un courant total compris entre 40 mA et 80 mA. Nous pouvons fixer ici la valeur du courant total à 40 mA, pour deux raisons : la première raison est qu'un courant de 80 mA commence à faire pas mal pour un montage de ce type (mais ça reste possible), et la deuxième raison est que les LED que l'on trouve aujourd'hui peuvent être très lumineuses même avec un courant de 10 mA. Sans calcul compliqué, on en déduit qu'un condensateur de valeur comprise entre 560 nF (pour 40 mA efficaces) et 1 uF (72 mA efficaces) fera l'affaire. Le choix du condensateur doit se porter exclusivement sur un modèle auto-cicatrisant papier métallisé de classe X2, conçu pour un fonctionnement continu sur le réseau 230 V alternatif. Sa tension de service devra être de 250 Veff au minimum, ou de 630 Vdc au minimum.
Remarque importante
Si vous comptez déplacer cette lampe (emploi mobile), vous devrez ajouter une résistance de valeur comprise entre 330 KO et 1 Mohms en parallèle sur le condensateur C1, afin de le laisser se décharger quand l'ensemble est débranché, et d'éviter ainsi de désagréables secousses en cas de contact accidentel avec les deux bornes 230 V du montage. Le plus prudent consiste même à placer non pas une résistance mais deux résistances en série, afin d'éviter toute surcharge en tension qui fatigue doucement mais surement la résistance, dont la tension nominale (utilisable en régime continu) est généralement de 300 V (on est limite de ce côté). Donc deux résistances en série au lieu d'une seule, chacune de valeur comprise entre 180 kO et 470 kO, et le montage sera un peu plus "sécurisé".Améliorations possibles
Tel quel, le montage n'est pas ce qui se fait de mieux en la matière. Comme les LED ne conduisent et ne s'allument que durant une alternance sur deux (alternance positive), et qu'elles ne possèdent pas l'inertie thermique que l'on connait aux lampes à filament, on peut observer un leger scintillement. Ce scintillement peut être réduit en ajoutant un condensateur de quelques 100 uF à 470 uF (tension de service 25 V ou 40 V) en parallèle avec les LED. Il est également possible de monter les LED en tête-bêche, de sorte que certaines conduisent lors des alternances positives et que les autres conduisent lors des alternances négatives.Un schéma plus sympa...
Une autre solution encore, consiste à effectuer un redressement double alternance avec quatre diodes (montage en pont classique) comme le propose le montage amélioré qui suit. Avec ce montage, on n'observe quasiment plus de scintillement, puisque les LED sont cette fois alimentées lors de toutes les alternances.
Dans ce deuxième montage, le condensateur C1 joue toujours le rôle de "résistance à 50 Hz", grâce à sa capacitance. Une valeur de 1 uF convient pour alimenter quatre branches de LED dans lesquelles circule un courant de 10 mA (40 mA au total). Vous pouvez opter pour un courant légèrement inférieur de 5 mA par branche (20 mA au total) avec un condensateur de 470 nF, ou au contraire opter pour un courant supérieur en prenant par exemple un condensateur de 1,5 uF ou de 2,2 uF (ou mieux en plaçant deux condensateurs de 1 uF en parallèle). Avec des LED haute luminosité récentes et selon l'usage prévue de cette lampe (appoint ou éclairage), un courant compris entre 1 mA et 5 mA par branche peut même être suffisant. La structure du "condensateur abaisseur" est plutôt conseillé pour des courants faibles et au delà de 40 mA ou 50 mA je vous conseille vivement l'emploi d'un petit transformateur d'alimentation (on peut ici se contenter d'un transformateur d'alim de très petites dimensions et pas cher). Les deux résistances R7 et R7' composent à elles deux une unique résistance de forte valeur dont le seul rôle est de décharger le condensateur C1 quand le circuit est débranché du secteur, et d'éviter de désagréables secousses si l'utilisateur touche la prise secteur après l'avoir débranchée (décharge de C1 dans le corps humain). Les deux résistances R5 et R6 montées en parallèle servent à limiter le courant lors de la mise sous tension du montage, et contribuent à une plus grande fiabilité du montage (plus grande durée de vie) en diminuant les chocs électriques dans la diodes zener, dans le condensateur C2 et dans les LED (la mise sous tension ne se fait malheureusement pas toujours au moment du passage par zéro de l'onde secteur). Les quatres diodes D18 à D21 se chargent du redressement double alternance. Le condensateur C2 effectue un lissage de la tension redressée, sa valeur n'a pas une importance cruciale car on ne cherche pas ici à avoir une ondulation résiduelle extrêmement faible. Une valeur de 100 uF à 470 uF (25 V ou 40 V) convient très bien pour la consommation de 10 mA à 40 mA en jeu ici. Pour finir, la diode zener D17 assure une régulation grossière mais largement suffisante de la tension à la valeur de +15 V. Chaque branche de LED comporte une résistance qui joue le double rôle de limiter le courant dans les leds, et de répartir de façon uniforme le courant dans chaque branche. On pourrait penser que la limitation de courant est accessoire ici vu qu'elle est déjà assurée de façon naturelle par le condensateur C1. Mais si une LED se coupe dans une branche quelconque, les trois branches restantes se partagent le courant total, qui augmente donc dans les LED qui restent allumées. Ce n'est donc pas une protection inutile.
Comparaison avec les lampes à LED 230 V du commerce
Ces lampes que l'on trouve de plus en plus facilement et pour un prix qui diminue toujours ne s'encombrent pas toujours de résistance de limitation de courant. On y trouve le condensateur "limiteur de courant" de valeur comprise entre 220 nF et 470 nF, un pont de diode (de classiques 1N4007 par exemple), un condensateur chimique de filtrage de valeur comprise entre 47 uF et 220 uF et de tension de service assez élevée (entre 40 V et 100 V, voire plus), et bien sûr le groupement de LED dont le nombre est de l'ordre de la vingtaine (mais on peut grimper à quarante si on veut). Le schéma qui suit est un exemple typique de ce qu'on peut trouver dans une ampoule à LED du commerce de type "1 W".
Toutes les LED sont branchées en série et si une seule grille, la lampe s'éteint entièrement... A savoir si vous êtes bricoleur, car si vous avez le courage de localiser la LED défectueuse, vous pouvez la remplacer ou même simplement la court-circuiter pour faire repartir l'ensemble. Une remarque au sujet de la tension de service du condensateur C2 : la tension aux bornes de ce composant dépend du nombre de LED et de leur type. Si vous ne câblez que deux LED dont la tension nominale est de 2 V sus 20 mA, la tension au bornes de C2 sera de 4 V. Mais si vous ne branchez aucune LED (ou si une LED de la branche grille), la tension grimpe d'un coup à la valeur crête du secteur (moins la chute de tension dans le pont de diodes qui pour le coup devient vraiment négligeable). Le claquage d'une LED de la boucle peut donc s'accompagner du claquage à très court terme de C2. Il est amusant de constater qu'une simple diode zener de valeur correcte placée en parallèle sur C2 pourrait limiter le risque de le voir exploser dans un tel cas de figure. Dans son ensemble, ce circuit "commercial" est plus simple mais est aussi plus sensible aux cycles de coupure / allumage et aux surtensions secteur, et risque de se fatiguer plus vite. En clair, ne pas trop compter sur une durée de vie exceptionnelle telle celle annoncée par les fabricants et revendeurs...
Circuit imprimé
Réalisé en simple face, il correspond au deuxième schéma (avec diode zener et LED câblées en plusieures branches).
Typon aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
Remarques
- Les deux résistances R7 et R7' sont facultative, voir texte à ce sujet.
- Le circuit imprimé pourrait tout à fait être scindé en deux parties, entre diodes de redressement (D18 à D21) et résistances de limitation de courant dans les branches de LED (R1 à R4). L'ensemble serait ainsi plus haut mais moins large.
Prototypes
Plusieurs protos réalisés.Mon prototype
Réalisé selon circuit imprimé ci-avant.
Pas beaucoup de place libre pour le gros condensateur C1 de 1 uF / 250 Vac, qui chevauche un peu les deux résistances R5 et R6 ainsi que les quatre diodes de redressement. Le typon que je propose désormais (mis à jour le 17/07/2011) dispose d'un peu plus de plus de place pour ce condensateur. Les photos n'arrivent pas à rendre ce que ça donne d'un point de vue luminosité, mais je peux dire que ça éclaire plutôt bien, et encore j'ai mis des LED vertes (haute luminosité il est vrai) !
Prototype de Philippe
08/05/2011 : Philippe M. a réalisé le même proto que le mien (merci pour le retour). Ca fonctionne bien mais il trouve le taux de luminosité trop faible part rapport à ce qu'il attendait.
Première chose : choix des LED. Il existe des différences phénoménales de taux de luminosité selon le type de LED employé, et ce pour un même courant (de 10 mA ou 20 mA pour rester dans le contexte). Si vous utilisez des LED qui ne sont pas de type très haute luminosité, vous pouvez remédier en partie à ce manque, de différentes façons :
- soit en doublant la valeur du condensateur C1 (2 x 1 uF en parallèle ou 1 x 2,2 uF) pour disposer d'un courant de 20 mA dans chaque branche (80 mA au total);
- soit en réalisant le même montage en deux exemplaires mais avec deux branches de LED seulement pour chacun, et dans ce cas aussi on dispose de 20 mA dans chaque branche;
- soit en travaillant avec une tension continue plus importante, par exemple +27 V (diode zener 27 V ou 30 V et condensateur chimique polarisé de tension de service 40 V) et en tablant sur deux branches de 8 LED au lieu de 4 branches de 4 LED. Mais si une seule LED claque, on pert en gros la moitié de la luminosité totale et non plus uniquement le quart... Un choix parmi d'autres.
15/05/2011 : Philippe a persévéré et a ajouté un condensateur de 1 uF en parallèle du C1 existant. Bien meilleur éclairage avec cette modif. Mais tant qu'à faire, pourquoi ne pas ajouter quelques LED supplémentaires...
Profitons de cette pause pour spécifier que les LED employées par Philippe sont des modèles haute luminosité 24000 mcd de couleur blanche, tension nominale comprise entre 3,1 V et 3,5 V pour un courant nominal de 20 mA.
Prototype de Won L.
26/08/2012 : prototype mettant en exercice 112 LED, un pont de diodes et un condensateur. Rien d'autre, pas même une résistance de limitation de courant au démarrage. Je trouve ça un poil risqué mais c'est un choix.
Opération réussie, le propriétaire de ce joli élement envisage maintenant la réalisation d'une ampoule avec un doublement du nombre de LED...
Historique
24/03/2013- Ajout précisions montage "ampoule du commerce".
26/08/2012
- Ajout photos prototype de Won L..
11/03/2012
- Eclaircissement de mes calculs au paragraphe "Détermination du courant dans les LED", trop confus par rapport à ce que j'écrivais sur ma page Alimentation sans transformateur. Merci à JLC qui m'a fait part du doute que j'entretenais avec mes différentes explications.
23/10/2011
- Ajout résistances R7 et R7' en parallèle sur le condensateur C1 du schéma Ampoule LED 230 V (b). Ces résistances sont facultatives si le circuit reste toujours au même endroit et sont conseillées si le montage est mobile. Schéma et dessin du circuit imprimé mis à jour.
28/03/2007
- Le second schéma publié avant le 28/03/2007 comportait une erreur de câblage qui conduisait à un disfonctionnement certain. Il a fallu que deux personnes ayant réalisé ce montage me fasse part de leur mésaventure pour que je corrige le défaut (une des diodes du pont de redressement était court-circuitée). Je vous prie de m'excuser pour cette erreur.