Joule Thief
Élévateur de tension pour LED

Une LED ou diode électroluminescente est une diode qui se comporte... comme une diode.

Lorsque l'on applique une tension en sens inverse, aucun courant ne passe, alors que si on applique une tension dans le sens direct, si on dépasse sa tension de seuil, alors du courant la traverse, et à ce moment-là, de la lumière est émise.

Cette tension de seuil est relativement élevée, même pour le rouge qui commence aux alentours de 1.6 volt. Le blanc est le plus compliqué, car c'est une bleue avec des pigments fluorescent jaune, et on est dans la zone des 3.5 volts.

Alors forcément, avec une pile qui délivre 1.5 volt, voire moins parce qu'elle est usagée, ça ne va pas le faire. Et puis, l'infrarouge n'est pas très intéressant.

Notez aussi qu'une LED est un composant qui n'aime pas du tout les tensions élevées, car rien ne limite son courant. Et si la tension devient trop importante, alors elle finira par bêtement cramer, car son courant sera trop intense.

Pour limiter le courant, la solution la plus simple et économique est d'ajouter en série une résistance, qui aura le mauvais goût de dissiper de l'énergie sous forme de chaleur, énergie totalement perdue. Une LED arrive à convertir l'énergie électrique en lumière bien mieux que toutes les autres sources lumineuses, mais une bonne partie est quand même convertie en chaleur (il faut souvent mettre un radiateur pour limiter la température d'une LED afin d'éviter de la cramer).

La valeur de la résistance est calculée de manière à obtenir un courant spécifique, par exemple 20 mA, en fonction de la tension d'alimentation. Sous 5 V, avec une LED rouge présentant une tension directe de 1.8 V, cela implique une chute de tension de 3.2 V dans la résistance à 20 mA, on obtient une valeur de 160 Ω. On est souvent dans ces eaux-là pour la valeur de la résistance mise en série avec une LED.

En pratique, il est nettement plus malin de réaliser un circuit électronique qui délivre un courant constant plutôt qu'une tension constante, car la pile finira immanquablement par perdre sa tension nominale au fur et à mesure qu'elle se vide.

Et un courant constant signifiera un éclairement constant de la LED.

Si une LED n'aime pas les surtensions, elle est souvent capable d'accepter des pics de courant pendant une courte durée.

La datasheet de la LED comportera les valeurs maximales admissibles au-dessus desquelles la fonctionnalité n'est plus garantie, par exemple :

Ici, on constate que la LED ne fonctionnera plus au-dessus de 30 mA. Mais elle est capable d'accepter 185 mA pendant 10% de son temps ! C'est 6 fois plus de courant, et donc 6 fois plus de luminosité (au premier ordre). Mais pendant 10% du temps, et ainsi 10 fois moins car l'œil lissera la luminosité à 6/10, pas de miracle.

Cette particularité sera très utile car souvent, les élévateurs de tension fonctionnent en mode impulsionnel, et donc notre LED sera capable d'accepter des surtensions, et des surcourants, pendant des temps très brefs, sans cramer.

Il existe une tirée de variantes, mais elles ont toutes un point commun : l'utilisation d'une inductance, autrement dit une bobine de fil enroulé sur un cœur magnétique.

Que se passe-t-il quand un courant s'établit dans une inductance ?

Lorsque l'interrupteur S se ferme, la tension est appliquée au couple inductance L, résistance R (l'inductance présentera toujours une certaine résistance, même faible), et un courant s'établit. Ce courant monte progressivement car la bobine crée un champ magnétique, et il faut fournir de l'énergie qui n'arrive pas instantanément.

Plus le nombre de tours de la bobine est important, plus l'inductance, l'énergie emmagasinée dans le champ magnétique créé, sera élevée. C'est pareil si vous ajoutez une âme en ferrite dans la bobine.

Une fois le courant établi, tout se stabilise et il ne se passe plus rien de particulier, à part que vous consommez une énergie électrique importante dans le circuit, ce qui n'est pas bon du tout pour la batterie, elle se vide.

Si vous voulez couper le courant, ça ne sera pas facile car l'énergie emmagasinée par le champ magnétique s'y opposera ! Lors de la rupture, une tension opposée apparait aux bornes de l'inductance, et elle sera d'autant plus élevée que la coupure sera franche.

Comme cette tension peut être élevée, elle pourrait détériorer les composants électroniques connectés à la bobine, à commencer par l'interrupteur, aussi est-il recommandé d'ajouter une diode (de protection ou encore de roue libre) qui évacuera le courant et limitera la surtension.

Dans le cas qui nous intéresse, c'est justement ce qui va permettre "d'allumer" notre diode. En utilisant une LED.

Un circuit simple permet de mettre en œuvre cette technique en utilisant un MOSFET comme interrupteur :

Il faudra que le MOSFET soit capable de conduire un courant intense, et surtout de bien couper le courant en appliquant un signal adéquat sur sa grille.

Il faudra aussi un temps aussi court que possible lorsque le courant est établi pour limiter la consommation électrique.

Accessoirement, c'est le même effet qui est utilisé dans nos moteurs à explosion, au bémol près que l'on ajoute un second bobinage avec beaucoup de tours pour que la tension générée soit bien plus importante.

Dans le temps, c'était un rupteur (= vis platinées) qui effectuait la rupture du courant, maintenant on utilise de l'électronique, comme pour le circuit à MOSFET. Le rupteur s'encrassait car il se produisait des étincelles à son niveau... Sans parler de la tête de distribution (Delco), pénible à entretenir. Un capteur de position est nettement plus fiable.

Si on veut obtenir plus d'un seul flash, il faudra répéter l'opération régulièrement, suffisamment vite pour que notre œil ne perçoive pas de clignotement, plus d'une centaine de fois par seconde par exemple.

Le circuit Joule Thief est astucieux car il utilise le même transistor pour effectuer la rupture du courant, mais également l'oscillation.

Comme le circuit fonctionne, c'est que la tension sur la LED a atteint au moins environ 4 volts (avec une LED blanche), et ce avec une simple pile bâton 1.5 V, incapable d'allumer la LED. D'ailleurs, il ne faut pas alimenter le circuit avec une tension plus élevée sinon la LED va bêtement s'allumer...

Pour que l'oscillation se produise, il faut fabriquer une bobine avec deux enroulements –qui ne seront pas bobinés dans le même sens (sinon ça ne marchera pas).

Le cycle se déroule ainsi :

• Du courant traverse la résistance et l'enroulement "40 tours", ce qui rend le transistor conducteur.
• Le transistor commence à conduire, du courant traverse l'enroulement "60 tours" et produit un flux magnétique qui augmente le courant traversant l'enroulement "40 tours" (c'est une contre-réaction positive).
• Le courant de base augmentant, le transistor conduit encore plus de courant, jusqu'à la saturation du flux magnétique.
• Lorsque le flux magnétique sature, la contre-réaction positive n'agit plus, et le transistor conduit moins de courant dans l'enroulement "60 tours". Cette réduction de courant est la "coupure" dont on parlait plus tôt.
• Cette "coupure" qui provoque une réduction de flux magnétique, provoque également une tension opposée dans l'enroulement "40 tours", ce qui réduit encore le courant de base, et donc le courant dans le collecteur et donc l'enroulement "60 tours", ce qui finit par couper complètement la conduction du transistor.
• La coupure du courant dans l'enroulement "60 tours" provoque également la production d'une haute tension de polarité opposée sur cet enroulement, qui est "absorbé" par la LED, qui se met à conduire et émettre de la lumière.
• Le courant commence alors à retraverser la résistance et l'enroulement "40 tours", le cycle recommence...

L'ordre de grandeur de l'oscillation est de 200 kHz. À 85 mA de courant fourni par la pile, c'est comme si la LED était alimentée par une tension continue vers 10-15 mA (oui, le rendement n'est pas extraordinaire).

Avant de parler des améliorations, vous serez peut-être intéressé par les variantes de ce circuit, pas toujours très malignes. Colin Mitchell décrit tout cela par le menu dans sa page LED TORCH CIRCUITS also called Joule Thief.

Sans changement de luminosité, le courant passe de 85 à 28 mA, 300% d'amélioration du rendement ! En fait, la fréquence est passée de 200 à 500 kHz. Vous ne verrez pas souvent cette amélioration dans les circuits proposés.

De temps en temps, le bobinage est fait sur un tore, comme cela arrive parfois pour certains transformateurs où l'efficacité est de mise :

L'avantage recherché est que le champ magnétique "n'est pas perdu aux deux bouts", ce qui permettrait d'améliorer l'efficacité de l'inductance.

Sauf que dans le cas présent, on est tellement loin de la saturation magnétique du cœur et les flux magnétiques sont tellement faibles que c'est parfaitement inutile. Mais c'est plus joli.

Comme le bobinage n'est pas critique, on peut même le réaliser en circuit imprimé, cela fait un composant de moins à approvisionner !

Une petite ampoule néon, requiert au moins 90 volts continus de tension de déclenchement (un peu moins en alternatif) pour s'allumer.

Il faudra augmenter le nombre de tours de la bobine pour atteindre ces valeurs, genre 80 à 90 tours pour 5 de l'autre côté, mais c'est faisable Hacking the "I can solder" pin with a fancy steampunkish neon bulb lamp and a high voltage joule thief, ainsi que Neon Flasher

Il est possible de ralentir la fréquence d'oscillation au point de réaliser un clignoteur, un flash lumineux périodique lent.

L'astuce consiste à ajouter une capacité importante en parallèle avec la résistance, ce qui forcera la tension à monter doucement. Deux fois 30 tours de 20 mm de diamètre sans ferrite, dans l'air. Fils de 0.25 mm. Faites vos propres expérimentations !

L'utilisation d'un double enroulement n'est pas économique car c'est un composant pas si évident à réaliser. Aussi des solutions utilisant une seule inductance simple sont également proposées, et il a fallu utiliser au moins deux transistors pour réaliser l'oscillateur. En voici deux exemples :

Le second circuit offre l'avantage d'utiliser une inductance courante.

Les Chinois ont évidemment produit des circuits spécialisés pour réaliser la même fonction, forts utiles pour ces lampes de jardin solaire qui brille la nuit.

Non seulement cela charge une petite batterie avec un panneau solaire, mais comme le panneau détecte le jour et la nuit, l'allumage ne se fait que lorsque la lumière disparait.

Comme les Chinois cherchent le moindre centime à gratter, une inductance simple est utilisée, et ils ont développé des circuits spécialisés vraiment pas chers comme le QX5252F et le YX8018.

Si vous voulez savoir comment ça marche à l'intérieur, Analog Devices a fait le boulot pour vous dans sa page Activity: DC-DC Converters I - ADALM1000 / Gated Oscillator Integrated Circuit. Ils vous diront même comment employer ce circuit pour faire des élévateurs de tension DC-DC...