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Publié : 3 janvier

Remplacement de l’ampoule d’une lampe de poche plate 4,5 v par une ampoule à Led

Ce montage permet de diviser par deux la consommation de la lampe de poche et de multiplier par quatre son éclairage ! Comme il n’y a pas de circuit électronique le montage n’est pas sensible à l’humidité. En effet on peut être confronté à ce genre de situation : devoir éclairer à l’extérieur sous une pluie battante, on a donc ici un montage « tous terrains. »

Le montage est fait tout simplement d’une Led 1 watt et d’une résistance en série de 4,7 ohms ou 5,6 ohms en ¼ de watt. Avec cette résistance on a un débit de 200 mA sous 4 volts ce qui signifie dans la led une puissance de 3,5x 0,2 A soit 0,7 watt.

Intensités mesurées avec la led à différentes tensions de la pile :

250 à 280 mA sous 4,5 volts
200 mA sous 4 volts
150 mA sous 3,5 volts
Intensité mesurée avec l’ampoule d’origine :
L’intensité mesurée sous 4 volts est de 450 mA. L’ampoule est donnée pour : 3,5 v – 500 mA. En effet sur les lampes de poche à pile plate, la pile donne environ 4 volts ce qui en comptant une légère chute dû à la résistance interne de la pile, et en comptant que le rendement de l’ampoule augmente si on la « survolte » légèrement, amène au choix de cette tension.

Comparatif des résultats. L’éclairage de la Led est plus large, plus blanc, mieux réparti.

ComparatifLuminosite

Détermination de la meilleure intensité

On pourra regretter qu’il n’y ait pas de régulateur dans ce montage avec résistance série, néanmoins ce type de lampe plate fonctionne généralement avec des piles non rechargeables, or ces piles ont une tension de fonctionnement plus stable que les rechargeables, elles donnent à 4,5 volts lorsqu’elles sont neuves, puis se stabilisent pendant presque toute leur durée de vie à 4 volts, et la tension descend progressivement en fin de durée de vie.

L’éclairage lorsque la pile est déchargée.

Avec une pile épuisée qui donne seulement 3,5 volts et avec une ampoule classique on n’a plus qu’une lueur rougeâtre alors qu’avec la led on a encore une intensité de 50 mA et une luminosité significative. L’absence de régulation offre un autre avantage : en fin de durée de vie si l’on n’a pas de pile de rechange la consommation baisse et prolonge beaucoup le fonctionnement de la pile tout en gardant une luminosité qui reste longtemps supérieure à ce que donnait l’ampoule même à plein régime. C’est un bon point pour la sécurité au cas où on aurait absolument besoin d’un éclairage de secours qui ne « lâche » pas immédiatement quand la pile se décharge.

La soudure

La led de puissance possède un petit ergot sous elle qui sert de dissipateur mais cette plaque est de dimension insuffisante, il faut qu’elle soit soudée à une autre surface pour améliorer le transfert thermique.
La soudure de cette patte large de la Led est la partie la plus difficile. Selon l’option qu’on a choisie on soudera cette patte soit à la languette à l’intérieur du boîtier soit au corps de l’ampoule.

Montage en direct dans la lampe

Remplacement_Led_1watt_Plan

C’est le montage le plus simple : il suffit de souder la patte la plus grosse (+ ) sur la languette du contact de l’ampoule (voir photo) pour que la languette fasse office de refroidisseur. L’autre côté de la Led ( - ) est soudé à la résistance, et la résistance est soudée sur la deuxième languette.
Il faut chauffer la patte avec un fer à souder puis amener le fil d’étain (petit diamètre, 1 mm par exemple) en contact avec la patte pour que l’étain la recouvre. Faire de même avec l’autre partie, ensuite on met les deux parties en contact et on chauffe à nouveau, la soudure présente sur les deux surfaces va faire un « pont » et tenir l’ensemble. Il faut un fer bien propre et opérer dans un temps très court (quelques secondes) pour ne pas surchauffer la Led.

Note sur la dissipation de puissance de la Led

La Led est refroidie d’origine par la patte qui se trouve sur son pôle +, ce qui représente une petite surface de 4mm x 5mm soit 0,2 centimètre carré.
La dissipation d’une surface de cuivre est d’environ 250 degrés par watt par centimètre carré de surface, donc pour dissiper 1 watt il faut une surface minimale de 2 centimètres carrés si on considère que la température limite est de 150 degrés. Pour utiliser comme refroidisseur par exemple une languette de pile plate qui a une largeur de 6 mm pour une puissance de 1 watt, il faudrait utiliser toute la longueur de la languette du pôle négatif soit 3 centimètres x 6 mm = 1,8 centimètre carré. Dans notre montage on utilise la languette qui assurait le contact avec l’ampoule, ce qui revient au même.
Il faut tenir compte aussi de ce calcul si on emploie la Led dans d’autres conditions. Il vaut mieux surdimentionner le refroidissement car le rendement diminue avec la température, ainsi que la durée de vie : à la longue une Led en surchauffe se dégrade.

Le montage de la Led dans le corps d’une ampoule

Montages_AmpouleRemplacementLampePochePlate Exemple de montage à l’intérieur d’une ampoule

Pour modifier l’ampoule : pour enlever le verre il faut tenir la partie en cuivre avec une pince d’une main, saisir l’ampoule en verre avec une pince à dénuder dans l’autre main, sans forcer et tirer, la partie en verre doit se décoller ; au pire elle peut se briser, prendre toutes les précautions (lunettes, gants, etc.) ensuite il suffit de couper les fils et nettoyer le ciment à l’intérieur en faisant tourner avec la main une mèche de 8 mm par exemple. Il est bon de bien nettoyer l’intérieur car un bon passage d’air favorisera le refroidissement.
Il existe deux types d’ampoule 3,5 volts pour pile plate 4,5 volts, l’une a un pas de vis l’autre non. A noter que l’ampoule sans pas de vis est mieux adaptée à notre réalisation car elle possède une collerette ce qui ajoute un peu à sa surface et donc améliore la dissipation de puissance.
Souder la résistance ¼ de watt sous la led en la mettant très proche. Entourer la base de la soudure d’un collant pour éviter un court circuit avec la masse de l’ampoule lors du montage.
Appuyer le fer à souder sur le fond de l’ampoule et pousser par le dessus l’ensemble led-résistance qui va descendre. Quand la led touche la base enlever le fer. Faire dépasser le béquillon de la led de la partie évidée de l’ampoule. Ensuite souder ce béquillon sur le corps de l’ampoule, c’est ce qui permettra le transfert thermique.
Cela fonctionne bien dans le cas d’une ampoule sans vis ; pour une ampoule avec vis on ne peut pas mettre beaucoup de soudure sous peine de gêner le vissage complet d’autre part il n’y a pas de vide sur le haut pour laisser une des électrodes de la led dépasser, donc la soudure est moins fiable ; à voir si on ne pourrait pas souder un fil sur la grosse électrode de la led et le souder également en haut du pas de vis, cela consoliderait la soudure.

Améliorations possibles :Régulation d’intensité de l’ampoule à Led

On peut utiliser un circuit intégré régulateur, dans ce cas prendre un circuit à faible « dropout » car la pile va donner entre 3,5 et 4,5 volts selon son niveau de charge, on voit que en fin de durée de vie la pile ne donne plus que 3,5 volts or la Led a besoin également de 3,5 volts pour donner toute sa puissance. Impossible d’utiliser un régulateur qui « mangerait » 1 volt comme les régulateurs standard. Le circuit AMC7135 pourrait convenir car il est annoncé avec un dropout de 0,12 volt ce qui est excellent, d’autre part il régule l’intensité à 350 mA ce qui correspond bien à une puissance de 1 watt mais est un peu élevé pour notre led qui accepte 300 mA maxi. On peut voir les caractéristiques du circuit ici :
http://www.micro-bridge.com/data/ADD/AMC7135.pdf
Ce circuit n’a besoin d’aucun composant extérieur pour fonctionner. Il ne fonctionne pas en commutation, donc la puissance qu’il dissipe n’est pas insignifiante, mieux vaut lui souder un petit refroidisseur : un morceau de languette d’une ancienne pile plate convient. Attention dans ce cas aussi à très bien refroidir la Led car elle va fonctionner au maximum de ses possibilités donc souder sur sa patte un morceau de cuivre, ou une languette récupérée sur une autre pile plate d’au moins 3 centimètres de long convient comme expliqué précédemment. Attention aussi dans ce type de montage on ne peut pas se permettre de brancher la pile à l’envers sinon on risque de détruire le régulateur, les boîtiers de pile plate ne sont pas souvent munis de détrompeur car les ampoules à incandescence d’origine n’ont pas de sens particulier pour le courant.
A l’essai de ce circuit je constate qu’il débite 400 ma et non 350 mA c’est vrai qu’il est donné pour une marge d’erreur de 10 pour cent, qui dans notre cas monte à 15 pour cent, du coup l’intensité est trop importante pour notre led, nous avons fait un nouveau montage avec une led 1watt qui accepte 350 mA ; (vendue sous le nom 1W High Power Warm White Led Lamp Bead 80 90 Lm) ce type de led est beaucoup plus petit ce qui fait que nous la soudons sur un clip formé d’une languette de pile qui va lui servir de refroidisseur, et celui-ci est clipsé dans le réflecteur à la place de l’ampoule. Attention certaines languettes de piles sont dans un matériau qui ne se soude pas, faire un essai avant ; on peut aussi utiliser un morceau de plaque de cuivre.
La qualité de la lumière est différente, on a une meilleure concentration au centre car la led diffuse à 180 degrés et exploite mieux le réflecteur, par contre on avait pris une led "blanc chaud" dont la qualité de lumière n’est pas très belle et tire un peu sur le jaune. Il faudrait essayer avec une led blanc froid qui aurait plus de rendement et un autre modèle, la mienne était annoncée pour 80 lumen (elle doit être à 50) ; d’autres sont annoncées à 100 lumen il faudrait voir si elles les font réellement.
Lampe de poche avec régulateur 350 mA et led 1w soudée sur un clip.

Lampe_Poche_Regulateur_350_mA_Led_Clip

Utilisation avec une pile ronde

Cette lampe se prête bien à une utilisation avec une pile Li-ion 3,6 volt de type 18650. Il faut utiliser une pile "protégée" c’est à dire contenant un circuit qui coupe son fonctionnement lorsque la tension descend en-dessous d’un certain seuil car ces piles ne tolèrent pas de décharge profonde. Avec une batterie Li-ion de 3 Ampères-heures, le temps de fonctionnement est de plus de 10 heures. On a rajouté une cosse du côté moins de la pile avec un morceau de languette bombée pour faire ressort, soudée à un fil noir (voir photo) qui ramène le contact vers la seconde languette. Une pile Li-ion type 18650 coûte environ 7 Euros ; attention sur les sites d’enchères on trouve beaucoup de contrefaçons. Une autre alternative consiste à utiliser une pile LiFePO4 appelée encore Lithium phosphate. Par rapport à la lithium ion le capacité de la 18650 sera moindre, soit 1400 mAH, et la luminosité un peu inférieure, il conviendrait de diminuer la résistance car la tension moyenne du LiFePO4 est de 3,2 volts contre 3,6 pour le Li-ion. Par contre il s’agit d’une pile vraiment écologique avec les avantages suivants : Très longue durée de vie, accepte jusqu’à 2000 cycles de décharges, ne risque pas l’explosion en cas de surcharge, et ne perd pas ses qualités avec le temps. Dans les deux cas il faut acheter un chargeur spécial pour les recharger. On en trouve actuellement chez ce vendeur au prix de environ 3 Euros pièce. http://stores.ebay.fr/Recycle-Powers-Store

Lampe de poche avec limitation par résistance et led 1w 10 mm soudée sur la languette de contact de l’ampoule.

Remplacement Li-ion

On peut aussi faire marcher cette lampe en utilisant une seule pile de 1,5 volt, ou bien 2 piles de 1,5 volt, dans ce cas il faut utiliser un circuit intégré à découpage « step-up » qui va transformer la tension de 1,5 volt ou 3 volts en 3,5 volts. Dans ce cas la résistance en série avec la led doit être supprimée.

Si le montage ne fonctionne pas ou fonctionne mal ?

Si la Led ne s’allume pas : Vérifier si le côté de la Led qui possède l’ergot va bien vers le + de la pile (languette courte) sinon changer le sens de la pile. Vérifier qu’il n’y a pas de faux contact sur l’interrupteur de la lampe.
Si la luminosité de la Led diminue rapidement : Elle pourrait être mal refroidie, ou encore la résistance est mal branchée ou absente et la Led dissipe trop de puissance, stopper très vite le courant.

Un montage de lampe de poche plate avec une led 3 watts

Si on veut plus d’éclairage on peut utiliser une led de 3 watts, nous avons utilisé ici une led assez grosse vendue par la boutique http://stores.ebay.fr/sureelectronics4 sous le nom "3W White Round COB LED SMD Light Lamp 6pcs clips 280LM" Elle appartient à la technologie COB (chip on board) qui permet de réaliser des surfaces assez larges. Nous avons utilisé un circuit convertisseur de tension nommé Solar boost DC converter 9v (voir notre article Led 10 watts.) Or ce convertisseur ne donne au maximum que 9 volts et il fallait 10 volts pour atteindre la puissance de 3 watts ; à 9 volts on n’avait qu’un watt. J’ai soudé en parallèle avec la résistance qui se trouve à côté de la led verte (c’est une led qui s’allume quand l’alimentation est en dessous de 2,7 volts) une résistance de 15Kilo Ohms. Ainsi, la tension peut monter jusqu’à 10 volts. La soudure d’une résistance sur un CMS est assez délicate, ne tentez que si vous êtes compétent pour ce travail et sûr de vous.

Le montage dans un boîtier de lampe de poche plate. Les divers éléments ont juste été collés dans le boîtier avec un pistolet à colle.

Lampe_Led_3_w

Mise à jour suivi des expériences en 2017, après... 5 ans !

Je reprends la suite de cet article qui, jusqu’ici, avait été écrit en novembre 2011. Maintenant, après plusieurs années, ces lampes que j’ai fabriquées fonctionnent toujours bien, c’est la preuve d’une qualité robuste. Pour mon modèle 3 watts j’ai fini par remplacer les 2 piles 1,5 volts par une pile lithium-ion, la durée de vie de la pile est bien meilleure.
Ce que je constate maintenant : La fabrication de led 1 watt 10 millimètres évolue peu, c’est un domaine en perte de vitesse, alors que de nouveaux modèles de led montées sur support rond apparaissent, les meilleures sont produites par Cree. Je conseille de prendre là aussi des 3 watts. Par contre elles sont plus larges, ce qui demande d’évider un peu le centre du réflecteur pour qu’elle puisse passer à l’intérieur.
L’avantage est important : plus de puissance d’éclairage, on peut aussi choisir une couleur blanc chaud, et toujours faible consommation.
Pour la qualité des piles lithium : comme je disais une majorité de piles vendues sur internet sont très en dessous des capacités annoncées, jusqu’à 10 fois moins !
Je vous conseille de tester la capacité des batteries quand vous les recevez et de déposer une réclamation en cas de problème.
J’ai trouvé un vendeur auquel j’ai commandé des batteries Trustfire 3000mAh dont les capacités sont vraiment celles annoncées. Sa boutique est sur ce lien :
http://www.ebay.fr/usr/nativsh
Cliquer ensuite sur objets en vente. Effectivement après mesure j’obtiens cette capacité de 3000mAh à quelque chose près. Elles sont vendues par quatre à 17 Euros, ou par deux à 10 Euros (prix en janvier 2017) Je ne donne pas le lien, car les liens vers les objets Ebay ne sont pas permanents, il vous suffira de lancer une recherche dans la boutique. Bien sûr ce n’est pas une publicité, je n’ai aucune commission !

Nouveau montage avec une led Cree 3 watts et ... la fameuse pile qui est une vraie 3000mAh !!

Lampe_Poche_2w_Cree

La led Cree a 2 avantages : Elle a un bien meilleur rendement que la led 1 watt, ensuite on peut aussi utiliser le réflecteur d’origine, vous voyez sur la photo qu’il a fallu quand même l’ouvrir un peu pour la laisser passer. Enfin j’ai choisi une led "blanc chaud" pour avoir le même rendu que la lampe d’origine. Le refroidisseur utilisé est vendu pour être "1 watt" mais comme il est fixé à l’arrière sur une plaque qui communique avec le boitier je pense qu’il peut dissiper jusqu’à 3 watts. La puissance dépendra de la résistance choisie. Dans mon cas j’ai mis 3,3 ohms ce qui donne presque 2 watts dans la led.
La led est vissée mais on peut aussi utiliser aussi de la colle thermique.

On peut si besoin régler à volonté la luminosité par un petit circuit.

LimiteurIntensiteLampePoche_800mA_CN5611

Si on veut une intensité fixe indépendamment de l’état de la pile on peut utiliser par exemple ce petit régulateur, qui fonctionne sans self. Comme il dissipe la puissance par élévation thermique ses capacités sont limitées en intensité mais suffisantes pour cette application.

Comment mesurer la capacité de votre batterie lithium ?

Plusieurs vendeurs proposent un testeur de capacité, sous le nom capacity discharge meter for 18650 3A 1-15v (environ 5 Euros).

Testeur_Capacite_Accu_Li-ion

Ce déchargeur testeur fonctionne très bien par contre dans celui que j’ai reçu il y avait eu une erreur sur la résistance de décharge jointe au circuit, ils avaient mis une 75 ohms au lieu de 7,5 ohms. Il faut une résistance de 5 à 12 ohms avec une puissance de 3 à 5 watts. Si vous n’en avez pas vous pouvez prendre une ampoule à incandescence 3,5 volts pour pile plate.
Par exemple avec une résistance de 5 ohms l’intensité consommée est d’environ 750 milliampères et il faudra attendre plusieurs heures pour que la batterie se décharge et que l’afficheur donne la capacité totale. Mais il ne faut pas vouloir décharger trop vite, une décharge rapide est assez néfaste et la capacité affichée pourrait être alors sensiblement inférieure.

Vous trouverez une description plus détaillée de l’appareil ici :
https://syonyk.blogspot.fr/2015/10/zb2l3-v20-zhiyu-battery-tester.html

Annexes

Températures de couleurs des Led

spectrum_Led

Températures de couleurs de différentes sources lumineuses

température °K Type de Source
1200 bougie
2800 ampoule à incandescence classique
3000 ampoule 200 watts
3200 ampoule halogène
4300 lampe xénon
5000 tube fluorescent lumière du jour
5500 éclair de flash, tube à vide
6000 lampe xénon froide
6500 lumière de jour, LED


Efficacité lumineuse

Type de Source Rendement (lumen/W) Efficacité (%)
Lampe à vapeur de sodium 180 27 %
diode LED 25 - 100 3.8 - 15%
tube fluorescent (lampe à économie) 45 - 90 6.5 - 14 %
HID Xenon 35 - 75 5.1 - 12 %
lampe halogène 16 - 24 2.3 - 3.5 %
Ampoule à incandescence classique 5 - 17.5 0.7 - 2.6 %


Notes

Calcul de refroidisseurs
http://www.giacomazzi.fr/electron/radiateur/radiateur.htm#AFaire
http://www.sonelec-musique.com/electronique_bases_radiateur_calcul.html

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Jean-Louis Ramel