Utiliser un supercondensateur pour allumer une LED

Allumer une LED avec un supercondensateur et un circuit convertisseur boost

Allumer une LED avec un supercondensateur et un circuit convertisseur boost

Maintenant que nous savons comment recharger un supercondensateur, nous pouvons voir quelles sont les techniques qui peuvent être utilisées pour allumer une LED grâce à un supercondensateur.

A la différence d'une pile ou d'un accumulateur, le supercondensateur a une tension qui diminue au fur et à mesure de sa décharge. Pour exploiter efficacement l'énergie contenue dans le supercondensateur et afin d'allumer une LED le plus longtemps possible, il faut donc contrer cette baisse de tension en la ré-haussant à sa sortie.

Pour y arriver, nous pouvons faire appel à un convertisseur de tension qui est définitivement le meilleur moyen pour utiliser efficacement un supercondensateur...

Décharge d'un supercondensateur sans convertisseur

Voyons d'abord ce que donne la décharge d'un supercondensateur (ou d'un condensateur) sans convertisseur de tension :

Décharge supercondensateur

Décharge d'un supercondensateur 10 Farads à travers une résistance de 10 ohms

On constate que la courbe de décharge est l'inverse de la courbe de charge à partir d'une source de tension constante. La tension diminue à une vitesse de moins en moins rapide. Il en est de même pour l'intensité du courant sortant du supercondensateur.

supercondensateur usb led

Revoyons donc notre exemple du supercondensateur 5,5V chargé à partir d'un port USB pour allumer une LED :
http://www.bustatech.com/supercapacitor-usb-light/
Rappelons que la première version était risquée pour le port USB car il n'y avait pas de résistance limitant l'intensité du courant. Par défaut, les ports USB des ordinateurs d'aujourd'hui peuvent délivrer 500mA. Sans négociation avec le port USB, il faut donc mettre une résistance de 10 ohms (R = U / I = 5 / 0,5 = 10). Attention : la puissance délivrée en début de charge est de 2,5W (P = U x I = 5 x 0,5 = 2,5). Il faudrait donc logiquement utiliser une résistance 2,5W.

Voici ce que ça donne sous 123D Circuits :

supercondensateur 5 5 usb led

Supercondensateur 5,5V chargé en USB pour allumer une LED

Lien vers la simulation (cliquer sur "Start simulation", puis cliquer sur l'interrupteur) :
http://123d.circuits.io/circuits/702830-usb-supercondensateur-5-5v-led

Pour la démonstration, nous avons mis un supercondensateur 0,01 Farad afin d'avoir une décharge plus rapide. Par ailleurs, nous avons mis une résistance de 250 ohms après la LED pour avoir une bonne luminosité initiale.

On constate une recharge rapide du supercondensateur. Puis lorsque l'on clique sur l'interrupteur, celui-ci se décharge en permettant à la LED de rester allumée un certain temps. Cependant, au fur et à mesure de la décharge du supercondensateur, la tension diminue, ainsi que la luminosité de la LED. Une fois la tension de seuil de la LED atteinte (1,55V), celle-ci est complètement éteinte et le courant ne passe plus. Il reste de l'énergie dans le supercondensateur, mais celle-ci n'est plus exploitable avec ce circuit.

Pour obtenir un éclairage constant de la LED et pour exploiter une plus grande partie de l'énergie contenue dans le supercondensateur, il est préférable d'utiliser un convertisseur élévateur de tension. Un convertisseur de tension idéal doit permettre d'élever la tension à partir d'une tension la plus basse possible afin de récupérer un maximum d'énergie, tout en permettant l'obtention d'une intensité de courant suffisante pour allumer une LED, le tout avec un rendement énergétique le meilleur possible.

Le Joule Thief

joule thief

Joule Thief

Le Joule Thief est un élévateur de tension qui plaît beaucoup sur Internet. A tel point que le Joule Thief est régulièrement utilisé comme nom générique désignant les élévateurs de tension.

Il y a tellement de choses à voir et à lire à propos du Joule Thief sur le Net qu'il faudrait un article entier dédié au Joule Thief.

Voici une page décrivant comment créer un Joule Thief : Make a Joule Thief

Et voici une explication de ce qu'est le Joule Thief :

Le Joule Thief (littéralement "Voleur de Joules") est un circuit publié à l'origine en novembre 1999 par Z. Kaparnik dans le magazine britannique "Everyday Practical Electronics". Ce circuit de conception simple est un convertisseur de tension basé sur un transformateur basique et un transistor qui forment un oscillateur à blocage dont le principe a été inventé avant la seconde guerre mondiale.

Grâce au Joule Thief on peut par exemple allumer une LED nécessitant une tension de 2V avec une pile AA dont la tension est de 1,5V. Le Joule Thief est souvent décrit comme utile pour exploiter l'énergie restante dans les piles usagées dont la tension chute en fin de décharge, car le Joule Thief peut continuer à allumer une LED lorsque la tension de la pile baisse jusqu'à 0,6V. Mais le Joule Thief est encore bien plus utile pour exploiter l'énergie des supercondensateurs...

Voici une vidéo (en anglais) présentant un circuit Joule Thief et son principe de fonctionnement :

Certains ont amélioré le principe du Joule Thief pour permettre d'allumer une LED à partir d'une tension de seulement 25mV. Mais il faut alors utiliser de nombreux transistors. Peut-on encore parler de Joule Thief ?

En effet, le Joule Thief fait parti de la famille des convertisseurs élévateurs de tension comme tous ceux que l'on a déjà cité dans notre article Comment charger un supercondensateur ?. Le Joule Thief s'apparente en fait à un convertisseur Flyback simplifié.

Rappel des différents convertisseurs de tension aussi appelés "Régulateurs à découpage" :


Le Joule Thief et les supercondensateurs

lampe supercondensateur led

Pour allumer une LED grâce à un supercondensateur et un Joule Thief, nous avons l'exemple de la lampe de poche à supercondensateur avec recharge USB créée par Antoine ROUSSEL sur son blog "La famille créative".

Cette lampe est d'une conception simple et efficace si on arrive à trouver le tore utilisé par Antoine ou si on arrive à recréer le transformateur à partir d'un tore du commerce et des fils adéquats. Mais attention, comme nous l'avons vu dans notre article sur la charge des supercondensateurs, il ne faut surtout pas oublier de débrancher la lampe dès que la LED témoin s'allume.

Joule Thief à base d'inductance (convertisseur boost)

Réaliser un petit transformateur pour Joule Thief n'est pas simple : il faut trouver un bon Tore, les fils adéquats et enrouler les fils comme il faut sur le Tore. Heureusement, on peut réaliser une variante du Joule Thief beaucoup plus simplement en utilisant une simple inductance à la place du transformateur. Doit-on appeler ça Joule Thief ou circuit boost ? Au final, c'est le résultat qui compte...

Exemple 1

Voici un exemple de circuit Joule Thief à inductance présenté sur instructables.com :
http://www.instructables.com/id/Super-Simple-Inductor-Joule-Thief

La vidéo de présentation est assez sympa :

Pour une meilleure lisibilité, voici le circuit reconstitué sur 123D Circuits :

Joule Thief avec inductance

Le lien vers 123D Circuits :
http://123d.circuits.io/circuits/715929-joule-thief-avec-inductance

Malheureusement, les simulations ne fonctionnent pas sur 123D Circuits lorsqu'il y a une inductance. Il est donc inutile d'appuyer sur le bouton "Start simulation". Attention aux pattes "Emetteur - Base - Collecteur" qui ne sont pas toujours dans le même sens selon les transistors.

Nous avons testé ce circuit sur une vrai Breadboard et il fonctionne bien, mais la luminosité obtenue est très faible...

Voici le schéma correspondant sous LTspice :

Joule Thief avec inductance

Le fichier LTspice : Joule-thief-inductance.asc

Exemple 2

On peut faire mieux comme circuit Joule Thief à inductance afin d'obtenir plus de puissance et donc une meilleure luminosité. Certains en ont fait un circuit imprimé qu'ils vendent sur Internet.

Voici des petites cartes électroniques toutes faites de circuit Joule Thief sans transformateur que l'on peut trouver sur ebay :

Vidéo de présentation de la première carte :

Ces petites cartes électroniques acceptent une tension d'entrée de 0,8V à 2,4V et peuvent élever la tension jusqu'à 3,3V avec une efficacité de 70% (variable selon la tension d'entrée). L'intensité de courant de sortie moyenne est entre 5 et 10mA.

La luminosité obtenue est bien meilleure qu'avec le premier circuit. La valeur de l'inductance de ces cartes électroniques n'est pas mentionnée, mais le reste du schéma est indiqué sur ebay. En faisant des tests sur Breadboard et sur LTspice, on constate qu'il suffit de changer la valeur de l'inductance pour faire varier le niveau d'intensité. Avec une inductance de 470uH, la luminosité est suffisante pour une LED bleu, mais si on veut un vrai effet lampe torche avec une bonne LED blanche, il est préférable d'utiliser une inductance de 220uH afin d'obtenir un bon éclairage.

Voici le circuit de ces cartes reconstitué sur 123D Circuits :

Joule Thief avec inductance

Le lien vers 123D Circuits :
http://123d.circuits.io/circuits/715929-joule-thief-avec-inductance

La aussi, la simulation ne fonctionne pas sur 123D Circuits. Inutile d'appuyer sur le bouton "Start simulation"... Attention aux pattes "Emetteur - Base - Collecteur" qui ne sont pas toujours dans le même sens selon les transistors.

Voici le schéma du circuit sous LTspice :

schema Joule Thief sans Tore

Schéma du circuit

Le fichier LTspice : Joule-thief-2N2222.asc

Voici quelques données de simulation du circuit sous LTspice :

Joule Thief avec inductance

Tension (vert) et intensité (bleu) au niveau de la LED

Joule Thief avec inductance

Zoom sur la tension (vert) et intensité (bleu) au niveau de la LED

Tension Joule Thief sans tore

Tension moyenne

Intensité Joule Thief sans tore

Intensité moyenne

On peut même allumer 2 LED avec ce circuit. Voici ce que ça donne sur une mini Breadboard :

Joule Thief sur mini Breadboard

Autres Joule thiefs

Sur son site Internet talkingelectronics.com, Colin Mitchell présente d'autres circuits Joule Thief et explique réussir à faire mieux que les Circuits Intégrés du marché avec des circuits faits maison. C'est possible car des circuits peuvent être optimisés pour certains usages et moins pour d'autres. Par ailleurs, il faut noter que plus l'écart de tension entre entrée et sortie est important, plus il est intéressant d'utiliser un transformateur à la place d'une simple inductance (un flyback plutôt qu'un circuit boost). Or il est plus simple et moins cher d'utiliser des inductances plutôt que des transformateurs.

Ainsi, sur la page LED TORCH CIRCUITS also called Joule Thief (en anglais), Colin Mitchell présente un certain nombre de circuits Joule Thief servant à allumer une ou plusieurs LED. Certains utilisent des transformateurs, tandis que d'autres utilisent une simple inductance et des transistors.

Colin explique notamment que le circuit présenté plus haut (utilisant deux transistors 2N2222) est une mauvaise conception et affirme réussir à faire des circuits plus performants en utilisant une inductance et deux transistors. Nous avons testé ces circuits à la fois en simulation dans LTspice et sur Breadboard. Dans les deux cas, on constate pourtant une performance moindre, tant en luminosité qu'en consommation de courant électrique.

Le circuit au deux transistors 2N2222 qu'il désigne comme mauvais utilise une inductance de 470uH. Or nous avons constaté qu'il suffit de mettre une inductance de 220uH pour obtenir une plus grande puissance d'éclairage. Mais même avec l'inductance de 470uH, nous avons obtenu un éclairage très légèrement plus puissant que celui présenté par Colin comme étant d'une meilleure conception (la version sans transformateur). Il est possible que nous ayons fait des erreurs lors de nos tests et si quelqu'un constate des résultats inverses, qu'il n'hésite pas à nous contacter sur supercondensateur.com.

Mais au final, pour exploiter les supercondensateurs efficacement, mais aussi pour avoir une intensité de sortie significative et pour une conception plus industrielle, il faudra plutôt utiliser des convertisseurs de tension à base de Circuits Intégrés. C'est ce que Richard a constaté lorsqu'il a développé sa brique solaire éternelle dont nous avons présenté les différentes étapes de conception dans cet article :
Brique solaire éternelle à supercondensateur (Infinity Sun Jar)

Les convertisseurs en Circuit Intégré pour supercondensateur

Le Joule Thief à l'avantage de pouvoir élever une tension à partir d'un niveau de tension assez bas (0,6V), mais un Joule Thief standard a un rendement de 40 à 60% seulement. Beaucoup de convertisseurs de tension sous forme de Circuit Intégré fonctionnent à partir d'une tension de 0,9V, mais ils ont souvent un rendement compris entre 80 et 95%.

Depuis quelques années, de nouveaux convertisseurs en Circuit Intégré permettent notamment de faire de la récupération d'énergie (Energy Harvesting) en fonctionnant à partir de tensions extrêmement basses : jusqu'à 20mV. Attention, à ces niveaux de tension il n'est pas toujours possible de générer une tension et un courant suffisamment élevé pour allumer une LED. Le LTC3108-1 est par exemple capable d'élever une tension de 20mV à 2,2V, mais il gère seulement des courants d'un intensité de 3mA avec des pics possibles à 15mA. C'est très bien pour récupérer de l'énergie thermoélectrique et pour alimenter des petits capteurs par exemple, mais ce n'est pas adapté pour alimenter une LED.

Il faut aussi faire la différence entre tension minimum de démarrage et tension minimale de fonctionnement. Ainsi, certains convertisseurs peuvent nécessiter une tension en entrée de 300mV minimum pour démarrer, alors qu'une fois démarrés, il peuvent élever des tensions d'entrée de 100mV.

Les convertisseurs sont souvent disponibles uniquement sous forme de minuscules Circuits Intégrés SMD. Ces formats sont vraiment très petits et sont prévus pour être soudés sur une carte électronique par des machines. Dans certains cas, on peut les souder soi-même, mais c'est très difficile. Certains convertisseurs peuvent cependant être testés à l'aide de cartes d'évaluation. D'autres sont disponibles sur des petites cartes électroniques directement exploitables...

Pour exemple, voici un tableau recensant différents convertisseurs DC-DC aux tensions d'entrées assez basses. Ils n'ont pas été testés par supercondensateur.com et le tableau peut contenir des erreurs. Certains peuvent convenir pour certaines applications sans pour autant être adaptés à l'allumage de LED ou aux contraintes particulières des supercondensateurs. Les prix sont donnés à titre indicatif et peuvent varier avec le temps.

C. Intégré Buck
Boost
Vin Start V Vout Maxi A Efficacité Prix CI Prix Carte
NCP1402 boost 300mV 800mV 1,9 - 5V 200mA 85% 0,72 € 4,95 $
BL8530 boost 300mV 800mV 2,5 - 6V 700mA 85% - 2,71 €
SPV1050 buck
boost
75mV - 18V 180mV 2,2 - 5,3V 70mA 90% - -
bq25504 boost 80mV - 3V 330mV 2,1 - 3.3V 100mA - 5,58 € 105,52 €
bq25570 boost 100mV - 5,1V 330mV 2 - 5,5V 100mA 93% 7,49 € 105,06 €
bq25505 boost 100mV - 5,1V 330mV 2 - 5,5V 100mA 93% 6,29 € 50,55 €
TPS6120x boost 300mV - 5,5V 500mV 1,8 - 5,5V 600mA 90% 2,60 € 53,47 €
X0122 boost 400mV - 5,1V 1,5V 1,8 - 3,3 - 5,15V 100mA 90% - 29,50 $
MCP1623 boost 350mV - 5,5V 650mV 2 - 5,5V 175-425mA 96% 0,49 € -
MCP16251 boost 350mV - 5,5V 820mV 1,8 - 5.5V 175-425mA 96% 0,59 € 13,57 €
MCP1640B boost 350mV - 5,5V 650mV 2 - 5.5V 175-425mA 96% 0,61 € 11 et 13 €
LTC3105 boost 225mV - 5V 250mV 2,2V - 5V 400mA - 6,85 € -
LTC3527 boost 500mV - 5V 700mV 1,6V - 5,25V 1A 94% - -
LTC3355 buck
boost
500mV - 5V 750mV 0,75V - 5V 1A / 5A 89% - -
HT77XXA boost ??? - 6V 700mV 2.7V, 3.0V, 3.3V, 5.0V 200mA 85% - -
max757 boost 700mV 1,1V 3,3V - 5V 300mA 87% - -
QX5252 boost 0,9V - 1,5V
Abs.Max 7V
900mV 0.85V - 5,5V 3mA-300mA 85% 5,14 € 5,14 € les 10

Modules avec convertisseurs boost en Circuit Intégré

Voici des exemples de modules prêts à l'emploi intégrant des convertisseurs boost en Circuit Intégré :

Joule Thief à inductance VS module à Circuit Intégré boost

Nous avons comparé les performances du circuit Joule Thief utilisant deux transistors 2N2222 (nous appellerons ce circuit "circuit 2N2222") avec un circuit utilisant le module boost BL8530. Pour cela, nous utilisons une LED blanche fournissant un bon éclairage pour faire un effet lampe torche. La LED a les caractéristiques suivantes :

  • Intensité préconisée : 20 à 30mA (pics d'intensité de 100mA possibles)
  • Tension de fonctionnement : 3,1 à 3,5V
  • Luminosité : 33000 mcd
  • Angle d'éclairage : 15°

Avec le circuit 2N2222 branché à une pile AAA 1,5V, nous avons mesuré 11mA d'intensité. En branchant un supercondensateur 10 Farads chargé à 2,3V, voici ce nous obtenons :

  • Jusqu'à 4 minutes et 1 Volt de tension : bon éclairage
  • De 4 minutes à 9 minutes et avec une tension descendant jusqu'à 900mV : éclairage moyen à mauvais
  • De 9 minutes à 15 minutes et avec une tension descendant jusqu'à 730mV : éclairage très mauvais
  • Au bout de 15 minutes et avec une tension de 730mV, la LED ne s'éclaire plus

Nous avons ensuite adapté le circuit avec le module boost BL8530 pour obtenir un éclairage identique à celui du circuit 2N2222 avec une pile AAA 1,5V. Nous avons donc mis une résistance de 170 ohm (avec une résistance de 100 ohm, le circuit boost permet un éclairage bien plus puissant, mais consomme plus).

En branchant un supercondensateur 10 Farads chargé à 2.3V, voici ce nous obtenons :

  • Au bout de 4 minutes, la tension tombe à 1V
  • Jusqu'à 4 minutes 30 et 750mV de tension : bon éclairage
  • De 4 minutes 30 à 7 minutes et une tension descendant jusqu'à 500mV : éclairage moyen
  • De 7 minutes à 9 minutes et une tension descendant jusqu'à 130mV : éclairage très mauvais
  • Au bout de 9 minutes et avec une tension de 130mV, la LED ne s'éclaire plus

Conclusion :
Le Circuit Intégré donne une tension plus stable sur une plus longue durée, alors que l'intensité diminue plus graduellement avec le circuit 2N2222. Lorsque la tension d'entrée devient assez basse, le circuit boost BL8530 arrive mieux à élever la tension, ce qui permet d'avoir un meilleur éclairage avec la LED, mais du coup il y a une consommation plus importante de courant et donc la LED s'éteint complètement plus rapidement.

Le circuit Boost permet en plus un fonctionnement jusqu'à une tension très basse, même si à 140mV la luminosité est quasiment nulle... En faisant des tests, on constate que le module boost BL8530 peut démarrer à partir d'une tension de 550mV et est toujours en fonctionnement (non optimal) jusqu'à une tension de 130mV, ce qui est assez appréciable...

Quelques images du test du circuit boost BL8530 :

circuit boost bl8530
test boost supercondensateur
test boost supercondensateur noir

Voici une synthèse de nos deux derniers articles qui présente un circuit permettant de recharger un supercondensateur et d'allumer une LED :
une lampe torche à supercondensateur DIY.

lampe supercondensateur

Lampe torche à supercondensateur avec recharge micro-USB

2 commentaires

Pedro 20 avril 2015 à 17:15

Merci pour ces articles qui font une bonne synthèse, ça fait un moment que je m'intéresse au sujet des supercondensateurs mais n'ayant aucune base en électronique j'avais du mal à tout mettre bout à bout. J'attends avec impatience le prochain article et pourquoi pas un complément permettant de substituer la source USB à une source solaire, je rêve de remplacer les piles de ces foutues bornes de jardin solaires qui peinent à durer plus d'un an :)

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