La LED, son fonctionnement et ses contraintes

Nous allons voir dans cette présentation la LED, en particulier la LED de puissance, le constituant principal de nos lampes et des contraintes qui en découlent sur la lampe.

 

Introduction

LED (Light Emiting Diode) ou en français DEL (Diode ElectroLuminescente) est un cas particulier de diode.

Pour faire simple la diode est un composant électronique de la famille des semi-conducteurs qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens.

Pour éviter que cela ne deviennent trop technique et trop complexe je vais faire des raccourcis au premier ordre, les plus techniques d’entre vous les remarqueront certainement mais le but de ce document est de donner les bases.

On va donc commencer par l’essentiel dont tous les fabricants d’éclairage parlent, le flux lumineux qui s’exprime en lumens. Ce flux indique la quantité d’énergie lumineuse émise par la source (Ici la LED) en 1 seconde.

Nous allons dire que ce flux lumineux est directement proportionnel au courant qui traverse le LED.

Ce courant est une grandeur électrique dont l’unité est l’ampère (A).

Quand ce courant traverse la LED pour créer un flux lumineux il provoque une différence de potentiel à ces bornes que l’on va appeler la tension de la LED.

D’un point de vue électrique, la puissance dans la LED est le produit de la tension de LED et du courant qui la traverse. Cette puissance, exprimée en Watts, va devoir être fourni par l’accumulateur via une électronique et va provoquer un échauffement de la LED.

Pour rester concret, on va prendre, pour la suite du document, une référence précise, la XM-L2 du fabricant CREE que j'utilise pour mes montages perso.

 

Exemple concret XM-L2 de CREE

 

Dimensions

Caractéristiques principales issue de la datasheet:

La première et la dernière ligne servent à dimensionner le côté thermique de la lampe:

• La température jonction maximale (dernière ligne) donne la température interne (de la source) à ne jamais dépasser (au delà on peut considérer la destruction de la LED).
• La résistance thermique permet de calculer la température interne de la source à partir de la température au niveau des soudures de la LED et de la puissance injectée dans celle-ci.

La deuxième ligne “FWHM” sert au fabricant d’optique.

La troisième ligne donne la variation de la tension de la LED en fonction de la température. En effet comme toute diode pour un courant donné la tension de la LED diminue légèrement quand la température augmente.

La quatrième ligne “ESD” indique le résistance aux décharges électrostatiques selon une norme militaire. On ne va pas s’y attarder.

La 5e est le courant maximum admissible dans la LED. Pour donner un ordre d'idée le courant nominal des leds standards de 3mm est d'environ 30mA (la XM-L2 est a 100x plus).

La 6e est la tension inverse maximale supportée (importante pour l’électronique entre la batterie et la LED)

Les autres lignes donnent la tension de la LED dans certaines configuration de courant et de température.

 

Courbe du flux en fonction du courant

On remarque qu’il est indiqué Tj=85°C. En effet comme la LED chauffe quand elle est utilisée, la référence pour le fabricant est une température interne de 85°C.

On remarque aussi que pour le fabricant la référence pour le flux luminieux (100%) est un courant de 700mA, ce qui donne un flux lumineux de 330% pour le courant maximum de 3A.

 

Courbe de tension typique de la LED en fonction du courant

Toujours pour Tj=85°C. C’est la courbe typique (moyenne théorique des toutes les LEDs fabriquées). Il ne faut pas oublier cependant que le tableau des caractéristiques principales indique que pour un courant de 700mA et une Tj de 85°C tension typique est de 2,77V mais pour certaines LED elle peut être de 3,15V.

 

Courbe du flux lumineux relatif en fonction de la température de jonction.

On voit donc sur cette courbe que plus la température au coeur de la LED est élevée et plus le flux lumineux décroit. La référence étant toujours pour une Tj de 85°C.

 

Calcul pour un cas précis

On va prendre les 3 courants nominaux qui apparaissent dans les caractéristiques principales:

• 3000mA
• 1500mA
• 700mA

 

Le ΔT jc est la différence de température entre la jonction (source) et l’endroit où on soude. 

Cet endroit aussi appelé Pad a une dimension de 2.4mm x 4.8mm. Ceux qui ont quelques notions auront vite compris que sortir ~10W d'une surface de 11.5mm² ne va pas être si évident que ça.

 

Conclusion

On a donc vu que le courant qui traverse une LED de puissance crée un flux lumineux conséquent. Ce courant entraine aussi une différence de potentiel (ou tension) aux bornes de la LED qui dépend de divers paramètres comme la température, le lot de fabrication, etc… Cette tension et ce courant induise une puissance (Puissance=Tension x Courant). Cette puissance va provoquer une hausse de température qui va dépendre essentiellement du soin que le fabricant de lampe va apporter à l’assemblage pour assurer la résistance thermique entre la jonction de la LED et l’environnement extérieur la plus faible possible. Car plus la température de la jonction de la LED sera haute et plus le flux lumineux diminuera.

Pour aller un peu plus loin et donner un cas précis, j'ai l'intention de prendre un cas concret qu'on puisse trouver dans le commerce. Cela permettra j'espère de répondre à des questions que vous vous posez:

• pourquoi la lampe chauffe?
• pourquoi le mode turbo ne dure pas longtemps?
• pourquoi le mode turbo ne peux plus être activé une fois la lampe trop déchargée?
• la matière de lampe change t'elle quelque chose sur la thermique (Aluminium, titane,cuivre)?

 Je pense faire cette prochaine évaluation sur la S1R Baton II de OLIGHT (car je dispose de ce modèle dans les 3 matières et que je suis curieux de savoir ce que ça change).

OLIGHT MCC 1A Review

Je vous propose une petite review sur le chargeur magnétique MCC 1A de OLIGHT.

1 - Cahier des charges

Le chargeur est compatible avec quasiment toutes les lampes OLIGHT à culot magnétique (excepté les modèles "Javelot", il me semble, car le diamètre est différent").

Cela veut dire qu'il doit charger les modèles d’accumulateur ci-dessous.

 

De la taille 16340 (550mAH -10C) à celle de 21700 (5000mAh)

Le courant de charge choisi a donc été de 1A.

Il peut paraître un peu fort pour le 16340 (~1,8C) et un peu faible pour un 21700 (~0,2C), mais ça parait un bon choix pour un chargeur polyvalent:

• 1,8C est acceptable pour un accumulateur "high drain" de qualité

• 0,2C va prendre un temps de charge un peu long (5-6 heures si totalement déchargé)

2 - MCC 1A – Inside

Voici les entrailles de la bête

On peut voir sur cette photo de chaque coté du cordon les 2 petits rectangles jaune qui sont les leds qui vous indiquent en charge (rouge) et chargé (vert).

Les composant les plus gros de gauche à droite:

-le shunt qui mesure le courant (marqué R100)

-la self (marquée 1R5)

-le contrôleur (marqué SLM6510)

les autres composants servants au bon fonctionnement et certainement à une protection thermique par CTN.

Le contrôleur est un circuit intégré de la marque SOLA-IC basé sur un buck à redressement synchrone spécialement conçu pour les cellules Li-ion. Il fonctionne à une fréquence élevée de 1,2MHz ce qui permet d'avoir peu de perte et avoir une self de petite taille.

3 - MCC 1A en action

Une petite photo thermique nous montre les éléments qui chauffent. Le contrôleur est le plus chaud ce qui est normal vu qu'il embarque les transistors de découpage. Environ 50°C pour une température max fabricant de 125°C (tout a fait normal).

Les essais suivants sont réalisés avec un "bloc alim" 5V 2A (voir paragraphe suivant).

La charge d'un accumulateur Li-ion se compose de 2 phases:

• Une première à courant constant qui fait augmenter la tension de l'accumulateur jusqu'à une tension de 4,2V +/-50mV. Pour certains accumulateurs avec une chimie différente cette tension peut se trouver entre 4,1V à 4,35V.

• Une deuxième à tension constante pendant laquelle le courant décroît. Le courant de fin de charge conseillé dépend du fabricant des accumulateurs

  
  
   

  Ci-dessus la première phase, avec le courant injecté dans l'accumulateur dont la moyenne est de 0,941A. La mesure est propre on ne voit ni l'ondulation ni le découpage.
  

  Et ci-dessous la transition entre la phase 1 et la phase 2

  
  
   

  Courbe jaune: courant dans l'accu (1V = 1A) courbe magenta: tension aux bornes de l'accu.

  Au moment de la transition (phase 1- phase 2) la tension est de 4.19V et le courant de 0.941A.
  

  
  

  Et enfin la fin de charge (décroché sur la courbe jaune ==> le voyant passe de roue à vert).

  
   Le courant de fin de charge est de 120mA. On remarque aussi qu'une fois le voyant au vert, le chargeur n'envoie plus aucun courant dans l'accumulateur.

  Conclusion: En toute objectivité c'est un excellent chargeur qui respecte parfaitement les consignes fournies par les fabricants de cellules Li-ion.

  
  

  4 - Choix du bloc d'alimentation

  Je fais ce petit paragraphe car beaucoup se posent des questions sur le choix du bloc d'alimentation par peur d’abîmer l'accumulateur de leur lampe préférée.

  
   

  Ce que la plupart d'entre nous appelle "chargeur" n'est en fait qu'un simple bloc l'alimentation, qui fournit une tension de 5V. Son courant maximum d'utilisation est l'autre donnée indiquée.

  La fonction de chargeur est rempli par une électronique précise et proche de l'accumulateur. Ici le MCC-1A et dans le cas d'un téléphone, cette électronique est embarquée dans le téléphone.

  
   

  Si on prend celui-ci en exemple on voit indiqué: OUTPUT 5V "symbole courant continu" 2,1A.

  Ce qui veut dire que la tension fourni est de 5V DC et que l'on peut tirer entre 0 et 2,1A.

  Certains bloc alimentation de téléphone dit "rapide" indiquent plusieurs tensions. Dans ce cas le chargeur et le bloc alimentation communiquent pour faire varier la tension, mais en dehors de toute communication la tension est bien de 5V. C'est la norme pour un port USB.

  La courbe d'une alimentation est la suivante.

  
  
   

  Dans notre cas Uonom=5V et Iomax=2,1A

  La zone normale d'utilisation (verte) est pour un courant situé entre 0A et Iomax (courant indiqué sur le bloc alim.)

  Puis vient la zone de surcharge avec Iocp (Over Current Protection) au delà duquel la tension devient inférieur à 5V jusqu'au courant de court-circuit Icc. Dans cette zone le fabricant se doit de protéger l'utilisateur (brulure,feu,...) mais si l'utilisateur rencontre des problèmes de fonctionnement électrique...ce n'est plus la responsabilité du fabricant.

  
  

  Le chargeur MCC 1A peut demander jusqu'à 4,2V et 1A aux bornes de l'accumulateur.

  Un buck avec résistance de mesure a un rendement d'environ 88%. Ce qui fait que la puissance max tirée sur le bloc d'alimentation est de 4,2*1/0,85=4,78W donc pour une tension de 5V un courant de 0,96A.

  Donc pour faire simple on retrouve au niveau du bloc alimentation à peu près le même courant qu'au niveau de l'accumulateur.

  Je vous conseille donc de prendre un chargeur d'au minimum 1A (sachant que les chargeurs de portable font au moins 2A).

  Pour ceux qui pensent prendre soin le leur accumulateur en prenant un chargeur 0,5A pour limiter le courant de charge, ils se trompent. Il ne limitent pas du tout le courant de charge à 0,5A tout dépend du Iocp, de la pente que le fabricant a choisi, et de l'état de charge de l'accumulateur. De plus même si l'accumulateur charge, le bloc alimentation va chauffer plus qu'en utilisation normale. J'ai même vu que dans certains cas le chargeur, son voyant passe rouge avec un courant de charge ridicule et donc une charge "infiniment" longue.

  Le seul vrai moyen de changer le courant de charge est de modifier le chargeur...mais c'est un autre sujet.

  5 - Conclusion

  Le MCC-1A de OLIGHT est un excellent chargeur avec les arguments suivant.

  Les +:

• Très pratique d'utilisation, sa mise en place est rapide sans démontage de la lampe.

• Compatible avec toutes les lampes OLIGHT à culot magnétique (mise à part les "Javelot").

• Charge les accus comme le veut la théorie.

Les -:

• Ne s'adapte pas à l'accumulateur, il en résulte une charge un peu rapide pour les 16340 et plutôt lente pour les 21700.

• Pas de seuil de début de charge. En effet une fois la charge fini si on attend peu, en reconnectant le chargeur il reprend la charge. Et donc un risque de légère surcharge et de réduction de la durée de vie de l'accumulateur.

Nous verrons dans la review du MCC3 (à venir prochainement) si les points négatifs on été traités.