Lampe torche à supercondensateur avec recharge micro-USB

torche supercondensateur allumee

Lampe torche à supercondensateur

Suite à nos articles expliquant différentes techniques pour charger un supercondensateur et pour allumer une LED à partir d'un supercondensateur, voici un premier cas pratique : une lampe torche à supercondensateur avec recharge en micro-usb en utilisant un chargeur de smartphone standard.

Nous allons montrer pas à pas les différentes étapes franchies pour réaliser notre lampe torche à supercondensateur. Il s'agit seulement d'un exemple de montage qui n'exploite pas vraiment les capacités des supercondensateurs, mais qui a le mérite d'être une première approche simple et didactique pour aborder un montage électronique à base de supercondensateur.

lampe supercondensateur

Nous avons vu que le plus efficace pour charger un supercondensateur est d'utiliser un convertisseur DC-DC buck assurant une charge à courant constant ou encore mieux à puissance constante. Malheureusement, les composants comme le convertisseur Buck-Boost LTC3127 sont encore assez chers. On peut tout de même trouver des convertisseurs en courant constant à prix abordable, mais qui nécessitent au moins 6 à 7V de tension en entrée.

Pour notre premier exemple de lampe torche à supercondensateur, nous avons souhaité aller au plus pratique et nous avons donc utilisé un minuscule convertisseur buck acceptant du 5V en entrée, mais ne fournissant pas un courant constant. La charge est donc moins rapide et moins efficace, mais nous pouvons utiliser un chargeur de smartphone standard pour alimenter notre lampe torche à supercondensateur, grâce à un connecteur micro-USB.

Pour la partie éclairage, nous avons utilisé un petit convertisseur boost qui permet d'élever efficacement à 3,3V la tension à la sortie du supercondensateur. Au fur et à mesure qu'il se décharge, la tension diminue aux bornes du supercondensateur, mais le convertisseur boost tente toujours de la redresser à 3,3V. Ainsi, même lorsque la tension aux bornes du supercondensateur descend à 500mV, nous obtenons un bon éclairage. Sous les 240mV, l'éclairage devient vraiment mauvais, mais ce convertisseur permet tout de même d'exploiter une grande partie de l'énergie contenue dans le supercondensateur pour allumer la LED.

Enfin, nous avons utilisé une référence de tension : le TL431, qui permet d'allumer une petite LED verte lorsque le supercondensateur dépasse les 2,5V afin d'avertir que celui-ci est complètement chargé.

Liste des composants utilisés

carte prototypage pcb Carte de prototypage PCB
micro usb connecteur Connecteur micro-USB femelle avec adaptateur pour carte PCB
connecteurs strip secables Connecteurs strip sécables
polyswitch Polyswitch : fusible réarmable 1,1A
resistances Résistance 1 Watt de 3,3 ohm (4,9 ohm en réalité) et résistances 1/4 Watt de 1000 ohm, 82 000 ohm, 220 ohm et 11,4 ohm
mini convertisseur buck Mini convertisseur buck
diode 1n5817 Diode 1N5817
supercondensateur 30f Supercondensateur 30F - 2,7V
(KAMCAP supercapacitor ou ultracap)
reference tension tl431 Référence de tension TL431
led verte 3mm LED verte 3mm pour signaler la fin de charge du supercondensateur
bouton poussoir autobloquant Bouton poussoir autobloquant
petit convertisseur boost Petit convertisseur boost pour élever la tension à 3,3V
led 20000mcd LED blanche 5mm avec tension de fonctionnement comprise entre 3,1 et 3,4V

Pour mettre au point notre lampe torche, on peut utiliser une breadboard standard.

connecteur micro usb

Pour alimenter la breadboard (plaque à essai), on peut utiliser le petit module d'alimentation pour Breadboard cité dans l'article Breadboard et simulateurs de circuits électroniques, mais il faut alors limiter l'intensité du courant à 700mA. Ou bien on peut souder des petits connecteurs au niveau des pins GND et VBUS du connecteur micro-usb femelle (les autres pins permettent des transferts de données, mais nous utilisons le connecteur uniquement pour l'alimentation) et alimenter la plaque à essai par un chargeur de smartphone standard supportant au moins 1 Ampère.

Régler le convertisseur buck

Ensuite, Il faut régler le convertisseur buck pour avoir la bonne tension de sortie. Comme nous utilisons une diode anti-retour dans notre montage, il ne faut pas l'oublier lors du réglage de cette tension de sortie. En effet, les diodes provoquent une chute de tension. Pour de prochains montages, nous pourrions avoir besoin de diodes avec faible chute de tension. Nous utilisons donc dès maintenant une diode à faible chute de tension : la 1N5817. Celle-ci provoque une chute de tension de 0,45V à 1A et de 0,3V à 100mA.

Puisque la chute de tension dépend de l'intensité du courant, nous ne pourrons pas avoir une tension de sortie très précise et il faut donc conserver une certaine marge de sécurité. Pour régler le convertisseur buck, nous le branchons à la diode et à une résistance de 1 000 ohm.

Pour une plus grande sécurité, nous utilisons aussi un polyswitch 1,1 Ampères (fusible réarmable) qui évitera de cramer le chargeur en cas de mauvais branchement ou de défaillance d'un composant.

En tournant très lentement la vis du convertisseur, on règle alors la tension sur 2,6V. Sur ce mini convertisseur buck, il faut être très minutieux, car tourner très très légèrement la vis change beaucoup la tension, mais on fini par y arriver.

Si on change la valeur de la résistance, on constate une tension de sortie légèrement différente :

  • 47 ohm : 2,51V (106mA)
  • 1 kohm : 2,6V (5mA)
  • 10 kokm : 2,66V (0,5mA)
  • 82 kohm : 2,72V

reglage convertisseur buck

Réglage de la tension de sortie du convertisseur buck

Si on veut une recharge un peu plus rapide, on peut donc régler une tension à 2,67V avec une résistance de 1kohm, mais il ne faut alors pas laisser trop longtemps la lampe torche branchée une fois que celle-ci a atteint 2,5V.

Limiter l'intensité du courant

La plupart des chargeurs de smartphone sont conçus pour délivrer une intensité de courant de 1 Ampère.

Comme notre petit convertisseur buck est assez basique, il ne gère pas de limitation de courant. Il faut donc limiter le courant à 1 Ampère avec une résistance. A partir du 5V, il faut une résistance de 5 ohm pour arriver à 1 Ampère (I=U/R). Du 5V à 1 Ampère donne une puissance de 5 watts, mais comme l'intensité du courant diminue très rapidement au fur et à mesure de la charge du supercondensateur, nous décidons d'utiliser une résistance de 1 Watt.

Nous avons une série de résistances vendues comme faisant 3,3 ohm. Mais elles ont une tolérance très large et beaucoup font en réalité 4,8 à 4,9 ohm (après test au multimètre). Nous avons donc décidé d'utiliser une seule résistance 1 watt de 4,9 ohm pour limiter l'intensité du courant.

Allumer une petite LED lorsque le supercondensateur atteint 2,5V

Pour savoir si notre supercondensateur est rechargé, nous pouvons utiliser une référence de tension pour allumer une LED lorsque sa tension atteint 2,5V. Le supercondensateur supporte une tension de 2,7V, mais la fin de la charge est beaucoup plus lente et il n'est pas bon pour la longévité d'un supercondensateur de s'approcher trop prêt de sa limite de tension.

Le TL431 est une référence de tension ajustable de 2,5V à 36V.

Par défaut, le TL431 est sur 2,5V. Le montage reste donc assez simple.

schema buck avec TL431

Schéma alimentation 5V avec convertisseur buck + TL431

Voici l'équivalent du schéma en sortie du convertisseur buck :

schema sortie buck avec TL431

Schéma alimentation 5V et à la sortie du convertisseur buck + TL431

Et voici ce que donne les traces sur LTSpice :

trace buck avec TL431

Tension aux bornes du supercondensateur et intensité de la LED

En réalité, la tension ne monte pas aussi haut au niveau du supercondensateur et le courant passe bien dans la LED lorsque la tension arrive à 2,5V aux bornes du supercondensateur. Celle-ci s'allume donc plus tôt par rapport à ce que montre le graphique. Les représentation informatiques des références de tension comme le TL431 sont malheureusement souvent très mauvaises dans les logiciels de simulation. C'est pourquoi nous constatons un écart avec la réalité.

Alimentation de la LED et montage final

La suite du schéma est encore plus simple. Lorsque l'interrupteur est enclenché, le supercondensateur alimente un petit convertisseur boost qui élève la tension à 3,3V pour alimenter une LED à travers une résistance de 11,4 ohm.

lampe supercondensateur breadboard

Notre lampe torche version Breadboard

chargement supercondensateur termine

La petite LED verte est allumée : le supercondensateur est chargé

lampe supercap breadboard allumee

La lampe torche à supercondensateur allumée

torche supercondensateur dessus

La même lampe torche sur carte de prototypage PCB

Bilan

Dans notre version Breadboard, il n'y a pas de soudure (hormis pour le connecteur micro-usb). Les connections sont donc moins bonnes que sur la version sur carte de prototypage PCB et donc la vitesse de charge peut être un peu moins élevée. En version PCB, la charge complète du supercondensateur (à 2,5V) prend 3 minutes et 10 secondes. Comme nous ne déchargeons jamais complètement le supercondensateur par la suite, le temps de charge est finalement moins long.

Après avoir allumé la lampe torche préalablement chargée à 2.5V, voici ce nous obtenons :

  • Au bout de 11 minutes, la tension tombe à 1V
  • Jusqu'à 13 minutes 30 et 500mV de tension : bon éclairage
  • De 13 minutes 30 à 17 minutes et une tension descendant jusqu'à 240mV : éclairage moyen
  • De 17 minutes à 30 minutes et une tension descendant jusqu'à 50mV : éclairage très mauvais
  • Au bout de 30 minutes et avec une tension de 50mV, la LED ne s'éclaire plus

Conclusion

Evidemment, ces performances ne vont pas faire pâlir les constructeurs de lampes torches. Cette lampe torche est réalisée à but pédagogique pour se familiariser avec les supercondensateurs.

Par ailleurs, nous sommes ici limité par un courant de 1 Ampère qui est souvent l'intensité maximale que délivrent les chargeurs de smartphone. De plus, la résistance utilisée pour limiter le courant en début de charge devient vite un frein inutile lorsque l'intensité diminue au fur et à mesure de la charge du supercondensateur.

Un limiteur d'intensité serait plus intelligent qu'une simple résistance. Mieux encore, utiliser un système de charge à courant constant, voir à puissance constante serait beaucoup plus efficace.

Pour mieux exploiter les capacités des supercondensateurs, nous pourrons bientôt utiliser des chargeurs beaucoup plus puissants. En effet, l'arrivée de l'USB type C permet de recharger les ordinateurs portables directement par le port USB avec le chargeur adéquat. Espérons que ces chargeurs deviennent rapidement universels et très utilisés.

Pour l'instant, le ChromeBook Pixel est l'ordinateur utilisant la plus puissante version de ce dispositif avec un chargeur USB type C de 60 Watts. Avec 12 Volts et 5 Ampères, un bon convertisseur buck à puissance constante pourrait alimenter un supercondensateur à 2,5V avec une intensité dépassant allègrement les 20 Ampères. Il est hors de question d'utiliser un accumulateur avec une telle intensité de courant et c'est là que l'exploitation des supercondensateurs et de leur capacité à absorber de forts courants devient utile. La recharge se fera alors en un éclair...

Chargeur 60W

Chargeur USB type C 60 Watts du ChromeBook Pixel

Quelques images pour finir...

supercondensateur charge

La diode verte est allumée : le supercondensateur est chargé

/torche allumee jour
/torche supercondensateur nuit
torche supercondensateur allumee_2
torche supercondensateur allumee face
lampe supercondensateur

Nous invitons les internautes ayant les connaissances suffisantes en électronique pour réaliser des montages électroniques en toute sécurité à partager leurs expériences en nous envoyant des photos et explications avec les schémas de leurs circuits électroniques. Avant de se lancer dans tout projet utilisant des supercondensateurs, ne pas oublier de lire notre article Précautions et sécurité avec les supercondensateurs. Les projets intéressants seront publiés sur supercondensateur.com dans la rubrique DIY / Bricolage.

6 commentaires

Alexis Gogos 27 août 2015 à 13:29

Génial ! On attend la V2 c'est passionnant. Petite question combien coûte à fabriquer la V1. Peut-on espérer pour la prochaine une plus grande autonomie ?

supercondensateur 27 août 2015 à 20:03

@Alexis Gogos :

Bonjour Alexis,

Nous pouvons vendre tous les composants de la lampe torche ici pour 24 euros + 3,5 euros de frais de port (en France).

Pour l'acheter, faire la demande sur supercondensateur@gmail.com

Evidemment, une telle lampe torche serait beaucoup moins cher si elle était vendue de façon industrielle.

Acquérir les composants de cette lampe torche a surtout un intérêt pédagogique et pour soutenir supercondensateur.com

Concernant la V2, c'est encore un projet. Nous n'avons par encore fait le choix de tous ses composants, donc il est difficile de se prononcer sur son autonomie à ce stade.

Les composants peuvent aussi être achetés chez divers distributeurs de composants électroniques.
La vente des composants sur notre site est possible pour donner les moyens d'obtenir rapidement les bons composants, mais ce n'est pas important pour nous.

Que les composants soient achetés auprès de nous ou auprès d'un revendeur tiers, tout projet réalisé avec des supercondensateurs nous intéresse. Nous invitons dans tous les cas les internautes ayant les connaissances suffisantes en électronique pour réaliser des montages électroniques en toute sécurité à partager leurs expériences en nous envoyant des photos et explications avec les schémas de leurs circuits électroniques.

Nicolas 07 décembre 2015 à 08:47

Bonjour félicitation pour votre site qui est vraiment passionnant.
Serait-il possible de connaitre les réfèrences du petit convertisseur boost pour élever la tension à 3,3V ?

Cordialement

Nicolas 08 décembre 2015 à 17:56

Super merci!
Une question qui doit être bête mais bon:
La sortie du convertisseur est à 3,3 V la Led est de 3,3 V alors pourquoi cette résistance de 11,4 ohm ?
J'imagine que c'est pour protéger la LED mais je ne vois pas pourquoi puisque les tensions sont identiques, j'imagine qu'elle ne prendrait que le courant dont elle a besoin ?

supercondensateur 08 décembre 2015 à 20:13

@Nicolas :

La LED a une tension de fonctionnement comprise entre 3,1 et 3,4V.
Le convertisseur boost n'est pas d'une précision parfaite et peut sortir une tension de 3,7V par intermittence.
La résistance permet de protéger un peu la LED et permet d'augmenter l'autonomie de la lampe...

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