L’éclairage des lego 2/4

Voici un article en 4 parties sur l’éclairage de nos petites briques. La 1e partie montre les différentes possibilités de ce qui existe sur le marché. Les 2e et 3e parties développeront la théorie et la pratique pour tous ceux qui ont l’âme d’un bricoleur pour réaliser des éclairages à moindre coût.

La dernière partie fait une synthèse des pièces utilisées.

2e partie : L’éclairage fait maison / la théorie

Lexique

  • LED/DEL : (light-emitting diode/diode électroluminescente) composant électronique et optique, qui en étant traversé par du courant électrique, émet une lumière d’une intensité diffuse.
  • Diode : composant électronique, dipôle non-linéaire et polarisé (ou non-symétrique)
  • RGB : Red/Green/Blue (Rouge/Vert/Bleu) standard pour le mélange des couleur en vidéo. Ainsi pour avoir un éclairage à couleur variable, avec ces 3 couleurs, on peut tout réaliser.
  • USB (Universal Serial Bus – bus universel en série) : norme informatique utilisé entre autre pour les clés et disque de sauvegarde
  • Montage série : montage ou les éléments (résistances, led ou/ou ampoules) sont monté l’un à la suite de l’autre
  • Montage parallèle : montage ou les éléments (résistances, led ou/ou ampoules) sont montés en parallèle l’un par rapport à l’autre

Notion de base de l’électricité

Nous n’allons pas détailler ici ce qu’est l’électricité, juste rappeler quelque notion. Pour plus de précision, voici quelques liens :

Les notions importantes en électricité :

  • L’électricité circule uniquement dans un circuit fermé. Si le circuit est ouvert, l’électricité ne circule pas.
  • L’électricité est définis par2 grandeur : la tension (U) en volt (V) et le courant (i) en ampère (A)
  • On mesure la tension entre 2 bornes d’un élément (montage en parallèle)
  • La tension dépendant de l’endroit ou elle est mesurée
  • On mesure le courant dans le circuit (montage en série)
  • Le courant (assimilé au débit) est le même en tous point d’un circuit
  • Le courant peut être continu (ex : batterie de voiture, pile) ou alternatif (secteur domestique)
  • Les montages proposées ne présente pas de risque (très basse tension : 12v et moins / faible courant : 2 A maxi)

Formule à retenir : (avec P : la puissance / U : la tension / R la résistance / i le courant)

  • U = R x i
  • P = U x i
  • P = R x i²

Quelques composants électriques /électroniques

Le fil

Le fil est le conducteur par excellence.il existe différents diamètre afin d’y faire passer des courant plus ou moins important. Un fil électrique est défini par sa section (en mm²). A l’air libre, 10A par mm² est une valeur à ne pas dépasser.

Pour l’alimentation de led ou ampoule, on est sur du 20 mA, donc un fils de 0.02mm² est correct.

Ce type de fil accepte 19w (1.6A/12v) en continu avec un diamètre extérieur de 0.8 mm.

J’ai personnellement pu récupérer des anciens câbles imprimante pour port parallèle. D’une longueur de plus 1 m, ils contiennent au moins 25 fils. Si vous en voyez, n’hésitez pas !

Le ruban de cuivre

Comme le fil, le ruban de cuivre est un conducteur. Il est plus cher, mais permet de passe dans des endroits restreint (entre 2 briques par exemple), de réaliser des connecteurs de contact et il est autocollant et soudable. D’une largeur de 6 mm, il peut supporter 2A. 

La résistance

La résistance permet de réduire le courant. Son unité de valeur est l’ohm (Ω), plus la valeur est grande, moins le courant passera. Elle se monte en série avec la source lumineuse et donc réduit son intensité. Elle permet également de limité le courant pour pouvoir alimenter des LED avec une tension plus élevée. Il existe 2 principaux formats : axial et CMS. Les différences entre les formats vont être la taille et la puissance dissipée.

Le choix entre les 2 types va être dicté par la puissance à dissiper et la place disponible (une CMS tien dans un tube de plate 1×1)

Le potentiomètre

Le potentiomètre est une résistance variable. Il est utile pour ajuster l’éclairage en fonction de l’environnement. Son unité de valeur est également l’ohm (Ω). Un potentiomètre possède 3 bornes dont l’une varie en fonction des 2 autres.(Ex : sur un potentiomètre de 100 Ω, la curseur (borne 2) va varier de 0 Ω à 100 Ω par rapport à la borne 1 et inversement de 100 Ω à 0 Ω par rapport à la borne 3. Entre la borne 1 et 3, on aura toujours 100 par rapport à la borne 1)

Un potentiomètre peut être linéaire, rotatif et on peut ou non avoir besoin d’outil pour le manœuvrer.

La connectique

Alimentation principale

L’alimentation principale utilise un montage maison avec 3 pièces :

  • Connecteur jack femelle à visser (pour se raccorder à l’alimentation)
  • Une paire de fil plat type simplex (fil domestique)
  • Un support de circuit intégré (nombre de pin entre 6 et 48)

Le fil simplex permet de relier le connecteur jack au support CI. Sur le support CI, toutes les pattes males d’un côté sont soudées ensemble. Il y a donc un coté en alimentation positive (le plus(+), le fil rouge) et un coté en alimentation négative (le moins(-), le fil bleu). Ce montage permet de connecter dans ce cas 14 éléments.

Alimentation secondaire

La connectique entre les éléments peut être réalisée avec des micro-connecteurs. Ils ont minimum 2 pôles et peuvent être simples ou pré-câblés. Ils coûtent entre 2.50 et 5€ pièces.

Leurs coûts étant élevés, j’utilise une conception personnel pour les connecteurs : du fil et des barrettes de support de circuit intégré (CI). Ce système est plus flexible (longueur variable) et permet de se raccorder sur plusieurs éléments, de réaliser des rallonges…

Les pins de support CI ont un coté mâle et un coté femelle. Le fil étant soudé sur la partie centrale, les 2 coté (mâle et femelle) sont utilisable pour les raccorder.

Les micros interrupteurs

Ils permettent de déclencher à distance un mécanisme et peuvent facilement être intégré dans un montage de brique pour interagir avec le public

Bouton poussoir à pression Weltron (chez Conrad)

Outillage

  • Pince plate pour électronique : Elle peut avoir le bout plat ou rond.
  • Pince coupante pour électronique
  • Pince à dénuder
  • Scalpel ou cutter : le scalpel est plus fin et plus facile à manier et il existe plusieurs formes de lames. Le cutter peut également faire l’affaire
  • Fer à souder : une puissance de 30/40w est suffisante pour notre utilisation
  • Etain : sélectionner un diamètre entre 0.5 et 1 mm. L’étain est en général vendu sous diffèrent grammages.

Vous pouvez trouver des coffrets pour débuter l’électronique, avec les pinces et micro-tournevis. Divers niveaux de qualité existe, mais ça peut être un bon produit pour débuter sans trop investir (10€ chez conrad).

L’alimentation

L’alimentation peut avoir plusieurs sources :

  • Si la pile est unique, cela correspond aux caractéristique de cette dernière (ex pile bâton AA (R6), 1,5v / environ 2A)
  • S’il y a plusieurs piles en série, il faut additionner les tensions, le courant reste le même (ex 3 piles bâtons AA (R6), 3×1,5v=4,5v / environ 2A)
  • S’il y a plusieurs piles en parallèle, il faut additionner les courants, la tension reste la même (ex 3 piles bâtons AA (R6), 1,5v/ 3x2A= 6A)

Le boitier à pile peut donc adapter son format au besoin que l’on a.

  • USB : Le format USB est délivre une tension continu de 5v avec en courant max de 1A (5w)
  • Alimentation secteur : elle permet de délivrer une tension utilisable en se branchant sur le secteur domestique. Il existe 2 types d’alimentation secteur existe :
    • Les alimentations fixes : elles délivrent une tension un courant défini par le fabriquant. Les caractéristiques en en principe marquées sur l’alimentation.
    • Les alimentations réglables : elles délivrent une tension paramétrable (en générale de 1,5v à 12v) un courant défini par le fabriquant. Le réglage se fait à l’aide d’un potentiomètre.

La plus part des alimentations secteurs sont en courant continu. Quelqu’une sont en alternatif. Il existe de même plusieurs types de connecteur de sortie. Ces alimentations délivrent rarement plus de 50w.

  • Alimentation PC : l’alimentions de PC délivre 2 tensions principales : 5v (entre fils rouge et noir) et 12v (entre fils jaune et noir). Il existe 2 format : AT et ATX (pour plus d’information: page wikipedia.). Le format AT est autonome, alors que le format ATX demande une modification pour fonctionne (relier la borne 16 avec la 15 ou la 17è il faut mettre le borne de démarrage à la masse). Les alimentations les plus courantes délivrent 400w

La source lumineuse

Ampoule, Led ou bande de leds ?

Le choix de la source lumineuse dépende de votre besoin :

  • L’ampoule : facile à mettre en œuvre, l’ampoule ne possède pas de polarité (pas de + et de -). De même, elle ne nécessite pas une limitation de courant (résistance) pour sa protection, mais on peut lui adjoindre une résistance ou un potentiomètre pour diminuer son éclairage. Elle dégage un peu de chaleur lorsqu’elle est allumée et a une durée de vie plus faible que la led. Une micro ampoule de ce type consomme environ 20 mA (en 12v) pour 3 mm de diamètre et 6 de longueur. Son principale inconvénient est son prix : 0.71€ pièces (exemple : Micro ampoule incandescente)
  • La led : elle possède une durée de vie longue si son alimentation est stable et correctement calibrée. Elle ne dégage pas de chaleur importante et à une vitesse de commutation (allumage / extinction) plus rapide que l’ampoule (idéal pour les feux scintillant). Elle est en revanche plus complexe à mettre en œuvre : elle à une polarité (un côté + et l’autre -), demande une courant max d’alimentation à ne pas dépasser et donc nécessite l’utilisation de résistance correctement calibré.
  • La bande de leds : elle contient des leds et des résistances sur une bande sécable autocollante. Elle a l’avantage de proposer un éclairage led facile à utiliser. Chaque section (environ 1 à 5 cm) peut être coupée et alimentée séparément (en générale en 12v). les bandes de led sont caractérisée par la couleur des leds et le nombre de led par section et leurs puissances d’éclairage (lumens). Elle peuvent être mono couleur (2 fils + boitier d’alimentation) ou multicolore (4 fils (1 par couleur RGB et une masse) + un boitier de commande). Ce site explique simplement comment choisir une bande LED / un ruban LED ?

Pour un éclairage simple d’un étage de modular, la bande de led bien placé est adapté, la Led ou l’ampoule seront plus choisi pour un éclairage d’ambiance type lampe dans un passage, lampadaire ou montage spécifique.

Sur le photo ci-contre :

  • l’ampoule Luciole
  • la led simple
  • une bande de led seul
  • une bande de led non coupé

Les 2 modèles de bandes de leds sont différents : celle du haut à une résistance par led, celle du bas à une résistance pour 3 led

Utilisation des led (montage / choix résistance)

Avant de choisir une résistance adaptée, il faut avoir 5 paramètres :

  • La tension d’alimentation (j’utilise personnellement le 12v, mais le standard lego est le 9v)
  • La tension admissible par la led (UF)
  • Le courant max de la led (IF)
  • Le nombre de led utilisés sur le circuit
  • Le type de montage (série ou parallèle)

Les paramètres de la led sont disponibles sur le datasheet ou la description de cette dernière. Ex : 3.05 V et 30 mA ici.

Une fois ces paramètres sélectionnés, c’est des maths ! En voici 2 exemples :

Tension d’alimentation : 12V

UF=3.05 V

IF=20 mA

Montage Série de 3 Leds

1 led soit 3.05 V

Alimentation–tension leds :12-3.05 V=8.95 V

Il y aura donc 8.95 V sur la résistance et on souhaite 20 mA (0.02 A).

U=Ri <=> R=U/i=8.95 V/0.02=447.5Ω

Tension d’alimentation : 12V

UF=3.05 V

IF=20 mA

Montage Série de 3 Leds

3 led soit 3×3.05 V = 9.15 V

Alimentation–tension leds :12-9.15 V=2.85 V

Il y aura donc 2.85 V sur la résistance et on souhaite 20 mA (0.02 A).

U=Ri <=> R=U/i=2.85 V/0.02=142.5Ω

Plus d’information, vous pouvez consulter les 2 liens ci-dessous :

Les kits modélismes

Pour mes dioramas, j’utilise principalement 2 kits : le jeu de lumière et la temporisation. En générale, la temporisation est déclenchée par les visiteurs alors que le jeu de lumière est soit permanent, soi déclenché par la temporisation.

Le jeu de lumière

Les jeux de lumière sont de marque Tams Electronik. La base est la même pour tous les jeux, seul le programme de la puce change. Il existe 24 versions de programmes et est vendu en kit ou monté.

La temporisation

La temporisation est une carte électronique qui fait basculer un relais pour une durée défini. Cette durée est réglable de 1s à 1h. Le relais de sortie supporte 5A.

La temporisation est déclenché par l’appui dur un interrupteur (qui envoie une masse). Il peut être arrêté par un autre interrupteur.

J’ai ajouté un fil à la sortie de l’interrupteur d’activation pour permettre l’utilisation d’un interrupteur déporté.

Sur la photo de gauche, on peut voir :

  • en bas à gauche, les 2 pins pour l’alimentation (+ et -)
  • à droite après le relais (boitier bleu) les 3 pins de sortie du relais avec la commun en A, le normalement fermé en B et le normalement ouvert en C

Les positions normalement ouverte et normalement fermé s’entendent relais non activée. Lorsqu’on active le relais, la liaison se fait entre A et C et s’ouvre entre A et B.

Pour en savoir plus :

Un document très bien fait, dommage, il y a beaucoup de pub :Lien

Un autre lien bien documenté : lien


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