Histoire d'un ruban à LEDs (strip led).

Raison de cette étude

Comme on trouve des rubans à leds blanches sur internet à moins de 5€, je m'en suis procuré par curiosité, pour voir "comment ça éclaire?". J'ai pris un ruban à 3528, blanc, en 12V, 60 leds au mètre.

J'ai été surpris car un des commerçant vendait des rubans à led censés consommer 2A avec des alimentations à découpage 1A. Le pire c'est que ça fonctionne.

Comment c'est agencé?

Le ruban comporte des segments qui comprennent 3 leds en série et l'ensemble de ces segments sont en parallèle. On peut donc couper le ruban entre deux segments (tous les 5cm pour un ruban 60 leds/m).

Notez que les résistances sont marquées 750, ce qui donne comme valeur en ohms "un chiffre 7", "un chiffre 5" et "0 chiffres zéros derrière" soit 75 ohms; si elles faisait 750 ohms, il y aurait marqué 751 (le dernier chiffre indique qu'il y a 1 zéro en tout).

Une question peut se poser: pourquoi a-t-on deux résistances en série de 75 ohms et pas une de 150 ohms? Au niveau de la puissance dissipée, et avec le courant nominal de 20 mA (soit 2A pour tout le ruban, les résistances dissipent P= R . I2 = 75 . 0,02 . 0,02 = 0,03W. Les résistances sont au moins des 0,1W et on aurait pu n'en mettre qu'une. La seule justification que je peux donner est une question d'esthétique et de symétrie visuelle. J'ai aussi un ruban qui n'a qu'une seule résistance de 150 ohms.

Notez que 3528 veut dire que le chip contenant la LED fait 3,5mm sur 2,8mm. Ce n'est pas la dimension de la LED, mais celle du "boîtier".

Première mesure

En branchant un ruban sous 12V, au lieu des 2A que j'attendais, je n'ai mesuré que 1,2A. Du coup une alimentation 1A , pour peu qu'elle supporte un peu de surcharge convient. Il est possible aussi qu'une surcharge fasse baisser la tension, ce qui provoque une diminution du courant.

Le problème reste néanmoins que je n'ai que 1,2A au lieu des 2A annoncés, ce qui fait un écart non négligeable. Notez quand même que nulle part est parlé des conditions de mesure.

On peut alimenter le ruban, comme je l'ai tout d'abord fait, par une extrémité. C'est d'autant plus légitime qu'une extrémité possède un connecteur! Et c'est là que si l'on met du 12V d'un côté du ruban, on ne retrouve plus que du 10,6V à l'autre bout. La cause en est la résistance ohmique des pistes (mon ruban fait 1,5 ohm par piste). Seules les premières leds consomment plein tube. On peut d'ailleurs le voir simplement, les premières leds sont plus lumineuses que les dernières.

Il s'agit donc d'alimenter TOUT le ruban en 12V et pas seulement le début. En alimentant le ruban tous les 5cm le courant va remonter. Pour faire la mesure, on peut aussi prendre 5cm de ruban, faire la mesure et multiplier le résultat par 100 (mesure sur 5 cm, ruban de 5m). Pour cette mesure je n'atteins pas les 2A (20 mA par led), mais seulement 1,65A. Pour atteindre les 2A, il faut monter la tension à 12,6V environ. Et cela correspond exactement à 12V+5%. En précisant un peu plus, on pourrait dire: le ruban doit être alimenté en 12V +/- 5% et le courant maximal est de 2A pour le ruban dans les pires conditions (alimentation tous les 5cm et tension au maxi). Il n'y a donc pas d'arnaque, mais seulement un oubli des conditions de mesure.

Pour continuer l'étude

Il peut être intéressant de voir comment décroit la tension et le courant dans le ruban de 5m. Voici ce que j'obtiens:

Certains rubans font 10m, la décroissance sera plus rapide et on n'éclairera pas beaucoup plus. Un de mes rubans consomme 1,2A, si j'en mets deux bout à bout, j'obtiens un courant de 1,4A.

En conséquence, il vaut mieux alimenter le ruban par le milieu que par une extrémité, ou mieux alimenter des segments courts d'un mètre par exemple. Il me semble difficile de l'alimenter tous les 5cm, surtout si on a choisi un modèle étanche! Par ailleurs si on alimente des segments courts, le courant dans chaque tronçon sera faible et la résistance des pistes ne jouera plus.

Des histoires de rendement

On peut supposer que plus la tension augmente, plus le rendement va diminuer. Regardons d'abord coment évolue le courant dans une LED en fonction de la tension. La mesure ci dessous a été faite avec un tronçon de 5cm.

On peu modéliser ce tronçon en supposant que les trois LEDs voient une tension fixe de 9V à leurs bornes, et la pente est due à la résistance série (pour des courants suffisamment importants). Il y a à peu près 3V aux bornes de la résistance si on alimente sous 12V. Pour doubler le courant , il faut doubler la tension ans la résistance (passer à 6V c'est à dire 3V de plus), soit passer à 12V+3V=15V.

Mais quel courant maximal peut-on faire passer? Le ruban que j'ai eu dans les mains a été alimenté en 24V pendant 24h d'affilé sans broncher (courant multiplié par 5, puissance du tronçon multiplié par 10). Tous les composants n'étant pas égaux devant l'effort, la tension des LEDs bougeant peu, on peut supposer que les LEDs vont dissiper 5 fois plus, mais la résistance série (alimentée par 15V au lieu de 3V) va dissiper 25 fois plus.

Pour détruire le ruban, j'ai du aller jusque 26V. A ce moment une des soudure de la résistance a lâchée. Mais les composants on tenu le coup. Et il y en a pour prétendre que la qualité chinoise ne vaut rien!

A 26V d'ailleurs on voit nettement que la puissance lumineuse baisse (plus le courant augmente, moins ça éclaire). J'ai donc effectué une mesure de la puissance lumineuse émise en fonction de la tension. Comme je ne sais pas étalonner mon capteur, la courbe est normalisée: 100% pour le 12V. Voici ce que j'obtiens:

En gros plus on alimente, plus ça éclaire. Au lieu d'acheter deux rubans alimenté sous 12V, il est équivalent d'en acheter un seul et de l'alimenter sous 18V. Enfin équivalent pour la puissance lumineuse émise, car sous 18V le ruban consomme 3 fois plus. Economie sur le prix du ruban mais pas sur la facture EDF... Je n'ai pas fait les essais sur la durée de vie.

On voit surtout que l'on ne gagne plus rien pour des tensions supérieures à 18V et même que le maximum se situe pour 22V. Et si la puissance lumineuse n'augmente plus c'est à cause du rendement.

La courbe ci-dessous est normalisée (r= rendement/rendement pour 12V)

Plus le courant augmente, plus le rendement chute. Pour 8V on a doublé le rendement, mais ça n'éclaire pas (mais ça ne consomme pas non plus). Pour une histoire de consommation, il vaut mieux mettre 2 rubans sous-alimentés qu'un seul.

Conclusion sur la taille des segments

On dira quand même que le bon compromis se situe pour une tension de 12V, avec des tronçons ne dépassant pas le mètre. Mais au final on branchera bien comme on peut.

Deuxième conclusion, utilisation des dimmer

Un dimmer est un petit appareil permettant de faire varier l'éclairement d'un ruban. Pour ne pas dissiper de puissance, il découpe la tension (PWM for english people). Supposons que l'on veuille diminuer l'éclairement de 20%. Le dimmer va laisser le 12V pendant 80% du temps et couper le courant pendant 20% du temps. Comme cela se fait rapidement, l'oeil ne voit rien en ne fatigue pas. Une autre solution consisterait à mettre en série une résistance ou une diode, mais dans ce cas ce composant va chauffer et dissiper de la puissance. Du coup le rendement est plus mauvais. Ce serait vrai si le ruban avait un rendement constant, mais ce n'est pas le cas.

Reprenons notre exemple ou l'on veut baisser l'éclairement de 20%. Avec un dimmer parfait, on a 12V/16,5mA pendant 80% du temps et 0V/0mA pendant 20% du temps. La puissance absorbée par le ruban est donc de
P_avec_dimmer = 80% . 12V . 0,0165A = 0,16W
En mettant une diode en série (seuil sensiblement de 1V pour les 2A du ruban), on va avoir en permanence 11V/11,5mA, ce qui correspond au même éclairement du ruban. L'alimentation délivrera du 12V sous un courant de 11,5mA en permanence:
P_avec_diode = 12V . 0,0115A = 0,14W

En conclusion, il vaut mieux avoir un dimmer résistif, qu'un dimmer électronique.

Ruban 5050

Je ne ferais pas l'étude complète de ce ruban, mais je vais donner quelques pistes.

Le chip fait donc 5,0mm sur 5,0mm comme son nom l'indique. Chaque chip contient en fait 3 LEDs blanches (ou de couleur), et on peut remarquer facilement les 3 points lumineux si on alimente le ruban sous 8V (après on en prend plein les mirettes et on ne voit plus rien). Dans le ruban que j'ai testé, une LED de chaque chip est en série avec une seule résistance de 150 ohms. On a donc 9 LEDs par tronçon de 5cm et un montage comme ci-dessous

Pour ce qui est des caractéristiques, on retrouve sensiblement la même chose que pour un 3528, sauf que les circuits sont multipliés par 3: à tension équivalente, les courants sont triples. Ce qui va changer, c'est que le rendement est meilleur de 25%, mais qu'il va chuter plus vite car les chips ont trois fois plus de calories à évacuer, et donc chauffer plus.

Voici à titre de comparaison le flux lumineux émis par les deux rubans. Pour 12V le 5050 émet 4 fois plus de lumière que le 3528 alors que le courant n'est que le triple.

Tableaux des mesures

Dans les 5 colonnes à la une, vous avez pour les deux types de rubans:
- la tension aux bornes d'un tronçon en volts
- le courant du tronçon en milliampères
- la puissance lumineuse émise (100 pour le 3528 sous 12V)


Clins d'œil d'Olivier > Histoire d'un ruban à LEDs (strip led)
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