IUT D’EVRY SAE n°5 2023-2024
GEII 1ère Année
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Lampe de poche à LED
On se propose de réaliser une lampe de poche à LED blanche. Les avantages des LED sur les
autres dispositifs d’éclairages (ampoules à incandescence, néons, etc.) sont les suivants :
une faible consommation en courant
un rendement lumineux supérieur
une plus grande robustesse mécanique (pas d’ampoule en verre, pas de filament)
une longévité très supérieure (environ 50 000 heures).
Le cahier des charges de notre lampe de poche est le suivant :
éclairage par une LED blanche de seuil VT = 3,4V
alimentation par une pile alcaline R03 de tension de 1,5V
courant moyen dans la LED de 10 mA
autonomie de la lampe supérieure à 15h pour une pile de 1000mA.h
La « datasheet » de la LED blanche fournie l’information suivante : pour un courant de 20 mA,
la tension typique au seuil de la LED est de 3,4V. Dans un premier temps, on considéra que
cette tension est indépendante du courant traversant la LED. Elle sera modélisée par un
seuil VT = 3,4 V.
La difficulté principale est donc de parvenir à forcer la circulation d’un courant dans la LED à
partir d’une tension inférieure à sa tension de seuil. On utilise pour cela la propriété de
continuité du courant circulant dans une bobine.
I Principe de fonctionnement. Partie à réaliser individuellement.
1) Schéma de principe.
Le schéma de principe du dispositif est le suivant. Remarquez que dans ce cas précis, il n’est
pas possible de réaliser un schéma de principe compréhensible sans un minimum de détails
technologiques : interrupteur, LED et bobine
Le schéma est donc divisé en 2 parties :
- une partie « électronique de commande » qui a pour rôle de générer des signaux rectangulaires
commandant périodiquement la fermeture et l’ouverture de l’interrupteur K.
- une partie « électronique de puissance » qui a pour rôle de forcer la circulation d’un courant
dans la LED avec le meilleur rendement possible.
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2) Chronogrammes et principe de fonctionnement
L’interrupteur K est successivement fermé puis ouvert, selon une période T. On appelle T
(avec [0;1]) la durée de fermeture de l’interrupteur.
- de 0 à T, l’interrupteur K est fermé, la source de tension U est connectée à l’inductance
L. Le courant croît à partir de zéro dans l’inductance. La croissance est linéaire.
- à l’instant T, on ouvre K, le courant ne peut pas s’annuler instantanément dans
l’inductance, il doit donc circuler dans la LED.
- de T à cT, le courant décroît linéairement dans l’inductance.
Pendant toute la durée de conduction de la LED, la tension VK est constante et vaut VT
soit 3,4 car on néglige dans un premier temps la résistance dynamique de la LED.
- de cT à T, l’interrupteur K est toujours ouvert, le courant iL est nul et la tension aux
bornes de la LED est égale à U, elle est éteinte.
Complétez les courbes suivantes. Précisez les niveaux des tensions et les pentes des courants.
vg
iL
T
U = 1,5V
t
T
cT
vk
U = 1,5V
VT = 3,4V
vL
T
T
cT
T
T
cT
T
T
cT
T
T
cT
ILmax
iD
t
t
t
t
fermé
ouvert
passante
bloquée
K :
D :
bloquée
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De cT à T, aucun courant ne circule dans le circuit de puissance. Pour avoir un éclairage
suffisant, il est donc préférable d’avoir c = 1. On raccourcit donc la durée T, sans changer la
durée T.
De plus, l’interrupteur K est en pratique réalisé à l’aide d’un transistor 2n2222 fonctionnant en
commutation (c’est à dire en interrupteur commandé). Lorsqu’il est passant, la tension Vcemin à
ses bornes n’est pas nulle. On prendra Vcemin = 0,1V.
Complétez les courbes suivantes. Préciserez les niveaux des tensions et les pentes des courants.
vg
iL
T
U = 1,5V
t
T
vk
U = 1,5V
VT = 3,4V
vL
T
T
T
T
T
T
T
ILmax
iD
K :
D :
VCEmin
t
t
t
t
T
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II Electronique de puissance.
1) Schéma électrique.
2) Calculs.
a) Calcul du rapport cyclique.
Déterminez la relation entre ILmax, (U-Vcemin), L et T.
Déterminez la relation entre ILmax, (VT-U), L et (1-)T.
A l’aide des relations ci-dessus, montrez que :
minceT
TVV UV
Déterminez la valeur numérique de .
On rappelle que : VT = 3,4V U = 1,5V Vcemin = 0,1 V.
b) Calcul de ILmax.
Montrer que la valeur moyenne du courant dans la LED est égale à :
2
I
)1(i maxL
D
En déduire la valeur de ILmax nécessaire pour avoir un courant moyen dans la LED de
10mA
c) Calcul de L.
Afin de ne pas provoquer de vibrations des spires de la bobine dans le domaine audible,
tout en gardant une fréquence de commutation compatible avec le bon fonctionnement
du 2n2222, on impose une fréquence de commutation f telle que :
f [25 kHz ; 40 kHz], soit T [25 µs, 40 µs].
Choisir une valeur de T et en déduire la valeur de L.
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III Travail à réaliser sur Psim.
Dans un premier temps, la LED est modélisée par un seuil fixe égal à 3.4V.
Circuit de puissance :
1) Saisir le schéma suivant à l’aide de Psim.
- Les paramètres du signal de commande seront ceux calculés/choisis en II
- K est un transistor NPN, Model Level « Ideal », VCE(sat) = 0.1V
- L a la valeur calculée en II
- D est une LED de seuil « Forward Voltage » = 3.4V et de « Resistance » = 0.
Le « Total Time » est choisi pour visualiser 4 périodes du signal.
Le « Time Step » est choisi le plus petit possible mais la version gratuite de Psim ne
permet pas d’enregistrer plus de 6000 points de calcul. Il faut donc que :
« Time Step » > « Total Time »/6000.
2) Relevez VG et vérifiez sa conformité avec le signal souhaité.
Relevez l’allure du courant iL dans l’inductance.
Relevez l’allure du courant iD dans la LED.
Précisez, à l’aide des outils de mesures de Psim, les valeurs ILmax et <iD>.
Relevez l’allure de la puissance instantanée pD absorbée par la LED : vous tracerez le
produit iD.VK.
Déterminez <pD> à l’aide des outils de mesures.
Déterminez la puissance fournie par la pile.
En déduire le rendement du circuit de puissance.
Time Step : le plus petit possible
mais tel que Time Step ≥ 4T/6000
Total Time : 4T
T étant la période choisie en II
6
7
8
9
10
11
1
/
11
100%
