Travaux pratiques : utiliser des rubans LED, 1re partie – Créer un éclairage résidentiel sous placard

Note de l'éditeur : l'éclairage LED est un projet DIY idéal. Il est à la fois amusant, satisfaisant et enrichissant. La première partie de cette série en deux parties explique comment implémenter un éclairage sous un placard. La 2e partie expliquera comment remplacer l'éclairage du four à micro-ondes pour l'adapter à la température de couleur.

Les LED remplacent les éclairages incandescents et fluorescents dans diverses applications existantes, mais les options d'éclairage sous placard sont très peu nombreuses. Cependant, pour les bricoleurs, les LED à montage en surface (CMS), fournies pré-soudées sur de longs bandeaux ou rubans, sont idéales pour créer des applications d'éclairage personnalisées, car elles sont compactes, légères et consomment relativement peu d'énergie.

Les bandeaux LED présentent également d'autres avantages. Ils sont faciles à utiliser, car ils se découpent facilement avec une paire de ciseaux tranchants, et ils sont équipés d'un adhésif pré-appliqué qui permet de les coller presque partout. En outre, les LED fonctionnent avec une alimentation de 12 V, ce qui permet de les utiliser en toute sécurité.

Cet article décrit un projet concret visant à créer un éclairage sous un placard dans une cuisine résidentielle à l'aide d'un ruban LED de 5 mètres, d'un gradateur télécommandé RF, de connecteurs basse tension et d'une alimentation à découpage de 12 V. Le système d'éclairage compact qui en résulte permet de créer un comptoir éclairé à la fois pratique (optimisant le niveau d'éclairage d'un lieu de travail quotidien) et esthétique.

« Chéri, est-ce que tu peux…? », l'origine de nombreux projets makers

Comme pour beaucoup de projets makers, ce projet a débuté par la demande de l'épouse du maker concerné. L'éclairage sous placard conçu pour une résidence précédente manquait cruellement au domicile actuel. Le comptoir de la cuisine avait besoin de plus de lumière. Le projet précédent, conçu il y a plus de dix ans, avait nécessité l'utilisation de bandeaux LED encapsulés individuels de 30 cm, sur lesquels les LED étaient espacées d'environ 2,5 cm.

Un contrôleur d'éclairage personnalisé utilisait une carte de commande moteur PCM basée sur un microcontrôleur économique avec un code spécial écrit par un entrepreneur pour 90 dollars et un module d'alimentation pour ordinateur portable fournissant l'alimentation 12 V requise. Le câblage de ce système antérieur était excessivement surdimensionné, avec des câbles et des connecteurs capables de supporter dix fois plus de courant que nécessaire.

C'est fou ce que les choses changent en dix ans.

Tout d'abord, de nombreux fournisseurs proposent désormais des éclairages LED sous placard prêts à l'emploi dans diverses formes. Une analyse des éclairages en question a permis de les classer en deux catégories :

• Les systèmes d'éclairage LED sous placard peu coûteux qui sont vendus dans les grands magasins de bricolage. Ils comprennent trop peu de LED pour fournir un éclairage intense et homogène, et manquent de commandes de gradation adéquates.
• Les beaux luminaires vendus dans des magasins d'éclairage spécialisés qui coûtent plusieurs centaines de dollars.

Pour un ingénieur ou un maker, le manque d'alternatives à un prix décent pour l'éclairage sous placard fait de ce projet un projet de maker DIY idéal et un défi opportun.

Point de départ : les LED

L'avènement des LED à montage en surface a considérablement élargi les possibilités pour les applications d'éclairage. Le lancement de bandeaux et de rubans LED, comme le ruban flexible ZFS-155000-CW de JKL Components, fourni sous forme de ruban de cinq mètres sur une bobine (Figure 1), constitue un développement très intéressant. Le ruban mesure 15 mm de large et comprend 1 200 LED installées.

Figure 1 : Les rubans LED à montage en surface, comme ce ruban à double rangée de LED ZFS-155000-CW de JKL Components, facilitent la conception d'un éclairage personnalisé sous un placard. (Source de l'image : JKL Components)

Ces rubans LED continus intègrent une double rangée de LED et de résistances à montage en surface, de sorte qu'une simple alimentation de 12 V suffit à les allumer. La double rangée de LED du ruban présenté ici produit deux fois plus de lumière que les rubans LED à une seule rangée. Les rubans sont fabriqués à partir de bandeaux LED flexibles individuels soudés ensemble pour former un long ruban. Ils sont également très minces, ce qui permet des installations compactes et presque invisibles sous les placards.

L'une des caractéristiques remarquables de ces rubans est la possibilité de les couper à la longueur souhaitée avec une simple paire de ciseaux. Des marques de découpe sont imprimées le long du ruban à des intervalles de 25 mm. Vous avez ainsi une grande flexibilité quant aux dimensions des bandeaux individuels découpés dans le ruban plus long. Le projet d'éclairage sous placard présenté dans cet article utilise des bandeaux de 90 cm découpés dans la bobine, qui contient suffisamment de ruban pour découper cinq bandeaux. La totalité du ruban de cinq mètres consomme 4,3 A. Chaque bandeau de 90 cm nécessite donc environ 774 mA. Disons 1 A pour avoir de la marge.

Les bandeaux LED sont en fait des cartes à circuit imprimé flexibles. Le courant fourni par l'alimentation de 12 V alimente toute la longueur des bandeaux LED CMS en suivant les pistes du circuit. La découpe des bandeaux laisse apparaître des plots en cuivre à chaque extrémité pour brancher des fils. Les plots en cuivre sont facilement soudables, mais veillez à bien les nettoyer avant de les souder.

Grâce aux plots à chaque extrémité, il est facile de raccorder les bandeaux l'un à l'autre à l'aide de deux fils courts. Cette fonctionnalité a été exploitée dans le cadre du projet pour simplifier le câblage.

Les nombreux avantages du substrat en aluminium

L'adhésif appliqué sur le dessous du bandeau LED permet de le fixer directement en dessous du placard. Cependant, cette technique présente de nombreux inconvénients :

• Il est difficile de remplacer un bandeau collé directement sous les placards si l'éclairage baisse en raison de la défaillance d'une LED.
• Les placards en bois et en plastique ne dissipent pas la chaleur des LED si le bandeau y est collé directement.
• Les espaces entre les placards représentent des endroits où le bandeau LED n'a aucun support.

L'utilisation d'une barre en aluminium comme substrat pour les bandeaux LED individuels permet de résoudre ces trois problèmes. Dans ce projet, cinq barres de 90 cm x 3 cm (d'une épaisseur d'environ 3 mm) servent de substrats pour les bandeaux LED. Étant donné que le dessous des bandeaux LED est principalement isolé par l'adhésif, une couche isolante constituée d'un ruban de polyimide orange d'une largeur de 2,5 cm (comme le 1205 de 3M) est appliquée sur l'aluminium. Cela sert d'isolement supplémentaire pour éliminer toute possibilité de court-circuit et faciliter le retrait du ruban LED de l'aluminium si un remplacement est nécessaire.

Le montage des barres en aluminium demande également un peu de réflexion. La solution la plus simple consiste à percer des trous de fixation dans les barres en aluminium. Cependant, plusieurs trous sont nécessaires pour éviter l'affaissement. Dans le cadre de ce projet, nous utilisons des extrusions d'aluminium, avec une section transversale en « Z » peu profonde servant d'attache pour les barres en aluminium. Ces extrusions sont vendues dans les magasins de travaux artistiques en tant que crochets de fixation résistants pour les cadres, et fonctionnent très bien dans cette application.

Choisir la source d'alimentation et la méthode de gradation

Une fois les LED sélectionnées, l'étape suivante consiste à choisir une source d'alimentation. La bobine de LED entière consomme un peu moins de 5 A. Une petite alimentation à découpage comme le dispositif LS75-12 de TDK-Lambda (12 V et 75 W) est donc largement suffisante pour répondre aux besoins de ce projet. Le rendement élevé de l'alimentation à découpage signifie qu'elle ne générera pas beaucoup de chaleur. Cela est important, car l'alimentation sera montée à l'intérieur d'un placard situé au-dessus du four à micro-ondes de la cuisine, et branchée sur la même prise de courant CA.

L'alimentation à découpage fournit une puissance fiable de 12 V, mais n'a aucune capacité de gradation. Dans un précédent projet d'éclairage sous placard, il y a dix ans, la gradation avait nécessité une conception personnalisée. Les choses ne sont plus aussi complexes. Il existe maintenant des modules de gradation télécommandés prêts à l'emploi et peu coûteux pour les applications de 12 V.

Prenons l'exemple de la télécommande LED sans fil ZCTR-08 de JKL Components (Figure 2). Cet ensemble en deux parties comprend un contrôleur PWM en ligne compact placé entre l'alimentation et les LED, ainsi qu'un petit module de commande RF portable doté de boutons de commande marche/arrêt et de gradation.

Figure 2 : Le ZCTR-08 est une télécommande LED RF spécialement conçue pour la gradation des systèmes d'éclairage LED de 12 V. (Source de l'image : JKL Components)

Étant donné que la télécommande utilise la technologie RF au lieu de la communication infrarouge, aucune visibilité directe n'est nécessaire, ce qui permet d'installer le module de gradation à l'intérieur du placard, à côté de l'alimentation.

Le câblage n'est pas si simple

Chaque configuration de cuisine étant différente, chaque système d'éclairage sous placard nécessite un plan de câblage différent. Pour ce projet, deux des bandeaux LED de 90 cm sont montés d'un côté du four à micro-ondes central et les trois autres bandeaux sont montés de l'autre côté. L'alimentation et le module de gradation sont montés au-dessus du four à micro-ondes.

Chaque bandeau consomme un peu moins de 1 A. Une branche de l'arborescence d'alimentation principale doit donc supporter près de 2 A, et l'autre doit supporter près de 3 A. Par conséquent, le plan de distribution du câblage requiert un câble plus gros pour alimenter les boîtes de jonction (une de chaque côté de l'installation). Le gros câble entre dans une boîte de jonction montée sous les placards à chaque extrémité d'un mur de la cuisine. Des câbles plus petits sortent des boîtes de jonction pour alimenter les bandeaux LED individuels de chaque côté de la cuisine.

D'un côté de l'installation, deux bandeaux LED sont montés physiquement bout-à-bout, en utilisant la fonction de câblage interne des bandeaux LED mentionnée plus haut pour passer d'un bandeau à l'autre, ce qui permet de ne pas avoir à tirer de câble supplémentaire depuis la boîte de jonction.

Pour les boîtes de jonction électriques, deux boîtiers en aluminium moulé 1590B de Hammond Manufacturing sont utilisés. Ces boîtiers sont parfaits pour ce type d'application. Ils sont petits, robustes, peu coûteux et faciles à percer et à usiner avec des outils à main. Un trou de taille moyenne percé avec un foret étagé constitue le point d'entrée du gros câble provenant de la source d'alimentation, tandis qu'un petit trou percé à une extrémité du boîtier sert de trou de sortie pour les deux plus petits câbles alimentant les bandeaux LED (Figure 3). Une barrette de connexion à l'intérieur du boîtier raccorde le gros câble d'alimentation aux deux câbles de distribution plus petits.

Figure 3 : Un boîtier moulé 1590B de Hammond Manufacturing constitue un boîtier de distribution électrique simple et facile à utiliser. La Figure illustre le boîtier en aluminium boulonné sur la face inférieure du placard de cuisine. Le gros câble est raccordé au module de gradation LED sans fil et les deux câbles plus petits alimentent deux des bandeaux LED via des connecteurs JST. (Source de l'image : Steve Leibson)

Le schéma fonctionnel de l'ensemble du système montre que l'alimentation 12 V est acheminée vers les bandeaux LED (Figure 4).

Figure 4 : Le schéma fonctionnel du système du projet d'éclairage LED illustre le schéma de câblage complet du système, de l'alimentation 12 V jusqu'aux bandeaux LED. Notez que le courant passe par le bandeau LED en haut à gauche pour alimenter un deuxième bandeau LED câblé en série. (Source de l'image : Steve Leibson)

Les câbles d'alimentation plus gros qui relient l'alimentation électrique aux boîtes de distribution mesurent environ 3 m. Pour éviter une chute de tension, un fil de haut-parleur rouge/noir de calibre 12 est utilisé. Ce n'est probablement pas nécessaire dans cette application, mais le fil était à portée de main.

Le raccordement des boîtes de jonction aux bandeaux LED constitue un choix plus complexe. Les bandeaux LED de 90 cm ont été conçus mécaniquement pour être facilement remplacés, ce qui signifie que la conception électrique doit également permettre un démontage et un remontage faciles à l'aide de connecteurs.

La plupart des connecteurs entre les deux boîtes de jonction et les bandeaux LED transportent moins de 1 A, mais les deux bandeaux LED câblés en série nécessitent presque 2 A via un seul connecteur. Ce projet nécessite des connecteurs fiables et peu coûteux, et la série RCY de JST avec un courant nominal de 3 A dépasse ces exigences. Ce projet utilise des assemblages de câbles basés sur les prises de connecteurs RCY SYR-02T, les contacts mâles SYM-001T-P0.6, les fiches de connecteurs RCY SYP-02T-1 et les contacts femelles SYF-001T-P0.6 de JST. Ces connecteurs compacts rouges apparaissent dans la Figure 3 ci-dessus. Les connecteurs RCY de JST sont fréquemment utilisés pour les connexions d'alimentation batterie basse tension dans de nombreuses applications pour les amateurs et les makers.

Des assemblages de câbles et de connecteurs précâblés fiables et peu coûteux, avec le courant nominal approprié, comme le jeu de câbles 2880 d'Adafruit, sont également fréquemment utilisés pour les connexions d'alimentation batterie basse tension dans de nombreuses applications pour les amateurs et les makers. Ils auraient parfaitement pu convenir pour ce projet.

Que la lumière soit

Il aura fallu une journée entière pour percer les trous, boulonner tous les composants en place et tout raccorder. Cependant, toute la planification ci-dessus a porté ses fruits et il n'y a pas eu beaucoup d'obstacles à surmonter. L'installation entière est compacte et presque invisible. La première pression sur le bouton marche/arrêt de la télécommande RF a immédiatement allumé les cinq bandeaux LED. Comme convenu, on peut également en contrôler l'intensité.

Figure 5 : Le système d'éclairage terminé fournit une lumière intense et uniforme. Les fixations et les fils sont à peine visibles. (Source de l'image : Steve Leibson)

Précision des plus importantes : l'épouse du maker est ravie du résultat final.

Conclusion

Comme démontré, les rubans LED constituent un moyen polyvalent permettant d'apporter beaucoup de lumière, et ce de manière très compacte et facile à mettre en œuvre. Ils sont particulièrement adaptés lorsqu'on souhaite éclairer de longues surfaces.

Le ruban LED utilisé dans la 1re partie de cette série en deux parties se présentait sous forme de bobine de 5 m dans laquelle ont été découpées cinq longueurs de 90 cm. La 2e partie expliquera comment utiliser le ruban LED restant pour remplacer l'éclairage du four à micro-ondes de manière à ce qu'il s'adapte à la température de couleur des LED sous les placards.