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Publié : 2 décembre 2015

Une lampe à led solaire de jardin puissante : 1 watt

Réalisez une lampe à led solaire de jardin à éclairage automatique, qui se charge par l’énergie solaire, très lumineuse et puissante, avec peu de composants, bon marché (environ 12 Euros) et durable.

Une lampe de jardin 1 watt

Cette lampe de jardin possède un électronique très simple. En effet du fait qu’elle utilise une pile lithium ion, elle n’a pas besoin de convertisseur de tension pour élever la tension de la pile qui est suffisante pour éclairer la led. En l’absence de convertisseur et donc d’oscillateur, on n’a aucune pollution électromagnétique.

Le montage

On a utilisé une ancienne lampe de jardin qui était en panne, à l’origine il y avait une pile AA de 1,5v donc la pile AA 14500 de 3,7v utilise le même boitier et on l’a mise à la place. On a enlevé le circuit électronique pour placer le notre.

Attention erreur sur mon schéma le symbole de la Led est à l’envers. Le dessin de la flèche dans l’émetteur du transistor aussi mais le transistor est à la bonne place.

LampeJardinMontageSchemaRealisation

Sur le montage on n’a pas utilisé la résistance en série avec la led car le transistor a déjà tendance à limiter tout seul le courant et le panneau est peu conducteur. Si on avait un panneau très conducteur, le courant dans le transistor serait important et nécessiterait le résistance de limitation. On peut garder la résistance par précaution, du moins tant que l’on na pas mesuré l’intensité dans la led, ou encore si on utilise un transistor à plus grand gain, ou un mosfet. Le montage final : On a vissé le panneau sur le chapeau pour avoir une inclinaison à 45 degrés. On n’a pas remis le diffuseur de lumière car on cherchait à avoir dans notre cas une lumière directive.

La valeur des composants

L’électronique a pour seul but d’éteindre la led pendant la journée. Le système est très simple : pendant la journée, le courant de fuite qui vient du pôle + traverse le panneau photovoltaïque et alimente la base du transistor qui devient conducteur. Dans notre cas nous avons mesuré la résistance du panneau qui était de l’ordre de 40 000 ohms, et malgré le grand gain du transistor il ne passait qui 40 mA dans la Led. Le courant dans la led dépend bien sûr du gain du transistor et du courant de fuite dans le panneau, ces valeurs peuvent varier. Dans notre cas pour augmenter l’éclairage nous avons rajouté une résistance de 8,2 Kilo ohms en série avec le panneau. Ainsi l’intensité dans la led passe à 100 mA. On peut encore si besoin diminuer un peu cette résistance pour aller jusqu’à une intensité de 200 mA dans la led. Ne pas aller au-delà car on sera limité par la dissipation du transistor et on risquerait alors de la griller. Il faudra également que la led 1 watt soit un peu refroidie, en soudant par exemple une languette de cuivre sur sa patte la plus grosse.

L’équilibre entre la puissance du panneau et la puissance d’éclairage

Il faut aussi maintenir un équilibre entre le courant de charge et le courant de décharge. La plupart des lampes de jardin simples, n’ont pas de système de limitation de charge et il faut absolument que tout le courant chargé pendant la journée soit déchargé la nuit, sinon si la charge s’empile jour après jour on risque la surcharge qui est fatale pour les batteries modernes, quelles soient Li-ion comme ici ou même Ni-Mh. Pour cela il faut que la puissance dépensée soit au moins la moitié de la puissance de charge. Autrement dit avec un panneau de 1 watt il faut une décharge entre un tiers de watt et un demi-watt.
Inversement selon la puissance qu’on désire il faut un panneau qui soit de deux à trois fois plus puissant que l’énergie consommée. Si on veut que la led éclaire à pleine puissance (disons 0,8 watt pour garder une marge de sécurité) il faudra un panneau de 2,5 watt.

La protection de la batterie contre la surcharge et la décharge profonde

Dans notre cas nous avons pris une batterie protégée contre les charges et décharges. La protection fonctionne par coupure mais il faut savoir que dans un système photovoltaïque la régulation se fait par shunt, autrement dit il faut que l’électricité en surcharge soit dissipée par le système sinon elle va faire chauffer exagérément le capteur et l’altérer. Si on veut garder un peu de courant de réserve, par exemple pour que la lampe éclaire après un jour nuageux, il faut diminuer la puissance d’éclairage en augmentant la valeur de la résistance (par ex 15 K ohms) et rajouter deux diodes jaunes en série branchées sur la batterie. En effet une diode jaune devient passante à une tension d’environ 2,1v et deux diodes deviennent passantes à environ 4,2 volts. Le coude entre l’état conducteur et l’état isolant n’est pas très marqué ce qui fait qu’en-dessous de 4,2v les led s’allumeront très légèrement mais elles consommeront une intensité minime de l’ordre de 5 mA ce qui n’est pas gênant.
Si on n’utilise pas une batterie protégée contre les charges et décharges, elle devra être protégée contre les surcharges par un régulateur shunt très précis et efficace, par exemple avec le circuit intégré TL431 pour ne jamais dépasser 3,6 volt (dans le cas du lithium phosphate de fer) ou 4,2 volt dans le cas du Li-ion, du moins dans le cas où la puissance consommée serait faible par rapport à la puissance produite. Il existe aussi à défaut des modules de circuits chargeurs bon marché
On trouvera un exemple de régulateur shunt sur ce site :
http://nicodemo.forumpro.fr/t19-nicoequilibreur-pack-lipo-maison-liposave
et d’autres infos ici :
http://www.astuces-pratiques.fr/electronique/regulateur-et-reference-de-tension-tl431-montages

http://www.electronique-3d.fr/TL_430-431.html

Si l’équilibre entre la charge et la décharge est bien respecté, on n’a pas besoin de batterie "protégée" ceci dit il y a un passage difficile à ce niveau au moment du solstice d’été du fait que la durée du jour est très longue et la nuit est courte, or la batterie lithium ion réagit très mal à toute surcharge donc on prend un risque important à ce niveau. Par contre on ne court aucun risque de décharge profonde avec le circuit à transistor car si la led était susceptible de décharger la batterie jusqu’à une tension de 2,5v, le transistor qui est placé en série ne devanant conducteur que vers 0,5 volt la tension de décharge ne descendra pas en dessous de 3 volt, le seuil dangereux pour la batterie étant à 2,75 volt. Par contre si on veut commander le montage avec une pile lithium ion par un transistor mosfet, il faudra rajouter en série avec la led une diode schottky montée dans le sens passant pour faire remonter le seuil minima de la led qui est à 2,5 volt vers 2,8 et dépasser ainsi le seuil de décharge dangereuse.

Le choix de la batterie

Nous avons utilisé un panneau 5v 150 mA ce qui lui donne une puissance de 0,75 watt.
Nous avons pris ici une pile de format AA . En lithium ion ce format s’appelle "14500" (14 mm diamètre et 50 mm de long) pour qu’elle puisse se monter dans le logement d’une pile classique. Cependant je conseille si possible d’utiliser de préférence une pile "18650" (18mm de diamètre et 65 mm de long) car pour le même prix (moins de 5 Euros) on aura une pile avec presque trois fois plus de capacité : 2500 mAh au lieu de 900 mAH environ. Même si on utilise pas toute sa capacité, une pile qui n’est déchargée qu’au tiers de sa capacité va avoir un cycle de charge décharge trois fois supérieur. Sachant que le nombre de cycles d’une Li-ion est limité à environ 400, ce nombre passe d’un coup à 1200 avec une pile utilisée au tiers de sa capacité, ce qui correspond à une durée de vie de 3 ans.

Mise à jour : observation des lampes 1 watt au bout de 3 ans en fin 2015

Cet article était écrit en février 2013 ; cette mise à jour est faite en décembre 2015, soit disons après presque 3 ans. Cette lampe à transistor et à pile Lithium ion protégée fonctionne toujours, on voit que la résine de la cellule commence à s’odscurcir mais elle donne tojours du courant. Par contre j’insiste sur le fait qu’il faut absolument utiliser une pile protégée, ou si ce n’est pas le cas lui rajouter une électronique de protection contre la surcharge et la décharge profonde. En effet lorsque la tension de la pile diminue, le led s’éteint et il ne passe plus de courant dans la led mais il continue de passer un peu de courant dans le capteur, ce qui peut amener à terme à la destruction de la batterie.
D’ailleurs les lampe réalisées avec une batterie Lifepo4 non protégée n’ont tenu qu’un an. Il existe des circuits de protection pour les batteries Lifepo4 mais ils sont plus difficiles à trouver et plus chers.
On peut faire maintenant des lampes solaires à supercondensateur mais au point où en est actuellement la technique on n’arriverait pas à égaler la capacité d’une batterie de 1000 mAh sauf à utiliser une combinaison de 4 supercondensateurs de 350 Fards en 2,7 volts avec 2 série et 2 parallèle soit un prix de revient d’environ 50 Euros.
Ces condensateurs ont l’avantage d’une très longue durée de vie mais sont néanmoins sensibles aux très fortes chaleurs ; il est probable que la technologie va progresser dans ce domaine.

Utiliser une batterie à longue durée de vie lithium phosphate de fer
On peut aussi utiliser une batterie LifepO4. La batterie lithium fer nécessite l’emploi d’un transistor à faible chute de tension.
En effet dans ce cas, comme la tension de cette pile est de 3,2 v, il faut utiliser pour la commutation un transistor Mosfet de façon à ne pas diminuer le voltage appliqué à la led. Il faut utiliser un mosfet à faible perte de tension (low dropout). Je viens de faire un essai concluant avec un transistor FDD8447L. D’autres types conviendraient, comme le IRLU024NPBF ou 2SK4075 d’autres sont des CMS comme le AO3401 donc leurs faibles dimensions les rendent assez difficiles à manipuler et à souder. Je n’ai pas encore essayé un mosfet plus classique qui est le BS170, je le ferai quand je l’aurai reçu. A grosseur égale, les piles 18650 LiFepo4 ont moins de capacité, environ 1200 mAH annoncés, et en pratique je n’ai pas mesuré plus de 900 mAh !
Ceci dit faire très attention aussi quand on achète des batteries Li-ion car il y a énormément de contrefaçons, commander à sun vendeur sûr, j’ai déjà reçu des batteries dont la capacité réelle était 10 fois inférieure à celle annoncée !
Attention ! Certains lecteurs me signalent après avoir fait le montage à Mosfet, que la lampe s’allume soit trop tôt quand il y a encore beaucoup de lumière, soit trop tard quand c’est vraiment noir. C’est dû à la caractéristique du transistor à effet de champ qui est la tension de déclenchement de "Gate". Si on voulait pouvoir régler il faudrait mettre un potentiomètre (par exemple 100 à 220 K sur le capteur et le point milieu qui arrive sur la Gate mais je n’ai pas essayé.)

Si on veut réutiliser un emplacement de pile "AA" il existe aussi des batteries Lifepo4 de ce format 14500, par contre leur capacité se limite à 600 mAH théoriques, je dirais en pratique pas plus de 400 mA, par conséquent on ne pourra les employer qu’avec un panneau qui ne dépasse pas 100 mA.
Le schéma est sensiblement le même que le précédent. Ici il faut mettre impérativement la résistance en série avec la led car le transistor pourrait débiter une forte intensité (il a une capacité de commutation de 20 ampères !). Avec une résistance de 4,7 ohms on a un débit de 100 mA environ.
La diode schottky
Il faut prendre une diode avec la chute de tension la plus faible possible. La 1N5817 permet de gagner très légèrement en tension, la 1N5820 est très bonne aussi (0,23v à 100 mA). Il existe aussi des modèles à montage en surface comme la B130LB-13 qui a une chute de tension de 0,25 v seulement à 100 mA.

Le choix de la led

Le rendement de la led est crucial car c’est elle qui va transformer la puissance en lumière.
Une led de puissance
Nous avons utilisé une led 1 w du vendeur
http://stores.ebay.fr/Light-Victory-Hi-Tech-Led-Store ?_trksid=p4340.l2563
Elles sont donnés pour 70 lumen à 1 watt. On peut utiliser aussi 2 diodes 0,5w en parallèle, données pour 45 lumen (soit rendement 90 lumen par watt) et vendues par le même fabricant. Les diodes led 0,5w sont légèrement supérieures en rendement. J’ai choisi finalement une led à chip Osram, (Golden dragon plus, ce sont les couleurs blanc froid qui ont le plus de rendement) ; la lumière est plus agréable et le rendement pratiquement deux fois supérieur par contre elles sont vendues sans réflecteur, mais il peut s’acheter à part ou se fabriquer. Les meilleures led d’après les tests donnés sur les forums sont les Cree XML T6 ou U2 de Cree et coûtent environ 5 Euros pièce. Elles sont très utilisées pour les lampes de poche, ceci dit ici on peut utiliser des led Cree moins puissantes et toujours à haut rendement (jusqu’à 139 lumen pour 1 watt) avec les modèles XP-G type R3, R4 ou R5 (dans l’ordre de l’importance du rendement de 120 à139 lumen par watt) ou des modèles voisins comme la XT-E R4. Après un test au luxmètre je constate que la led Osram Golden Dragon Plus a des rendements très honorables, la led Cree XP-G R5 reste quand même un peu supérieure et la dépasse de 10 pour cent environ en luminosité.

Montage de la lampe de jardin solaire avec une batterie à longue durée de vie lithium phosphate de fer LiFePO4


Montage_LampeSolaire_LiFepo4

Si on veut plus de durée de vie il faut donc utiliser une batterie LifePO4 qui accepte environ deux mille cycles de charge et décharge. D’autre part elle est peu sensible à la température et supporte jusqu’à 60 degrés (contrairement au Li-ion, dont la durée de vie est affectée par la température, à 30 degrés la durée de vie est réduite de 20%, 40% à 40 degrés, 50 % à 45 degrés. )

Les composants

Dans le cas d’utilisation d’une batterie Lithium fer, il faut réduire la valeur de la résistance en série avec la led à 4,7 ohms car la batterie a une tension plus faible : tension maxi de 3,6 volts (en pratique 3,3 volts, et la tension directe mesurée sur la Led est de 2,85 volts à l’intensité de 100 mA que nous avons choisie). Donc la résistance sert à adapter ces deux tensions très voisines.
Si le panneau est moins puissant, on prendra une valeur plus élevée, on pourrait conseiller une valeur de 8,2 ohms pur un panneau de 50 milliampères en 4 ou 4,5v.
Il est nécessaire de maintenir une résistance de 8,2 à 20 kilo-ohms en parallèle avec la cellule solaire. En effet du fait de sa forte impédance d’entrée le transistor va détecter des éclairements très faibles, même la lumière du clair de lune serait captée et ferait éteindre la lampe ! Cette résistance sert dans ce cas à régler le seuil de sensibilité de l’allumage ou de l’extinction. Plus la résistance est faible plus la lampe s’allumera tôt dans la soirée. Il ne faudrait pas descendre en dessous de la valeur que nous donnons sinon cette résistance va consommer une partie du courant produite par la cellule. Par contre on peut prendre si besoin une valeur plus importante, jusqu’à 20 kilo ohms.
Pour la led nous conseillons une led à haut rendement comme la Golden Dragon Plus ou la Cree XP-G R5. Nous avons fait un réflecteur avec un morceau de tôle mais il existe aussi des lentilles avec différentes focales.
Pour le transistor Mosfet, plusieurs modèles peuvent convenir, il faut choisir un mosfet qui a un VGS inférieur ou égal à 3 volts pour pouvoir être piloté par la tension de la pile qui peut descendre à 3 volts également.
Le luminaire
Pour éviter les problèmes de vieillissement des luminaires en plastique et aussi les problèmes d’oxydation des circuits, nous avons monté le circuit et la led dans un pot de confiture en verre hermétique, les facettes lui donnent un petit côté lanterne. Nous avons choisi de faire une entaille à la disqueuse dans le verre au niveau du pas de vis plutôt que dans la capsule, pour la passage du fil. Cela nous paraît plus esthétique.
Le panneau solaire
Le panneau est maintenu par une tôle qui le tient accroché et le fixe. L’ensemble est monté dans un photophore que nous avons acheté à Bazarland, on peut aussi le fabriquer facilement. Ce photophore est prévu pour être suspendu, on peut aussi facilement lui visser un pied.
L’idéal pour prolonger la durée de vie du panneau serait de le surmonter d’une vitre fixée par un mastic de bâtiment pour protéger la résine du panneau des UV. Il faudrait mastiquer aussi le panneau vers l’arrière sur le support en métal.
On a pris un panneau 5 volts – 150 mA pour le montage avec la batterie Li-ion. Avec la batterie LifePO4, comme la tension de la batterie est un peu plus faible, soit de 3,2 à 3,65v en fin de charge, on pourrait utiliser un panneau 4,5 volts, mais ils sont plus rares
On pourrait utiliser éventuellement un panneau en 4 volts mais on perd un peu en intensité de charge. En effet la diode schottky soustrait déjà 0,3 volt à la tension du panneau, au bout du compte on est un peu juste, ceci dit cela reste presque correct, on arrive à une intensité de 100 mA avec un panneau de 4 volts – 150 mA. Si on veut le réaliser et qu’on n’ a pas de panneau 4v sous la main, on peut mettre en série 2 panneaux de 2 volts.

Pour toute question vous pouvez faire "répondre à cet article" ; les réponses sont transmises sans apparaître sur le site sauf si vous souhaitez apporter des compléments ou remarques à faire partager.

Questions du forum

Utiliser une autre cellule solaire

Bonjour, je souhaiterais faire une lampe avec une batterie à longue durée de vie lithium phosphate de fer comme la votre juste pour éclairer une petite pièce avec une émission 40 lumen seulement. j’ai trouvé sur ebay des cellules solaires dont les caractéristiques sont les suivantes :

size : 156 mm x 156 mm

Isc : 7.60 A

Voc : 590 mV

Impp : 7.15 A

Umpp : 490mV

Power : 3.5 Watt

Eff. 14.4 %

Width front side contact : 2 mm

Width rear side contact : 4 mm

pensez-vous que ce soit possible de construire ma lampe avec les caractéristiques du panneau ? il me semble quand même qu’au niveau du voltage on est très bas. Merci.

Réponse :

Il vous faut acheter une cellule solaire 4 volts ou 5 volts ou alors 2 cellules solaires de 2 volts en série et elles doivent donner 120 à 150 mA. La cellule que vous avez vue ne fait que 0,59 volt donc il en faudrait 8 en série mais dans ce cas bien sûr ça serait trop gros et on utiliserait mal la puissance, puis ça reviendrait trop cher. Vous pouvez trouver cette cellule sur Ebay pour moins de 3 Euros pièce. Si besoin je peux vous donner les liens par mail. Au niveau montage : soudures, etc. nous organisons ponctuellement des ateliers de réparation et montage dans le Vaucluse, certains se font par échange dans le cadre de "sel". Ceux qui seraient potentiellement intéressés peuvent nous contacter par le bouton "répondre à ce message." Il faudra bien sûr penser que pour éclairer une pièce il vaut mieux dans ce cas mettre la cellule solaire à l’extérieur car elle chargera beaucoup mieux que si elle est dans une pièce, même très éclairée.

Jean-Louis Ramel

Questions du forum

Montage de la lampe de jardin solaire avec une batterie à longue Durée de vie lithium phosphate de fer LiFePO4 Bonjour Merci pour ces articles J’étudie la possibilité avec le montage avec une LiFePO4 de mettre un PIR ou un PIC + PIR pour commander l’éclairage de la LED, comment faire pour protéger la batterie contre toute surcharge puisque je peux parfois peu décharger (ou pas du tout), la batterie pendant la nuit. merci

SVP pour les questions du forum veuillez donner votre mail car nous ne publions pas systématiquement toutes les réponses. Vous trouverez sur Ebay un circuit de protection pour Lifepo4 voir ici http://www.ebay.fr/itm/Single-cell-5A-LiFePo4-Lithium-ion-phospate-Battery-In-Out-Protection-PCB-A123-/121035949017 ?pt=US_Rechargeable_Batteries&hash=item1c2e4e03d9

Ou si le lien ne marche pas lancez une recherche sur protection PCB Lifepo4.
C’est le moyen le plus simple. Si vous voulez protéger le circuit seulement contre la surcharge il vous faut utiliser un simple circuit intégré limiteur de tension réglable par ex TL 431.
Voir dans cette page au-dessus mes explications. Comme vous le verrez dans les liens si votre montage est puissant, plus de 0.5 watt il faut rajouter au TL 431 un étage ballast à transistor.

Jean-Louis Ramel Pour me contacter : jeanlouis.ramel (a) free.fr (remplacer le a par @ )

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