Choix techniques

La LED

La LED LUXEON 5W est assez chère (environ 45€) et pose un problème d'utilisation à cause de son importante dissipation thermique. La version 1W est bien moins chère, elle a un très bon rendement, mais est-elle assez puissante pour notre utilisation ???
Mon choix s'est donc arrêté sur la version 3W.

Modèle choisi : LXHL-LW3C-T (la version T est plus puissante)

La LED est montée sur un circuit imprimée ayant un support en alumuminium afin d'évacuer au mieux la chaleur produite par la puce de la LED.

Voici la Star

LED Star
Couleur Flux lumineux typique
à 700mA
Flux lumineux typique
à 1000mA
Angle Tension diode typique
Vf
Coef de température Vf Résistance thermique
jonction /carte
Courant maxi Température de
jonction maxi
Blanche 65 lm 80 lm 140° 3.7 V -2 mV / °C 17 °C / W 1 A 135 °C

Utilisation d'une LED

Principe d'alimentation d'une LED "classique"


Prenons une LED standard, pour fonctionner elle nécessite un courant If = 20mA et sa tension Vf = 2.5V
Calcul de la résistance R pour une alimentation Vs = 5V  

R = (Vs - Vf) / If = (5 -2.5) / 0.02 = 125 ohms

Puissance dissipée dans R :

PR = R x I^2 = 50 mW

Avec une LED LUXEON 3W

Pour une LED LUXEON, c'est exactement la même chose sauf que les puissance dissipées sont beaucoup plus importantes.
En reprenant les calcul ci-dessus avec une alimentation de 7.2V (accu NiCD)
- Vf = 3.7 V
- If = 700mA

On obtient R = 5 ohms et PR = 2.45 W
PLED = Vf x If = 3.7 x 0.7 = 2.59W

De plus le rendement de l'ensemble est très mauvais :
Rendement = Putile / Pconsommée = PLED / (PLED + PR) = 2.59/5.04 =  0.51  soit un rendement de 51%.
La moitié de l'énergie de l'accu part en chaleur. Pas fantastique.
L'autre problème avec la résistance, c'est que le courant va diminuer au fur et à mesure que l'accu va se décharger et la tension va chuter.

Autonomie avec un accu de 2.0Ah.  2.0 / 0.7 = 2h 51 min.

Alimentation par régulation de courant linéaire

Une autre solution consiste a réaliser un régulateur de courant à partir d'un régulateur de tension linéaire.de type LM317 (ou LM117)  

Régulation de courant
Ce régulateur régule VREF = 1.25V. Il suffit de calculer R1 en fonction du courant souhaité.

Pour I = 700mA :  R1 = 1.78 ohms.

Puissances :

PR = 1.25W

PREG = (V0 - VREF - VF) * I = (7.2 - 1.25 - 3.7) * 0.7 = 1.58W

Avec ce montage, le rendement n'est pas meilleur, mais le courant est maintenu constant dans la LED.
Il faut équiper le régulateur d'un dissipateur thermique et choisir une résistance de puissance.

Remarque : La régulation de courant ne fonctionne que si la tension aux borne du montage est supérieure à la chute de tension du régulateur + VREF + VF diode
Soit : 1V + 1.25V + 3.7V = 6V : La régulation ne fonctionnera qu'au dessus de 6V.

Alimentation par PWM

PWM ou Pulse Width Modulation ou Modulation de largeur d'impulsion.



La technique consiste à ne plus avoir un courant constant, mais à le "hacher".
Cette technique est utilisée dans les alimentations à découpages. (Comme celles qui alimentent nos PC)

Pour ce qui est de notre LED, Sipex fabrique un composant de référence SP6137 qui est un controleur PWM destiné à la réalisation d'alimentations.
A partir de se composant Sipex à réalisé une carte d'évaluation pour l'alimentation des LEDs LUXEON.

Voici le schéma de la carte SP6137LED





L'alimentation est fournie entre VIN et GND, la LED branchée entre VOUT et VFB (comme D3).
Le contrôleur PWM SP6137 régule le courant circulant dans la LED en mesurant la tension sur la (ou les) résistance(s) R1(,R3,R5).
Le contrôleur  va maintenir 200mV sur VFB soit :
Dans la configuration 1W (R1 seule) : 0.2 / 0.56 = 357mA
Dans la configuration 3W (R1//R3) : 0.2 / 0.207 = 963mA (If max = 1000 mA)
Dans la configuration 5W (R1//R5) : 0.2 / 0.28 = 714mA  (Vf = env. 7V)

La carte est conçue pour être utilisée à partir d'une alimentation 12V et permet de pouvoir alimenter jusqu'à 3 LED 1W ou 3W en série ou 1 LED 5W.
En l'alimentant avec un accu 7.2V il n'est plus possible que d'utiliser 1 LED 1W ou 3W la version 5W ayant une tension Vf trop élevée.

Avec une LED 3W, Sipex indique que le rendement de l'alimentation est de l'ordre de 85%.
En configurant la configurant la carte pour 700 mA comme avec la résistance de 5 ohms, on obteint :
Putile = 3.7 x .7 = 2.6W         Puissance consommée = Putile/rendement = 2.6/0.85 = 3.05W   au lieu des 5.04W précèdent.

Autonomie avec un accu de 2.0Ah.   = 4h 16 min.  Et voila comment gagner 1h 25min d'éclairage.

En passant à la configuration 1A :
A 1A Vf augmente à 3.9V
P = 3.9W  donc 3h41min. d'autonomie.

Chaud, chaud, chaud ....

Le problème, c'est que ça chauffe ... Dans la version Star la LED est montée sur un circuit imprimé ayant un support en aluminium afin d'améliorer les échanges thermiques. La version Star 1W supporte d'être alimentée sans dissipateur thermique, mais attention aux doigts. Les 3W et 5W si elles sont utilisées sans dissipateur thermique sont détruites en quelques secondes.

Reprenons la LED 3W à 700mA. La température max. de jonction indiquée est de 135°C !!!

Prenons une température ambiante(Ta) de 30°C (nuit chaude, LED confinée dans un boîtier)

Tj (température de jonction) = Ta + P x Rth.
Rth étant la résistance thermique totale (LED sur circuit + dissipateur)

P = 2.6W ... donc Rth maxi = 40 °C/W
Le Rth LED 3W = 17°C il reste donc 23°C/W pour le dissipateur thermique. (a la limite de destruction de la LED)
On considère grosso modo qu'un composant électronique qui voit sa température de fonctionnement grimper de 10°C voit sa durée de vie divisée par 2.

Dissipateur 7°C/W :


En utilisant ce dissipateur :

Tj = 30 + 2.6 x (17+7) = 92.4 °C
Chaud, mais correct.

Même chose mais à 1A :

P = 3.9 W
Tj = 30 + 3.9 x (17+7) =123.6 °C
Beaucoup moins bien, et même avec un dissipateur magique de 0°C/W : Tj = 30 + 3.9 x 17 = 96.3 °C
Pour l'utiliser à pleine puissance, il va falloir prévoir la clim'.


Sur les LUXEON 5W le RTH à été abaissé à 11°C/W afin de faciliter leur utilisation.
P = 5 W   +  Dissipateur RTH = 6°C/W
Tj = 30 + 5 x (11+6) = 115 °C

Le problème, c'est que l'efficacité de la LED diminue avace l'augmentation de la tempèrature :


Donc plus le courant augmente, plus ça chauffe, et plus ça chauffe moins ça éclaire ....
Le contraire de l'effet recherché ...
Sur la courbe, pour une LED blanche à 100°C, l'éclairement diminue de 30% par rapport à 25°C.
En passant de 700mA (2.6W) à 1A (3.9W) avec un dissipateur ayant un RTH de 7°C/W la température passe de 92°C à 123°C

Courant Flux lumineux à 25°C Flux lumineux à 90°C Flux lumineux à 120°C
700mA 60 lm 47 lm -
1000mA 80 lm - 54 lm

Pour une augmentation de puissance de 50% (2.6W à 3.9W) on ne gagne que 15% d'éclairement (47 à 54 lm).
En clair pour profiter de la puissance il faut soigner le refroidissement de la LED.

Optique

Cette LED éclaire sur un angle de 140°. Beaucoup trop large. Pour réduire cet angle il faut ajouter un collimateur. Différents modèles existent à partir de 10° circulaire ou elliptique.

Fabricants :
    Carclo
    Fraen

+

Carclo 15° + positionneur


Fraen 10°

J'ai choisi un modèle Carclo 15°. (ci-dessus) avec une pièce de positionnement sur la LED LUXEON.
Depuis juin 2005