[ BAES-USB : Petit éclairage de secours automatique ]

02/04/2017

[ Montage niveau débutant ]

S'il est bien quelque chose de désagréable, c'est de se retrouver brutalement dans le noir complet. Que ce soit une panne secteur ou un problème électrique (qui a encore tout fait disjoncter ?) il n'est pas toujours facile de trouver un moyen d'éclairage à tâtons.

Voici un petit montage stupidement simple, mais ultra pratique : une lampe de secours qui s'allume automatiquement en cas de coupure de courant.

BAES-USB ? Késako ?

Quoi qu'est-ce donc ? BAES est le terme technique pour les éclairages de secours : Bloc Autonome d'Eclairage de Sécurité. Et USB... bah pour prise USB (Universal Serial Bus), oui oui, comme sur les ordinateurs.

Ce petit montage s'alimente en permanence sur n'importe quel port USB, et s'allume dès qu'il perd son alimentation. Il reste donc éteint en temps normal. Son autonomie est certes relativement limitée et sa puissance lumineuse assez faible, mais le but est d'avoir une petite source qui permette de se repérer et de se déplacer dans le noir afin de trouver une vraie lumière de secours.

L'idée derrière l'utilisation du port USB comme moyen d'alimentation est tout simplement de se servir des appareils -de plus en plus nombreux- branchés en permanence et comportant une prise USB, tels les décodeurs TNT ou satellite, les modems câble ou ADSL, etc. Ainsi, pas besoin de concevoir un circuit d'alimentation complexe qui doit se brancher sur le secteur. Il est également possible de se servir de petits blocs d'alimentations ("chargeurs" USB. Au passage, évitez d'employer des chargeurs à pas cher, y compris pour votre téléphone : beaucoup se révèlent extrêmement dangereux car mal conçus au niveau de l'isolation du secteur).

Une particularité de ce montage est qu'il ne fait pas appel à des batteries rechargeables, mais utilise plutôt des supercondensateurs (ou condensateur de sauvegarde de mémoire / backup). Ce qui permet d'avoir virtuellement un nombre de recharges infinies, en plus de simplifier énormément le circuit de gestion de la charge.
L'autre point intéressant est la consommation du montage qui est pour ainsi dire négligeable une fois le supercondensateur chargé (en moins de deux minutes).

Donc si le montage est extrêmement simple, il requiert tout de même l'utilisation de ce composant particulier, mais "relativement" facile à trouver ou à récupérer. Il existe plusieurs genres de super condensateurs. Ici, nous intéressent les super condensateurs compacts servant de réserve de courant pour les appareils intégrant une horloge ou des mémoires, tels les magnétoscopes, chaînes hi-fi, radio-réveil, tuner à mémoires, etc.

S'ils ont une capacitance impressionnante (souvent de 10mF à 5F, oui, Farads !) les autres caractéristiques le sont moins : tension de service assez basse, résistance série "énorme" (50 à 300Ω pour les plus courants). Mais tout ceci ne nous dérange absolument pas pour notre usage. Signalons aussi que comme tous composants "chimiques", ils ont tendance à vieillir au bout de plusieurs dizaines d'années selon leur qualité de construction et leur emploi.

Dans le cadre de ce montage, l'autonomie de la lampe dépendra de plusieurs paramètres, à savoir :

BAES sur USB - Lampe de secours à LED et supercondensateur

la capacité des condensateurs utilisés (possibilité d'en mettre plusieurs en parallèle)
le courant traversant la LED. Plus elle sera lumineuse, plus il faudra de courant, ce qui se traduira par moins d'autonomie.
la luminosité et l'efficacité de la LED. Meilleur sera le rendement de la LED, moindre sera le courant pour une même luminosité.
les pertes de tension dans les circuits (transistor et diode)
La tension nécessaire à l'allumage de la LED. Ce qui veut dire qu'en dessous de ce seuil, la charge restante du condensateur ne sert plus à rien.

En pratique, et à titre d'exemple : avec les composants que j'avais sous la main (100% récupération) ma version à 4 condensateurs de 47 mF, soit 188 milli farads, permet un éclairage correct pendant plus de 5 bonnes minutes avec un courant d'environ 1mA dans la LED. Au delà, la LED faiblit lentement mais reste toujours visible, et ne devient plus vraiment utilisable après ~15 minutes. Elle reste allumée très faiblement jusqu'à plus de 30 minutes !

Fonctionnement

Le montage comprend deux parties distinctes : la partie charge du super condensateur, et la partie détection et commutation de l'éclairage.

La partie charge alimente de manière douce le supercondensateur C1. La diode D1 (diode Schottky) évite de renvoyer le courant du condensateur vers l'USB, ce qui en plus empêcherait de détecter la perte de l'alimentation. La résistance R1 limite le courant d'appel au démarrage, quand le condensateur est totalement déchargé et se présente alors comme un court-circuit.
Une protection sous la forme d'une diode zener de 5,1V (D3) permet de s'assurer que la tension ne dépassera jamais des valeurs destructrices pour le condensateur. Chose pouvant se produire avec des blocs / chargeurs de piètre qualité. Si vous êtes sûr que votre alimentation USB ne délivre pas plus de 5V, vous pouvez omettre cette diode zener.

La partie détection et allumage s'appuie sur un transistor PNP tout bête. Comme c'est un transistor PNP, seul un courant sortant de la base permettra de le rendre passant. L'idée ici est de se servir de l'alimentation de la prise USB pour forcer une tension positive à la base du transistor en passant par R2, afin qu'il ne devienne pas passant. R3 est vue comme une simple charge sur le +5V de l'USB et n'intervient pas. Par contre, en cas de coupure de l'alimentation et donc sans tension positive sur la base, la résistance R3 en série avec R2 provoquera la circulation d'un courant de la base vers le moins, mettant ainsi le transistor en état passant et à saturation. Et donc allumera la LED, en se servant du supercondensateur comme source.

Les valeurs des composants ne sont pas trop critiques, ce qui laisse un choix extrêmement large notamment pour les transistors et les diodes.
La diode D1 sera de préférence une diode schottky qui présente une tension directe (de perte donc) plus faible : 0,2V par exemple, face à une diode classique 0,6V.
La LED blanche D2 sera choisie pour son bon rendement, c'est à dire une bonne luminosité pour un faible courant.
Le choix de la résistance R4 en série avec la LED détermine ce courant et l'éclairement. Choisissez entre 470Ω (éclairage plus fort mais de courte durée) et 2,2kΩ (éclairage faible mais de longue durée).

Pour augmenter l'autonomie, il est tout à fait possible de mettre plusieurs condensateurs en parallèle.
Le montage peut éventuellement se réaliser au moyen de condensateurs classiques, mais leur encombrement et leur faible capacité seront un frein à l'autonomie. Dans tous les cas la tension de service ne doit pas être en dessous de 5,1V.

Liste des composants

R1 : résistance 220Ω 1/4W (ou entre 100 et 330Ω)
R2 : résistance 47kΩ 1/4W (ou entre 10k et 100kΩ)
R3 : résistance 10kΩ 1/4W (ou entre 4,7k et 22kΩ)
R4 : résistance 1,5kΩ 1/4W (ou entre 470Ω et 2,2kΩ selon luminosité/autonomie voulue)
Q1 : à peu près n'importe quel transistor PNP. BC307, BC308, BC327, BC328, BC556, BC557, BC650, 2N2906, 2N2907, ... (Attention, certains autres transistors ont un brochage différent)
D1 : diode Schottky de préférence, genre 1N5817, 1N5818, BAT42, BAT47, ... Ou sinon au pire n'importe quelle diode : 1N4148, 1N4150, 1N4001, ...
D2 : LED blanche haut rendement, 5mm
D3 : diode zener 5,1V (BZX55C 5.1V)
C1 (C2, C3, C4) : supercondensateur de votre choix (aussi appelé condensateur de sauvegarde mémoire). Tension de service d'au moins 5,1V. Par exemple 47mF / 5,5V NEC FM0H473ZF

Réalisation

3 versions lampe de secours à LED et supercondensateur

Le montage pourra se réaliser sur un bout de plaquette d'essais à trous (perfboard, stripboard, veroboard...) ou par la fabrication selon votre méthode préférée d'un circuit imprimé. (Par exemple avec la méthode de transfert de toner).

Typons (pdf) - Lampe de secours à LED et supercondensateur

Je propose en fichier pdf plusieurs circuits imprimés réalisables selon la forme et le nombre de condensateurs que vous voudrez utiliser.
Imprimez le pdf sans mise à l'échelle et sans aucune adaptation des bords, afin que l'impression garde la bonne échelle et respecte l'implantation des composants. (Vous pouvez contrôler votre impression avec la règle en bas de page.)

Les typons à télécharger [ Fichier pdf, 223Ko ]

Prise USB intégrée - Lampe de secours à LED et supercondensateur

Le circuit imprimé intègre tout, y compris la prise USB. Mais on pourrait imaginer d'autres manières de réaliser le montage, comme par exemple avec un cordon USB coupé, ou encore avec la LED déportée au bout d'un petit fil. Tant que les connexions sont bien protégées pour ne pas faire de court-circuit, tout est possible !

Si vous réalisez un des circuits imprimés donnés ici, quelques conseils avant d'implanter les composants :

Circuits imprimés BAES sur USB - Lampe de secours à LED et supercondensateur

Découpez les deux petits morceaux sur les cotés de la prise USB avec une scie à métaux. Vaut mieux laisser un peu trop de matière au début, et limer ensuite. Essayez régulièrement d'enficher dans une prise USB femelle pour voir si ça rentre bien.

Percez les trous des composants en diamètre 0,8mm (ou 1mm).

Surépaisseur de plastique pour la prise USB

Collez un petit bout de plastique au dos de la prise USB. Ceci pour assurer un bon contact une fois insérée, car le circuit imprimé n'est pas assez épais. Un petit bout de plastique rigide d'emballage devrait faire l'affaire. Découpez-en un carré assez large, et collez-le à la super-glue en ayant frotté préalablement le dos du circuit imprimé avec du papier de verre pour que la colle adhère bien. Découpez l'excédent avec un cutter après séchage. Limez pour arrondir les bords.

Les LEDs blanches ont souvent une lentille claire qui rend le faisceau trop serré. Une solution est de poncer / limer le dôme pour qu'il diffuse la lumière. (Pensez à le faire avant de souder la LED)

Veillez à bien respectez les sens et les polarités (diodes, condensateur, transistor).

Si vous préférez un câble USB pour faire le raccordement avec le montage, vérifiez la correspondance entre les fils et les bornes de la prise. Car si les couleurs sont standardisées, certains fabricants ne respectent pas du tout ces codes.
Reliez le +5V (fil rouge) et le 0V (fil noir) au montage. Les fils de données (D+ vert et D- blanc) ne seront reliés à rien. Protégez-les pour qu'ils ne rentrent pas contact avec autre chose.

Pour finir, il faudra intégrer le montage dans un petit boîtier pour le protéger, ou bien l'enfiler dans une grosse gaine thermo-rétractable. Il est impératif de protéger le coté cuivre pour éviter tout court-circuit.

Ici, j'ai essayé de transformer une goulotte électrique par découpes et pliages afin d'accueillir le montage.

Utilisation

Branchez le montage à une prise USB, et attendez environ une minute ou deux que le supercondensateur se charge. Attention au sens d'insertion dans la prise USB.
Testez en débranchant le montage, ou en coupant le secteur de l'appareil où est il branché. La LED doit s'allumer, et rester allumée un petit bout de temps en faiblissant peu à peu.

En fonctionnement normal : branchez la lampe dans une prise USB, et oubliez-là !

Pour arrêter la lampe, laissez-là simplement se décharger seule jusqu'à extinction de la LED.

Dépannage

Si la LED ne s'allume pas du tout au premier test, vérifiez les points suivants :

Avez-vous inséré le montage dans une prise USB dans le bon sens ? (Se tromper n'a aucune incidence pour le montage ou l'alimentation)
Avez-vous laissé se charger suffisamment le condensateur ? (Au moins deux minutes, voire plus pour les grosses valeurs)
La prise USB génère bien 5V ? (Certaines batteries USB peuvent ne pas détecter le trop faible courant de cette lampe de secours, et refuser de fournir le 5V)
La LED est soudée dans le bon sens ?
La diode schottky et la diode zener sont soudées dans le bon sens ?
Mesurez au moyen d'un voltmètre la tension aux bornes des condensateurs, voir s'ils prennent bien la charge. Vous devriez mesurer environ 4,8V.