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).