Un éclairage économique pour plante domestique

Magazine
Marque
Hackable
Numéro
32
Mois de parution
janvier 2020
Domaines


Résumé

Avec l'hiver s'en vont la chaleur et la lumière, ce qui ne plaît pas aux plantes exotiques, qui n'ont jamais demandé un tel traitement. Évidemment, la technologie a des solutions et celle que nous étudierons ici repose sur quelques fonds de tiroirs et un module à LED très spécial.


Body

Je sais ce que vous allez tous penser, mais la réalité est plus complexe et nuancée... Il est vrai que les recherches sur les cultures intensives et hydroponiques ont développé des techniques et des matériels qui ont été rapidement réappropriés par les amateurs. Certains d'entre eux ne sont pas intéressés par les salades et les carottes, ils veulent plutôt faire pousser rapidement et discrètement des plantes à vocation récréative, dont la vente et la possession ne sont pas autorisées partout...

1. Des LED roses

Cependant, le matériel en lui-même n'a rien d'illégal et des magasins fleurissent sur Internet et dans les rues, proposant du matériel prêt-à-l'emploi, laissant le client responsable de l'usage final. Je ne sais pas si beaucoup de personnes sont dupes, mais c'est un tout autre débat.

En tout cas, l'Empire du Milieu ne s'est pas posé la question et a tout de suite senti le filon. Sa puissance industrielle a rapidement produit en volume tout un tas de composants nécessaires aux horticulteurs en herbe. Et c'est ainsi qu'on trouve aujourd'hui des modules de LED à des prix étonnants, aux dénominations sibyllines et aux caractéristiques étranges.

Je m'en suis aperçu en 2017 lorsque je cherchais des LED à très haute puissance pour un projet de flash photographique [1]. En effet, les LED blanches sont habituellement vendues avec une version appelée « blanc chaud » (un peu jaunâtre ou parfois même orange, avec une température de couleur inférieure à 3500 K) ou « blanc froid » (un peu bleuâtre, supérieur à 4500 K [a]). Ni l'une ni l'autre ne conviennent pour un rendu acceptable des photographies numériques (la balance des blancs est toujours un casse-tête) et je me suis mis à la recherche de LED à spectre plus étalé, avec un meilleur rendu des couleurs (en anglais, CRI ou « Color Rendering Index » [2]). J'étais donc curieux et intéressé par des modules qualifiés de « Full Spectrum » par un vendeur asiatique en ligne. De plus, la puissance est au rendez-vous : 100 W sur un petit module carré contenant 10 chaînes de 10 LED 1 W en série. C'est très prometteur...

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Fig. 1 : Les 4 modules de LED 100 W à la réception. La balance des blancs a été perturbée par la couleur du fond et des modules...

Forcément, j'ai tout de suite passé commande de quatre modules pour mon projet et vous pouvez imaginer ma stupéfaction lors du premier essai, à la réception des modules de la figure 1. Au lieu d'une belle lumière blanche naturelle, c'est une lumière rose-violet-mauve un peu moche qui a surgi. Évidemment, mon projet de flash a capoté et j'ai cherché d'autres solutions. Quant aux modules rosâtres, ils ont fini dans un tiroir et j'ai retenu ma leçon (pour cette fois).

2. Anatomie d'une LED rose

Mais pourquoi et comment fait-on des LED à la lumière aussi moche ? Simplement parce que la plupart des plantes l'aiment beaucoup. C'est une histoire de chlorophylle, ou plutôt de chlorophylles (au pluriel). Je ne vais pas paraphraser les pages de Wikipedia (comme d'habitude, la version française [3] diffère substantiellement de la version anglaise [4] donc lisez les deux !), mais c'est un sujet absolument fascinant que je vous invite à explorer, aux confins de la chimie, de la biologie et de la mécanique quantique.

Pour résumer, la chlorophylle est une famille de molécules qui captent et transforment l'énergie lumineuse pour participer au métabolisme des végétaux. Les plantes terrestres utilisent généralement deux versions : chlorophylle a et chlorophylle b, dont les spectres d'absorption sont légèrement décalés, mais n'exploitent quasiment pas la lumière verte (fig.2). Cette dernière est généralement réfléchie ou diffusée par les feuilles, qui apparaissent donc à nos yeux de couleur verte (fig.3).

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Fig. 2 : Les chlorophylles absorbent surtout le bleu et le rouge, d’autres pigments comme les carotènes absorbent d’autres zones du spectre visible.

À l'automne, les forêts nous offrent un spectacle en Technicolor, à mesure que les différentes chlorophylles périssent : les forêts d'érables du Canada (par exemple) revêtent des couleurs flamboyantes, alors que les différentes chlorophylles et autres pigments accessoires (comme les carotènes) se dégradent l'un après l'autre. Ainsi, les feuilles passent lentement du vert au jaune et enfin au rouge...

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Fig. 3 : La majorité des végétaux terrestres ont des feuilles vertes, car elles absorbent (surtout) la lumière bleue et rouge (Source : https://en.wikipedia.org/wiki/File:Why_are_plants_green.svg).

Les fabricants ont donc d’abord commercialisé des modules comprenant à la fois des LED rouges et bleues pour favoriser la croissance des plantes. Cependant, le spectre d'émission d'une LED est très étroit et les chlorophylles d'une feuille ont plusieurs pics d'absorption (comme le montre la figure 2), donc les systèmes à plusieurs LED monochromatiques n'ont pas vraiment un rendement optimal.

Pour élargir le spectre d'émission tout en réduisant le nombre de types de composants (donc, augmenter le rapport efficacité/coût ainsi que la rentabilité évidemment), une nouvelle génération de LED a repris le principe des LED blanches : prenez une LED bleue et recouvrez-la d'un revêtement spécial (souvent appelé luminophore) qui absorbe une partie de la lumière bleue et la réémet en jaune. La synthèse additive de ces couleurs est perçue comme du blanc et le fabricant contrôle la température de couleur en dosant la concentration et le type de luminophore.

La production de LED blanches battant déjà son plein (vous avez certainement déjà vu ces nouveaux types de projecteurs utilisant des LED au lieu d’ampoules halogènes), il suffit simplement de changer le type de luminophore pour que la lumière bleue soit réémise en rouge (au lieu du jaune) et le tour est joué. Du rouge plus du bleu, cela donne bien du violet. Les revêtements étalent le spectre lumineux, qui recouvre plus ou moins celui de l'absorption des chlorophylles, et la nouvelle révolution de l'horticulture peut commencer.

3. Mise en pratique

La théorie est bien sympathique, jusqu'au moment où il faut l'appliquer. J'ai justement reçu en cadeau un petit baobab de compagnie, qui est né dans une serre à Dakar, mais qui va dorénavant devoir supporter le climat peu amical de Paris. La pauvre plante a voyagé dans une valise, perdu ses feuilles plusieurs fois et survécu on ne sait comment durant un hiver, avant de reprendre des forces durant l'été. Avec l'arrivée de l'automne et sa lumière blafarde, il fallait faire quelque chose pour sa survie, sans pour autant casser ni ma tirelire ni ma tête.

Rien de plus normal alors que de sortir un des modules de LED « roses » de son tiroir. Mais ce n'est qu'une partie de l'équation, car comme pour tout système d'éclairage à LED, il faut étudier trois autres aspects absolument indissociables : le design thermique, le design optique et le design électrique.

3.1 Design thermique

Commençons par parler de chaleur. Les LED, quoi qu'on en dise, détestent la chaleur. Cela réduit leur durée de vie, diminue leur rendement lumineux, et augmente le coût et la complexité à cause des systèmes de refroidissement.

Je ne suis pas Galilée, mais Et pourtant, elles chauffent ! On dit souvent que « les LED ne chauffent pas », mais si vous fournissez 100 W à un module de LED, attendez-vous à ce que cela génère « beaucoup de chaleur » qui tuera le module presque instantanément, à moins qu'un énorme dissipateur évacue toute cette chaleur. C'est simple : malgré le rendement photonique croissant des LED, considérez toujours comme règle de base que toute la puissance électrique injectée sera convertie en chaleur par la LED, comme une simple résistance. Cette première approximation est valable, car le nombre de photons émis ne représente qu'une fraction des électrons utilisés, et les LED les plus efficaces sont les plus chères...

Plus vous arriverez à garder les LED froides, plus elles seront fiables. Dans mon cas, il n'y a pas grand-chose à éclairer : quelques feuilles au plus, et je veux juste aider la croissance. Un système dimensionné pour 100 W équivaudrait à un cuiseur de baobab, ce qui n'est pas du tout le but recherché et gonflerait la facture d'électricité inutilement.

Cela ne veut pas dire qu'il faut jeter ces modules surdimensionnés, au contraire : plus ils sont puissants, mieux c'est ! La stratégie consiste justement à les sous-alimenter, et ainsi :

  • Réduire la chaleur générée, donc la température des LED, au point même de pouvoir se passer de dissipateur et réduire la complexité, le coût, le poids... Chacune des 100 LED ne va encaisser qu'une petite fraction de la puissance et donc éviter un phénomène de "point chaud" thermique.
  • Améliorer le rendement : la chaleur réduit l'efficacité d'émission par différents effets quantiques (les fabricants comme Lumileds et Cree doivent avoir des documents publics à ce sujet), donc lorsqu'une LED est alimentée à une fraction de sa puissance nominale, le courant est mieux (ou moins mal) transformé en photons.
  • Augmenter la durée de vie : la longévité de 20000 heures est souvent citée sans réfléchir et copiée-collée entre fabricants depuis de nombreuses années, souvent par habitude, mais lorsque 100 LED sont câblées en série, la panne de l'une d'elles est à la fois 100 fois plus probable et plus grave. On ne voudrait pas d'une lampe qui fonctionne seulement 200 heures. Ici, les dommages sont réduits, car la défaillance d'une LED individuelle n'impacte qu'une chaîne de 10 LED en série, mais on s'en passerait bien quand même.

Donc pour éclairer le petit baobab, quelques watts suffisent très largement et on peut utiliser un module nu et seul, même s'il a l'air ridiculement gros : la grande surface métallique exposée à l'air libre assure la diffusion et la dissipation thermique.

3.2 Design optique

On pourra concevoir le meilleur système à LED et obtenir quand même un résultat décevant : le but est de faire parvenir des photons à des feuilles et tout photon émis qui n'y parvient pas sera perdu et inutile...

Ici, il s'agit simplement d'ajouter des réflecteurs afin que les feuilles soient éclairées de tous les côtés, sans illuminer tout le reste de la pièce autour (la couleur n’est pas agréable et la pièce dispose déjà d'un éclairage classique).

En plus, le réflecteur fait office d'abat-jour, un rôle important pour les humains qui vivent à côté et qui aimeraient dormir la nuit sans subir cette lumière rose moche. Si la lumière bleue est appréciée par les plantes, elle est par contre un signal de réveil pour les humains...

Enfin, le module de LED est proche des feuilles : environ 10 centimètres. Les quelques feuilles sont assez petites et le module est assez large, donc la source n'est pas trop ponctuelle. Surtout, la loi de réduction quadratique s'applique : si on double la distance, les feuilles recevront quatre fois moins de lumière, donc un peu de rapprochement agit beaucoup sur l'efficacité du système.

On peut ainsi doser judicieusement le courant de la LED afin d'émettre juste ce qu'il faut de lumière, ce qui contribue aussi à réduire la puissance électrique consommée et la chaleur générée.

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Fig. 4 : Le module de LED est placé à proximité des feuilles, sous un abat-jour d’aluminium, pour augmenter le rendement optique.

3.3 Design électrique

Nous voilà (enfin) au cœur du sujet !

Commençons simplement par rappeler quelques caractéristiques des LED. Tout d'abord, ce sont des diodes que l'on branche dans le sens passant, mais elles ont une tension de seuil plus élevée qu'une diode classique. La mécanique quantique nous explique pourquoi cette tension de seuil dépend de la couleur émise (ou vice versa), avec le bleu nécessitant environ 3,5 V, contrairement à 0,7 V pour une diode au silicium classique.

Le nombre de photons émis est approximativement proportionnel au courant qui la traverse, mais la tension de seuil n'est pas vraiment pertinente pour une LED, car le domaine de fonctionnement est plus large qu'une diode de redressement, par exemple. On distingue en fait trois zones de fonctionnement, à mesure que la tension augmente :

  • Une zone où rien ne se produit : la tension n’a pas encore atteint la valeur minimale, donc pas de courant, pas de photon, à part quelques cas indétectables de tunnel quantique...
  • Une zone exponentielle où la luminosité passe d'un niveau à peine détectable à un fonctionnement à plein régime. Chaque pas d'augmentation de la tension entre les broches va doubler le courant (et les photons). Ce pas dépend vraiment de chaque diode et de chaque modèle, je l'estime à un ordre de grandeur de 100 mV, mais ne me citez pas (on utilise aussi ce type de calcul pour les transistors).
  • Une zone linéaire où l'effet exponentiel se heurte aux autres effets physiques tels les résistances de tous les matériaux traversés ou la chaleur qui modifie les propriétés du semiconducteur. L'augmentation du courant n'est plus exponentielle, la LED se comporte globalement comme une résistance (ou un circuit ouvert ou fermé quand elle a claqué), bien que le semiconducteur laisse passer plus de courant à cause de l’augmentation de température. Ce n'est donc pas non plus un mode de fonctionnement désiré, ne serait-ce que parce que la température est extrême. Si on veut fabriquer un four, il y a des résistances bien plus adaptées et économiques pour cela :-).

Ici, nous n'utilisons pas la LED à pleine puissance et on se place au tout début de la zone exponentielle, pour réduire au maximum les effets thermiques (et ne pas éblouir tout le quartier). Des tests rapides ont montré que le module commence à émettre de la lumière autour de 28 V, et la moindre augmentation non seulement commence à faire chauffer le module, mais en plus la lumière est aveuglante (et potentiellement dangereuse : elle est considérée aussi dangereuse qu'un laser).

Il faut donc absolument limiter le courant à une valeur faible, si on ne veut pas éclairer toute la pièce pour rien avec du rose blafard.

L'autre raison importante pour la limitation de courant vient du plus gros défaut des LED : l'emballement thermique n'est pas très perceptible pour les petites LED 5 mm, mais les modules de puissance y sont dangereusement sensibles. C'est dû aux propriétés des semiconducteurs : contrairement aux métaux, leur résistance diminue lorsque la chaleur augmente. Et la chaleur augmente par effet Joule, lorsqu'un courant traverse une résistance.

Si on fait passer du courant dans une LED, celle-ci s'échauffe, sa résistance baisse et laisse passer plus de courant, qui fait chauffer la LED encore plus et ainsi de suite jusqu'à ce que mort s'ensuive ou bien justement, on ne permet pas au courant d'augmenter, en réduisant la tension par exemple. Cela peut se réaliser avec une simple résistance ou des circuits plus efficaces, mais plus complexes...

4. Choix du circuit électrique

Ce dernier point est le plus pertinent pour ce magazine, car il nous permet d'étudier plusieurs approches (non exhaustives) avec leurs avantages et inconvénients respectifs. Après tout, le cahier des charges initial est assez simple et on pourrait le retrouver dans beaucoup d'autres montages : on a besoin d'environ 28 V avec « juste un peu de courant » et une sorte de résistance de limitation.

Les valeurs exactes ne sont pas critiques, donc diverses méthodes sont possibles, elles seront jugées selon leur coût, leur efficacité, leur praticité, leur accessibilité...

4.1 Alimentation à découpage d'imprimante

Les utilisateurs d'imprimantes à jet d'encre sont probablement habitués aux blocs d'alimentation un peu particuliers de leur appareil. J'en ai récupéré quelques-uns au fil du temps et les caractéristiques sont intéressantes : en voilà une sur la figure 5 qui est capable de fournir 32 V sous 1,5 A sans broncher. C'est fabuleux non ?

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Fig. 5 : Ce bloc d'alimentation pour imprimante multifonction pourrait être recyclé pour alimenter des modules de LED de puissance.

Par contre, brancher le module à LED directement dessus conduirait à sa destruction rapide, car la tension est encore trop élevée, donc le courant trop fort et la chaleur sera fatale.

On peut très bien limiter le courant, par exemple avec une résistance, un montage de générateur de courant linéaire (avec un LM317 comme sur la figure 6, un MOSFET ou un transistor bipolaire) ou à découpage... Mais le circuit serait soit trop complexe, soit gaspillerait de l'énergie lorsque cette dernière est transformée inutilement en chaleur.

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Fig. 6 : Si la tension est trop élevée, la régulation de courant sera complexe ou alors, dissipera inutilement de la chaleur. À quoi bon générer une tension qui sera perdue ?

On n'est pas encore dans le domaine du simple, efficace et économique. Par contre, c'est une piste à garder sous le coude pour alimenter des modules de LED de haute puissance dans un régime plus élevé. La tension de sortie et le courant sont dans la bonne plage pour réaliser du véritable éclairage, par exemple. Toutefois, le module de LED devrait aussi être très activement refroidi pour évacuer les 50 W et il n’est pas toujours possible d’utiliser un ventilateur...

4.2 Élévateur de tension

Prenons un module d'alimentation au hasard dans un tiroir, et dotons-le d'un autre module qui va adapter la tension, non pas en la réduisant, mais en l'augmentant, comme sur la figure 7. C'est intéressant, car si le courant tiré augmente, l'élévateur de tension pourrait effondrer la tension en conséquence, si les composants sont bien choisis.

Ainsi, au lieu de créer une résistance par un circuit actif qui limite le courant, on crée une résistance virtuelle, une sorte de limitation indirecte, avec des circuits correctement dimensionnés, à la limite de leur plage de fonctionnement.

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Fig. 7 : Un circuit électronique pourrait adapter la tension pour fournir les 28 V requis par le module de LED. C’est une technique courante, mais non triviale.

Encore une fois, il faut alors utiliser des circuits à découpage, avec une mise en œuvre un peu délicate ou des composants spécialisés à sourcer. Beaucoup de circuits spécialisés existent justement pour l'alimentation à découpage des LED, en élévateur ou réducteur de tension, mais ils dépassent largement le cadre d'un bricolage de week-end... Ils méritent beaucoup d'attention, mais ce sera pour une autre fois.

4.3 Pompe de charge

On peut garder le principe de l'élévateur de tension en jouant la carte vintage, puisqu'il existe une catégorie de montages à la fois simples et efficaces, connus depuis des lustres, qui en plus ont une limitation intrinsèque du courant.

Les pompes de charge reposent sur les transferts de charges d'un potentiel à un autre, en se servant de commutateurs pour élever ou diminuer la tension de référence. Elles fonctionnent habituellement avec un cycle en deux phases : la première phase charge un condensateur avec la tension d'entrée, puis ce condensateur est déchargé durant la seconde phase dans la sortie, après avoir connecté le condensateur à un autre potentiel.

On peut utiliser des relais ou des transistors (MOSFET ou bipolaires), mais ce sont les diodes qui sont les plus couramment utilisées et les plus simples à mettre en œuvre (malgré une légère perte d'efficacité). Ce système, dont une version minimaliste est montrée sur la figure 8, fête d’ailleurs son centenaire, puisqu’il a été inventé en 1919 par Heinrich Greinacher.

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Fig. 8 : Un élévateur de tension à diodes et condensateurs a l’avantage de permettre un chaînage d’étages identiques (chacun avec deux condensateurs et deux diodes) et d’augmenter la tension autant de fois que nécessaire. Un seul étage est représenté ici.

De nombreuses topologies permettent de multiplier une tension alternative [5] pour obtenir une tension plus ou moins continue ou du moins, qui ne change pas de polarité. L'effet de résistance se produit grâce aux condensateurs, qui ne peuvent transférer qu'une certaine quantité de charges électriques, et le courant est obtenu en multipliant cette charge avec la fréquence du courant alternatif (c'est d’ailleurs la définition du courant : c’est la quantité de charges par seconde).

Le courant alternatif en entrée peut être de plusieurs natures (amplitudes, fréquences, formes d'onde…), mais c'est le courant alternatif sinusoïdal du secteur qui est souvent utilisé, ou bien une version abaissée et isolée galvaniquement par un transformateur (ce qui est bien plus sûr).

Ainsi, un simple bloc secteur pourrait faire l'affaire ! Il faut juste s'assurer qu'il n'y a pas de redresseur dans la coque, ce qu'on peut vérifier avec un voltmètre. Au pire, si le bloc est démontable, on peut enlever les diodes. Il suffit alors de fouiller dans votre stock d'alimentations (vous en avez certainement un, avouez-le !) pour trouver un transformateur non redressé, vous notez sa tension et vous en déduisez le nombre d'étages de diodes et de condensateurs à cascader.

Je sens qu'on y arrive, mais c'est encore trop approximatif...

4.4 Redressement simple alternance

L'idée d'utiliser un petit transformateur secteur est excellente, car on en trouve encore dans des appareils domestiques et ils sont faciles à récupérer. Au pire, on peut en trouver pour quelques euros sur des boutiques en ligne. Plus le courant fourni est faible, mieux c'est, car cela limite la puissance envoyée dans la LED. La figure 9 montre la simplicité biblique du montage :

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Fig. 9 : On ne peut pas faire plus simple que le redressement à simple alternance. Toutefois, le rendement n’est pas fameux, car il n’utilise qu’une demi-alternance du cycle d’entrée.

Cependant, il faut s'assurer de leur adaptation et donc nous devons faire quelques calculs pour que la tension corresponde parfaitement à celle requise par le module. Heureusement, il existe une formule très simple pour donner la tension de crête à partir de la tension RMS, qui est écrite sur le boîtier :

Ucrête = Ualternative × 1,4

Le facteur 1,4 est un arrondi de la racine carrée de 2. Une précision plus grande serait inutile en raison des variations et chutes diverses, sur le secteur et dans le transformateur. Il faut toujours prévoir de la marge...

Armé de cette formule magique, reprenons le problème à l'envers : nous désirons une tension crête d'environ 28 V, donc nous avons besoin d'une tension alternative de 28/1,4=20 V (je vous laisse vérifier ce fabuleux calcul vous-même à la maison). Puisqu'il faut redresser la tension, on doit aussi compter 0,7 V de chute dans une diode, ce qui permet à un condensateur de lisser la tension et réduire le scintillement (qui rendrait la lumière rose encore plus désagréable).

Donc, il faudrait se mettre en quête d'un transformateur qui sorte 21 V alternatifs. Ce n'est pas courant, mais avec un peu de chance, on peut finir par en trouver un, par exemple avec un transformateur double 10 V qu'on peut recâbler... Admettons.

Par contre, le transformateur enverra un pic de courant 50 fois par seconde dans la LED et la seule limitation de courant sera la résistance du bobinage secondaire du transformateur.

Il y a donc encore un problème.

4.5 Double redressement simple alternance

Le redressement simple est attirant, car il requiert juste une diode, un condensateur de filtrage et un transformateur aux caractéristiques très précises. Nous avons ainsi déplacé toutes les contraintes sur le transformateur...

Mais ce dernier, à 21 Vrms, n'est pas facilement trouvable. Il existe cependant des petits transformateurs aux tensions plus faibles et standardisées, comme 6 Vac, 9 Vac ou 12 Vac. La tension 12 V est intéressante, car la tension de crête atteint environ 12×1,4=16,8 V, puis après redressement avec une simple diode, on obtient approximativement 16,8-0,7=16 V (c'est un ordre de grandeur). Par bonheur, c'est proche de la moitié de la tension que l'on cherche à obtenir !

Il ne reste plus qu'à doubler cette tension et limiter le courant. Un seul circuit peut justement réaliser ces deux fonctions en même temps : on duplique simplement le redresseur simple alternance dans la polarité opposée, comme sur la figure 10. La combinaison des 2 redresseurs devrait alors donner environ 32 V à vide.

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Fig. 10 : Deux circuits à simple alternance, dont l’un est monté en inverse, travaillent durant les deux phases du cycle et exploitent l’excursion de l’entrée en positif comme en négatif, ce qui double la tension crête absolue de l’entrée.

Lorsqu'on branche une charge, une partie du courant vient directement du transformateur : par exemple, l'anode de la LED est connectée au redresseur positif, qui va recharger son condensateur de lissage et alimenter la LED durant la phase positive du courant alternatif. La cathode par contre est connectée uniquement au condensateur de lissage du redresseur négatif : le courant qui passe dans la LED est donc limité par la charge du condensateur !

Chaque condensateur est rechargé et vidé 50 fois par seconde, chacun son tour (donc à 100 Hz) avec une amplitude qui dépend juste du courant consommé.

On peut ainsi régler le courant de la LED en choisissant la bonne valeur des condensateurs, et aucune résistance en série ne va dissiper de puissance. La résistance série équivalente (ESR) des condensateurs va jouer, mais la fréquence est trop faible pour que cela soit perceptible. La résistance interne du transformateur joue aussi son rôle et c’est pour cela qu’elle doit être importante, donc que le courant nominal doit être faible.

Mes premiers essais (figure 11) ont utilisé des condensateurs largement surdimensionnés et la lumière était éblouissante avec 2200 µF. Ma version finale a utilisé seulement 100 µF et j'aurais pu réduire encore plus, bien que mes mesures à l'oscilloscope ont indiqué qu'une réduction supplémentaire serait inutile, car les 32 V sont trop élevés et le transformateur fournit encore trop de courant durant les crêtes.

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Fig. 11 : Mon premier prototype utilisait une paire de condensateurs surdimensionnés, mais le principe a été validé.

5. Réalisation

Le montage final est présenté sur la figure 12 et voici ses composants :

  • Un transformateur 12 Vac avec un courant de sortie faible (6 VA, soit 500 mA, ce qui est encore largement surdimensionné).
  • 2 diodes de redressement : j'ai trouvé des 1N4001, mais beaucoup d'autres types et références auraient fait l'affaire, en Schottky ou même en germanium (soyons fous). Assurez-vous simplement que le courant crête et la tension inverse supportés par la diode soient largement suffisants.
  • 2 condensateurs : 100 µF (au pifomètre de précision) électrolytiques, choisis avec une tension de fonctionnement élevée (35 V ou 63 V), car il va y avoir beaucoup d'ondulations.
  • Un bloc de dominos. Même pas besoin d'allumer le fer à souder !
  • Des fils, et le module de LED.

Le tout est câblé, testé, mesuré, puis enroulé dans plusieurs couches d'adhésif électrique (Mylar) pour l'isolation : il n'y a pas de tension dangereuse (puisque le circuit est branché sur un secondaire isolé), mais autant éviter tout risque ! On ne sait jamais, un accident d'arrosage est si vite arrivé.

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Fig. 12 : L’installation, de jour.

La partie que je n'avais pas du tout prévue est la conception mécanique et j'ai vraiment péché à ce niveau. Puisqu'il fonctionne, Mac Gyver ne renierait pas cet assemblage bâclé, avec une structure formée avec un gros fil de cuivre, planté dans un vase qui passait par là comme par hasard, agrémenté d'un peu de ruban adhésif pour faire tenir une feuille de papier aluminium faisant office d'abat-jour. Je doute donc que mon concept soit un jour commercialisé. L'équilibre est fragile à cause de la base du vase trop étroite, et surtout la propriétaire voulait mettre des fleurs dedans...

Au moins, l'objectif initial est atteint : le montage est simple, assez robuste, très facile à réaliser par des débutants, pour un coût dérisoire. Il suffit juste d'un peu de préparation. Il faudra probablement concevoir un support plus stable, qui risque de coûter plus cher que le circuit...

6. Résultats

Petit Baobab a pris des couleurs en quelques semaines : les feuilles sont maintenant d'un vert profond et plusieurs autres apparaissent d'un coup, ce qui indique que le bricolage n'a pas été vain. La figure 13 montre que cette lumière semble lui faire du bien.

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Fig. 13 : Avant (à gauche) et quelques semaines après l’installation de la lampe (à droite).

Il n'est éclairé que durant la nuit, après la fermeture des volets. Le positionnement manuel quotidien change l'orientation jour après jour, ce qui réduit l'effet héliotropique qui le ferait courber ou pencher d'un côté.

Le matin, il prend un peu de lumière naturelle qui perce au travers de fenêtres mal exposées : la lumière du soleil reste importante pour préserver le rythme circadien et apporter d'autres longueurs d'onde qui influent sur son développement. L'article anglais de Wikipedia sur les lampes de croissance [6] contient beaucoup d'informations intéressantes, mais pour mon cas, je me contente du système mis en place. Cela semble convenir et suffire à mon compagnon, je ne cherche pas à faire de la culture intensive.

Le métal du module en fonctionnement atteint environ 40 °C, donc les LED qui le composent ne devraient pas atteindre de température dangereuse, et leur longévité est assurée. La chaleur de la LED n'est pas transmise au baobab, qui risque d'avoir un peu froid cet hiver. J'espère que son métabolisme ne fera que se ralentir.

On parle rarement d'un effet de l'éclairage sur la nature, qui est d'attirer les insectes volants. Préparez-vous à avoir de la visite la nuit, si vous installez ce type de montage !

Vu qu'il faut le brancher et le débrancher à la main, le niveau d'eau est inspecté régulièrement et je me passe ainsi d'un autre gadget électronique pour assurer son hydratation. « Ce n'est pas un arbre de mangrove », m'assure-t-on, et puis ça change du cactus.

Et le coût dans tout ça ? Il est ridicule. Un domino, une paire de condensateurs et de diodes devraient coûter moins cher que ce magazine. Évidemment, le module de LED rose n'a pas été gratuit, mais si vous ne pouvez pas vous offrir le modèle de puissance maximale, rien ne vous empêche d'en prendre un plus petit, à condition cependant de concevoir un système de dissipation adapté. Le coût de ce dernier peut probablement compenser la différence de prix entre les différentes puissances des modules de LED. Or, les prix des modules ont encore chuté et les puissances augmentent de façon hallucinante, donc la stratégie de sous-alimentation est de plus en plus pertinente.

Le coût énergétique est faible : j'ai mesuré environ 26 V sous 80 mA (moyenne non RMS), soit approximativement 2 W absorbés par la LED. La perte dans les diodes de redressement est au maximum de 0.7 V×80 mA/1.4=40 mW, elle serait deux fois plus élevée avec un redressement double alternance classique, mais elles ne conduisent que durant le court pic de charge des condensateurs. C'est certainement le transformateur qui doit entraîner le plus de pertes électriques (peut-être 1 W ?), mais je n'ai pas pu mesurer la puissance totale à la prise.

La consommation totale reste faible, puisque la LED est placée près des feuilles et un abat-jour en aluminium réduit les pertes de lumière. Avec juste 2 W utilisés chaque nuit, soit environ 8 heures, on arrive approximativement à 16 Wh par jour. À ce rythme-là, il faut deux mois pour consommer tout un kilowatt-heure, soit moins de 10 centimes d'euro par mois pour verdir mon compagnon. C'est un ordre de grandeur bien sûr, puisqu'aucune mesure n'a été effectuée sur le long terme, mais le temps et les efforts de mesure seraient plus chers que ce coût énergétique dérisoire.

Si l'utilisation combinée d'un transformateur et de condensateurs limite intrinsèquement le courant, elle fait aussi scintiller la LED à 100 Hz, ce qui ajoute à l'inconfort de la lumière rose. C’est toujours mieux qu’un scintillement à 50 Hz, mais le montage développé ici ne serait quand même pas adapté à un éclairage classique pour humains (même si certains semblent supporter le scintillement de certaines lampes). Mes tests empiriques m'ont indiqué que je peux discerner un clignotement jusqu'à 3 kHz, donc une alimentation à découpage est plus appropriée, car elle hache le courant à au moins 20 kHz, en haut du spectre audible et visible.

Conclusion

J'espère que cet article vous aura appris quelques astuces très pratiques sur les LED et leur utilisation optimale. Elles se trouvent aujourd'hui sous d'innombrables formes et on a tendance à les prendre pour acquises, alors qu'elles nécessitent beaucoup d'attention, comme une plante ! Si vous devez concevoir vous aussi un système à LED, souvenez-vous au minimum de la Sainte Trinité du design : thermique, optique et électrique.

On aurait tendance à penser qu'à mesure qu'on apprend l'électronique, on fasse des circuits de plus en plus sophistiqués. C'est peut-être vrai au début, comme un pianiste qui apprend de nouvelles gammes, il prend de plus en plus de libertés et ajoute des fioritures partout. Pourtant, plus on connaît de circuits et de variations, mieux on peut choisir la version la plus adaptée. On devient alors plus fainéant et on ne veut pas s'embarrasser des complexités qu'on sent venir à des kilomètres. On a mieux à faire et il faut que les efforts soient à la mesure des objectifs !

Par exemple, ici, j'aurais pu faire appel à un des nombreux modules à découpage que j'ai en réserve dans mes tiroirs, ou même faire le mien de A à Z, juste parce que je le peux et bien sûr, j’adore explorer et mettre en pratique de nouveaux circuits. J'aurais donc investi beaucoup de temps, alors que le baobab n'aurait jamais vu la différence.

Mais en élargissant nos compétences, nous pouvons trouver des solutions simples, élégantes mêmes, à des problèmes subtils comme celui-ci. Donc, la prochaine fois que vous dégainerez votre Arduino ou votre Raspberry Pi, demandez-vous : y a-t-il un moyen plus simple et rapide de faire clignoter une LED ? Pour le savoir, abonnez-vous et réabonnez-vous !

Post Scriptum

Juste après la réalisation de ce montage et la rédaction de l'article, j'ai trouvé en kiosque un article sur une « boîte d'horticulture » proposée par le magazine de confrères. C'est un projet presque à l'opposé du mien, puisque je privilégie ici la simplicité et l'économie. Les différences d'approche sont frappantes et m'ont inspiré les commentaires supplémentaires suivants.

Par exemple, le surdimensionnement des LED n'est pas appliqué par l'auteur, ce qui l'oblige à recourir à des techniques sophistiquées (donc chères) de gestion thermique : circuits imprimés complexes et ventilateurs sont de rigueur, sans parler du bruit ainsi créé. Ces techniques sont utiles et importantes pour un appareil industriel, mais pour un projet personnel, le budget n'est souvent pas là et il faudra placer la boîte loin de la chambre à coucher, à cause du bruit...

On peut discuter de la sophistication de la commande et du contrôle numériques, dont les fonctionnalités seront peu utilisées en pratique, à moins d'être ingénieur agronome et de disposer de multiples exemplaires pour réaliser des études comparatives. Mais c'est le design optique qui m'a le plus surpris : la lumière part dans tous les sens, la plupart vers des surfaces sombres ou noires. À quoi bon pomper 50 W d'électricité dans des LED qu'il faut ensuite refroidir, si au moins 90 % de la lumière ne parvient pas aux feuilles ? N'aurait-il pas été préférable de s'assurer que toute la lumière aille vers les feuilles et ainsi économiser du matériel et de l'énergie, donc de l’argent ? C’est paradoxal, mais cela nous rappelle qu’à notre époque, le greenwashing est omniprésent : le « bio » et le « naturel » sont surtout un effet de mode destiné à augmenter la consommation.

Les fabricants, distributeurs et installateurs d'éclairages à LED sont familiers de la gestion de l'alimentation et de la dissipation de la chaleur. Par contre, j'ai l'impression que la question du rendement optique est généralement oubliée, que ce soit pour l'horticulture, les objets décoratifs ou d'autres domaines habitués aux ampoules à incandescence. Nous avions l'habitude d'utiliser des sources ponctuelles et nous n'avons pas encore adapté notre mode de pensée aux LED, qui ont des exigences très différentes. En particulier, elles détestent les points chauds et nous devons apprendre à les étaler et les répartir sur les surfaces, au lieu de les garder concentrées. On peut alors les approcher beaucoup plus près des surfaces à éclairer !

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Fig. 13 : Au niveau inférieur de la gare Saint-Lazare à Paris, un « mur végétal » survit péniblement à l’aide de plusieurs projecteurs à LED, blanches et roses.

Ces problématiques sont un peu anecdotiques quand on parle de plantes d'intérieur, mais elles sont critiques à plus large échelle, comme dans une serre industrielle, un centre commercial ou des lampadaires urbains qui doivent consommer (et dissiper, et payer) des dizaines ou centaines de kilowatts.

Ces questions d'utilisation judicieuse se retrouvent aujourd'hui au quotidien autour de nous, maintenant que les LED remplacent les ampoules classiques. On en use et abuse sans se soucier de leur environnement, sans faire attention à l'efficacité de la transmission de l'énergie, de l'électron au photon perçu et utilisé.

Qui sait si les prochaines générations de LED permettront de projeter la lumière à un endroit exact ? On étudie déjà des phares à diodes lasers, alors peut-être sera-t-il possible un jour de colimater précisément les faisceaux sans nécessiter de lentilles ni de réflecteurs...

Après tout, ce n'est pas comme si on ne savait pas déjà contrôler finement la répartition de la lumière : souvenez-vous que les LED classiques au format 5 mm focalisent la majorité de la lumière dans un cône large de 5°. La figure 14 montre justement une partie du « design optique » qui permet cela, en plus d’une forme très spéciale du dôme d’époxy transparent. J'ai utilisé ce principe pour projeter de la lumière rose et décrit les techniques en 2012, dans un article paru dans Open Silicium n°5 [7]. Qu'est-ce qui nous empêche de viser directement les feuilles au lieu d'afficher des zolies formes sur un mur ?

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Fig. 14 : Macrophotographie de l’intérieur d’une LED verte de 5 mm de diamètre. On voit la coupole de son réflecteur, qui dirige vers le haut la lumière émise par les côtés du cristal semiconducteur. Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_-_5mm_Green.jpg. Reproduit avec la permission de l’auteur : Mister rf

Références

[1] https://hackaday.io/project/20910-portable-led-flash/log/56521-another-ordering-mistake

[2] https://fr.wikipedia.org/wiki/Indice_de_rendu_de_couleur

[3] https://fr.wikipedia.org/wiki/Chlorophylle

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll

[5] https://fr.wikipedia.org/wiki/Multiplicateur_de_tension

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Grow_light

[7] https://connect.ed-diamond.com/Open-Silicium/OS-005/Un-caeur-de-photons

Voir aussi :

https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump (ne mentionne pas l'incontournable ICL7660 et ses dérivés)

https://www.mouser.fr/applications/horticulture-applications/ Après les fabricants de composants, les distributeurs de composants électroniques emboîtent le pas et surfent sur la vague de l'horticulture 2.0 en la combinant avec la mode du « tout IoT ».

Notes

[a] On remarque au passage que 4500 K sont supérieurs à 3500 K et le premier devrait donc être plus chaud, encore un paradoxe ! Mais cela a été déjà abordé dans le HK n°31, page 75.



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