Un fil lumineux pour la sécurité ou la décoration

Idéal pour signaler la présence d’objets dans l’obscurité, ce fil électroluminescent peut également être employé comme ceinture lumineuse pour avertir les automobilistes de la présence de cyclistes ou de piétons. Avec l’époque des fêtes, il trouvera mille autres applications !


N’avez-vous jamais vu, le soir, dans la rue, quelqu’un courir à côté du trottoir et bien visible dans l’obscurité grâce à une ou plusieurs lumières de couleur à allumage intermittent ? Sans aucun doute vous êtes-vous d’abord préoccupé de l’éviter, si vous rouliez en voiture, mais ensuite, ne vous êtes-vous pas demandé quelle était cette étrange lueur rouge ou verte accompagnant cette “apparition” ? Un ensemble de LED ? Une sorte de lampe ? Probablement rien de tout cela mais un nouveau système d’éclairage artificiel basé sur un matériau électroluminescent tel que ceux mis en oeuvre depuis des années pour rétro-éclairer les afficheurs à cristaux liquides alphanumériques et graphiques (par exemple, les écrans des PC portables).
Ces systèmes trouvent différentes applications mais tous reposent sur le même principe de fonctionnement : un matériau électroluminescent à base de phosphore est soumis à un champ électrique plus ou moins intense, provenant de deux électrodes entre lesquelles le matériau est placé.
L’effet du champ électrique consiste à arracher des charges électriques, des électrons, se libérant de leur atome et investissant le matériau qui les entoure. Chaque électron frappant un atome du matériau électroluminescent libère un photon, c’est-à-dire une particule élémentaire de lumière : celle-ci produit la luminescence du matériau, du revêtement.
La couleur de la radiation émise dépend surtout des éléments composant ce revêtement fluorescent alors que l’intensité est fonction de la tension appliquée entre les électrodes et, bien sûr, de la qualité du matériau électroluminescent.
Jusqu’à très récemment, les systèmes d’éclairage de ce type n’étaient disponibles que prêts à l’emploi, sous forme de petites platines rectangulaires (comme celles insérées dans les ceintures lumineuses pour piétons et cyclistes), mais, depuis quelques mois, on peut acquérir de véritables fils électroluminescents, des câbles de quelques millimètres de diamètre disponibles en rouleaux.
Ces composants spéciaux sont d’un emploi très large et ils sont faciles à contrôler à l’aide de circuits électroniques fournissant quelque 100 V alternatif sous un courant de quelques milliampères.
Et la cerise sur le gâteau est qu’un seul petit driver peut illuminer indifféremment un fil électroluminescent de quelques dizaines de centimètres ou de quelques dizaines de mètres !



Figure 1 : Les fils électroluminescents


On trouve depuis longtemps dans le commerce des éclairages à usages particuliers : on en voit dans la signalisation des obstacles, comme ceintures pour cyclistes, piétons ou sportifs courant dans les rues la nuit, dans les illuminations de Noël et de nouvel an, pour la réalisation des enseignes et que sais-je encore.
Tous ces éclairages sont basés sur la même technique utilisée depuis des années pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides des PC portables. Il s’agit de matériaux qui, soumis à un champ électrique assez intense, émettent une radiation lumineuse dont la longueur d’onde dépend étroitement des éléments constituant le revêtement et de l’amplitude du champ électrique.
Dans le cas de cet article nous avons un câble coaxial très spécial, constitué d’une âme (fil de cuivre conducteur) revêtue d’une gaine isolante plastique dont l’extérieur est recouvert d’une couche de phosphore (soit un enduit à base de matériau électroluminescent).
A son tour cette gaine est parcourue par une double spirale de deux fils, isolés eux-mêmes de l’extérieur par une seconde gaine de plastique transparent assurant la protection et l’étanchéité finales.
Pour produire une émission de lumière, il suffit d’appliquer, entre l’âme de cuivre et les deux conducteurs en spirales, une tension assez élevée : le câble utilisé s’allume à partir d’un peu plus de 100 Vac et ne consomme que quelques milliampères.
La radiation lumineuse (rouge, jaune ou bleue) est émise de l’intérieur, c’est-à-dire par le revêtement de la gaine recouvrant l’âme de cuivre. Il est remarquable que la luminosité des fils électroluminescents est, à tensions égales, directement proportionnelle à la fréquence du courant alternatif produisant le champ électrique : en particulier, pour les fils électroluminescents rouges alimentés en 120 Vca, on n’a guère plus de 10 cd/m2 avec une fréquence de 200 Hz alors que cela monte à 51 cd/m2 en 120 Vca 2 kHz.
Dans le commerce, on trouve des fils électroluminescents de différentes couleurs qui ne se distinguent pas seulement par leur plus grande efficacité visuelle mais aussi par l’intensité de l’émission lumineuse.
On notera parmi les plus efficaces le bleu : quoiqu’il paraisse moins lumineux que les autres couleurs (parce que la courbe de réponse de l’oeil a un pic dans la zone située entre l’orangé et le vert clair), il émet une radiation lumineuse qui, à polarisation égale (même tension, même fréquence), est plus de trois fois plus intense que celle du fil rouge (170 cd/m2 à 120 Vca 2 kHz contre 52 cd/m2 pour le rouge). Mais le plus efficace est le jaune : dans les mêmes conditions de polarisation, il émet une intensité d’environ 216 cd/m2.

Note : cd = candela : n. fém. (lat. “chandelle”). Unité d’intensité lumineuse du Système international (symb. cd), équivalent à l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 Hz, et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 W par stéradian. La candela (parfois appelée bougie nouvelle) vaut 0,98 bd (bougie décimale ou internationale) et a officiellement remplacé cette dernière unité en 1961.
© Hachette Livre, 1998


La polarisation des fils lumineux

Figure 2 : La polarisation des fils lumineux.

Pour allumer un fil électroluminescent, il faut lui appliquer une tension alternative d’une amplitude comprise entre 5 et 120 Veff à une fréquence de 50 à 50 000 Hz.
Le courant consommé dépend de la fréquence utilisée. A la fréquence de 2 kHz, il atteint environ 70 μA/Veff/m de fil électroluminescent.
Un fil électroluminescent de 1 m de longueur polarisé sous 100 Vca consomme à peu près 7 mA.
Le rapport à la fréquence est aussi à peu près directement proportionnel.
Par exemple, quand on passe de 200 à 2000 Hz, la consommation de courant décuple (x 10 !)
Le tableau ci-dessus indique la consommation (par mètre de fil électroluminescent) pour diverses tensions typiques et fréquences de pilotage : prenez-le en considération pour projeter votre propre système. Le montage décrit dans cet article, de par ses caractéristiques de construction, peut allumer un fil électroluminescent d’une longueur de quelques mètres.

Notre montage
Cet article vous propose un circuit de pilotage étudié spécialement pour contrôler l’illumination du fil électroluminescent en question : c’est un élévateur de tension que l’on peut alimenter à partir de simples piles bâton.

Le fil lumineux
Avant de regarder en quoi consiste le circuit, consacrons un peu d’attention à ce nouveau produit, le fil électroluminescent : il s’agit d’une structure coaxiale constituée d’une âme de cuivre centrale revêtue d’une première gaine de PVC, à son tour recouverte d’une couche de phosphore. Par-dessus tout cela courent deux autres fils conducteurs enroulés en double spirale.
Le tout est enfermé dans une seconde gaine plastique transparente protectrice et isolante.
L’isolation électrique est extrêmement importante parce que le fil travaille presque seulement en tension : le matériau électroluminescent s’éclaire sous l’effet d’un champ électrique et donc le driver qui le pilote débite peu de courant (pas plus de quelques milliampères) et présente une résistance série élevée. Aussi, si de l’humidité mettait en contact les conducteurs en spirales et l’âme interne, cela provoquerait une chute de tension empêchant l’illumination du phosphore ou du moins en atténuant l’éclat. La gaine isolante plastique extérieure transparente permet en outre d’immerger dans l’eau le fil électroluminescent : l’unique précaution à prendre est de faire en sorte que les extrémités du fil demeurent hors de l’eau et soient protégées.
Imaginez l’effet que peut produire une telle source de lumière dans un aquarium ou la vasque d’une fontaine !

Le circuit de contrôle
Maintenant que le fil électroluminescent n’a plus de secret pour nous, élucidons les mystères du circuit capable de le polariser jusqu’à l’obtention de l’émission lumineuse.
Précisons tout d’abord que ce driver est en mesure de piloter un fil de n’importe quelle couleur (jaune, bleu ou rouge…) d’une longueur de quelques centimètres à plusieurs mètres.
Le circuit n’est autre qu’un oscillateur avec élévateur de tension, capable de produire une tension alternative de 105 V environ, à partir de seulement 3 Vcc. Il fournit un courant de quelques milliampères constituant le courant de fuite du matériau électroluminescent.
Regardons le schéma électrique (figure 3) : il est des plus simples. Il s’agit bien d’un oscillateur à transformateur à double étage (type push-pull) et avec un enroulement de rétroaction sur chaque branche.
Le transformateur (TF1) opère l’amorçage de l’oscillateur et élève la tension (le niveau des impulsions produites en oscillation) d’environ 40 fois, avant qu’elle ne soit appliquée aux électrodes du fil électroluminescent.
Jetons un coup d’oeil sur un détail : l’oscillateur est constitué de deux sections travaillant en opposition de phase, c’est-à-dire de deux transistors de commutation alimentant chacun un primaire du transformateur TF1. On voit que l’émetteur de T2 tout comme celui de T4 alimentent un enroulement allant à la masse commune (point D) alors que les bases des deux transistors reçoivent des impulsions négatives chaque fois qu’ils conduisent.
Supposons que l’on se trouve dans la situation où T2 est conducteur : nous voyons que son courant d’émetteur parcourt le primaire ED ; étant donnée la manière dont l’enroulement des secondaires est réalisé, un potentiel négatif par rapport à la masse se trouve sur le contact F ; ce potentiel, appliqué à travers le réseau R4/C3 sur la base de T2, bloque ce dernier.
Dans l’enroulement AE, plus aucun courant ne circule et, puisqu’il n’y a pas de courant dans ce primaire, il n’y a pas non plus de différence de potentiel négative induite.
Cependant les tensions induites dans les enroulements AD et AB, négatives elles aussi, déterminent l’entrée en conduction de T4, configuré exactement comme T2 : ce dernier aussi a son collecteur au “+” alimentation et son émetteur relié à l’extrémité A du transformateur TF1.
Il arrive à T4 exactement la même chose qu’à T2 : le courant fourni par l’émetteur est maintenant en mesure de produire une impulsion négative sur le contact B, appliqué à la base.
Maintenant, T4 se bloque mais cependant son action a produit du côté opposé DF et en DE deux tensions induites en mesure de faire conduire T2 à nouveau.
Tout comme on l’a vu auparavant, lorsque T4 est bloqué, la cause ayant produit l’impulsion négative cesse d’exister ; toutefois, comme pour T2, le blocage momentané a favorisé le “réveil” de T2 : par conséquent T4 est au repos et T2 commence un nouveau cycle.
L’alternance de fonctionnement des deux transistors dépend de ce que, quand l’un est saturé, le courant qu’il fait circuler dans le primaire correspondant du transformateur TF1 produit immédiatement des tensions induites du côté de l’autre transistor, tensions dont la valeur et la polarité sont en mesure de bloquer ce transistor à son tour.
Chaque transistor ne peut fonctionner qu’après que l’autre, du fait des connexions choisies, se soit bloqué.
Ceci dit, nous devons observer que l’oscillateur travaille parce qu’il est soumis à la tension d’alimentation, dès que l’interrupteur est en position “marche” : tant que c’est le cas, le secondaire à haute tension BC produit une onde rectangulaire alternative, bidirectionnelle parce que l’oscillateur push-pull permet d’induire dans l’enroulement en question des impulsions tantôt positives, tantôt négatives.
La fréquence de ce signal alternatif avoisine 1,5 kHz et son amplitude 105 Veff pour 3 Vcc d’alimentation sur les bornes d’entrée “+/– BATT” du circuit. Le courant côté basse tension, avec un fil électroluminescent de quelques mètres, monte à environ 180 mA.
Ce qui a été précisé jusqu’ici concerne l’illumination continue du fil électroluminescent. Nous devons cependant ajouter que le circuit prévoit une fonction de plus : la pulsation lumineuse.
En d’autres termes, il est possible d’intervenir sur l’oscillateur de manière à faire émettre au fil électroluminescent une lumière intermittente au rythme d’un coup par seconde. Ceci est obtenu au moyen des transistors T1 et T3, grâce au réseau R6/C2 allant à la base de T3.
Pour comprendre le fonctionnement de cet étage, regardez l’interrupteur S2 : normalement il est fermé à la masse, de telle manière que le collecteur de T4 est en court-circuit.
Dans ces conditions, le partiteur formé par les deux résistances R1/R2 de 33 kilohms garantit la polarisation de la base de T1 de façon que ce PNP conduise le courant et puisse donner à son tour la polarisation de la base indispensable au fonctionnement correct de T2 et T4. Si l’on ouvre S2, la résistance R2 du bas du partiteur de polarisation de T1 est déconnectée de la masse et reçoit un potentiel dépendant de l’état du collecteur de T3.
Comme ce dernier a sa base polarisée au moyen d’une résistance de forte valeur et d’un réseau R/C série, nous voyons que, lorsque le condensateur est déchargé et que T1 conduit, la base est positive par rapport à l’émetteur et donc T3 conduit et laisse polariser le PNP T1.
Petit à petit le condensateur électrolytique se charge et le potentiel de base de T3 s’abaisse jusqu’au blocage : son collecteur prend alors le potentiel du “+” alimentation, comme l’émetteur du PNP T1 qui se bloque.
Le potentiel positif sur son collecteur fait alors défaut et la charge emmagasinée par le condensateur électrolytique du réseau R/C se décharge à travers les résistances R3/R5 de 5,6 kilohms des bases de T2 et T4, de telle manière qu’en 1 seconde environ la base de T3 n’est plus à zéro volt et le transistor se remet à conduire, polarisant à son tour la base du PNP T1, qui se remet à fonctionner.
Ceci détermine un nouveau cycle de charge du condensateur électrolytique portant sur la base de T3 une autre séquence comme celle décrite ci-dessus : le phénomène est donc cyclique et détermine des périodes de saturation/blocage d’une seconde chacune.

Figure 3 : Schéma électrique du driver pour fil électroluminescent.

Liste des composants
R1 = 33 kΩ
R2 = 33 kΩ
R3 = 5,6 kΩ
R4 = 270 Ω
R5 = 5,6 kΩ
R6 = 27 kΩ
R7 = 470 kΩ
R8 = 270 Ω
C1 = 100 nF céramique
C2 = 2,2 μF 50 V polyester
C3 = 2,2 μF 50 V polyester
C4 = 2,2 μF 50 V polyester
C5 = 1 nF CMS
T1 = PNP D1Y (CMS) ou BC557
T2 à T4 = NPN K1Y (CMS) ou BC547
BATT = 2 piles alkalines 1,5 V LR6
S1 = Bouton poussoir 2 circuits NO
S2 = Bouton poussoir simple NO
TF1 = Voir texte




Figure 4 : Photo d’un des prototypes du driver avec son fil électroluminescent.

En haut, on a ôté le capot pour voir les deux piles occupant la plus grande partie du volume du boîtier plastique. Le fil électroluminescent a ici une longueur de deux mètres.
En bas, la platine, occupée principalement par le transformateur et le poussoir M/A. On aperçoit aussi l’entrée “+/– Vcc”, en fait les contacts pour les deux piles.



Figure 5 : Fréquences des couleurs.

Utilisation correcte du fil électroluminescent

Figure 6 : Utilisation correcte du fil électroluminescent.

Elle consiste en une bonne connaissance de la structure du câble et de ses points faibles. Les conducteurs sont nus aux deux extrémités, bien sûr : aussi faut-il isoler l’une de l’autre les deux “électrodes” (c’est-à-dire l’âme de cuivre et la double spirale) à l’extrémité restée libre du câble.
L’autre sera connectée au driver (aucune polarité n’est à respecter, nous sommes en alternatif). En outre, si vous voulez immerger le fil électroluminescent ou même le faire fonctionner en atmosphère humide, vous pouvez le faire sans problème, à la condition expresse de ne pas mettre les deux extrémités sous l’eau et de bien les tenir au sec.
On peut même relier bout à bout deux longueurs de fil électroluminescent : pour cela il faut ôter la gaine extérieure à un bout de chacune des deux longueurs, dégager les conducteurs en double spirale (soit le plus externe, visible sous la gaine isolante plastique transparente) et les connecter entre eux puis ôter aussi la gaine de l’âme (cette dernière constituant le conducteur le plus interne). Rapprochez les deux câbles, soudez les fils externes d’une longueur aux fils externes de l’autre longueur. Faites de même pour l’âme centrale. Les conducteurs externes d’une part et l’âme d’autre part seront chacun isolés par de la gaine thermorétractable, à enfiler, bien sûr, avant soudure ! Isolez sous gaine thermorétractable aussi la totalité du câble au niveau de la jointure.

La réalisation pratique
Bon, si la conception est clarifiée, la réalisation du circuit ne devrait rencontrer aucun problème particulier. Nous avons volontairement omis de publier le dessin du circuit imprimé pour vous laisser le choix entre l’utilisation de composants CMS et celle de composants traditionnels.
Le prototype présenté dans cet article a été réalisé avec une technologie hybride, c’est-à-dire avec les deux types de composants. Le tout tient dans un petit boîtier plastique (figure 4) connecté à un fil électroluminescent de deux mètres de longueur.
Si vous choisissez la réalisation de la platine de contrôle, vous devez vous procurer le fil électroluminescent et le connecter au bornier du circuit. Aucune polarité n’est à respecter pour cette connexion car nous sommes en alternatif.
Accordez le maximum d’attention aux soudures et à l’isolation des connexions.
Pour l’alimentation du circuit, ayez recours de préférence à des piles alcalines, de plus grande autonomie.
Sachez enfin que pour des applications fixes il n’y a aucune objection à faire fonctionner le driver avec une alimentation en mesure de fournir 3 Vcc sous 200 mA.

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