Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W

13/07/2016
Publication 3EI 3EI 2016-85
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-85:17144
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Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W

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Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 37 Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W A.SIVERT, B.VACOSSIN, S.CARRIERE, F.BETIN Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. 1. Introduction Ces dernières années les lampes à LEDs ont envahi notre quotidien. De la lampe torche 3W à 10W, à la petite lampe à douille de 10W à 20W, au remplacement d’Halogène de 500W par des LED de 50W à 100W. Le principal avantage de la LED est de consommer 10 fois moins qu’une ampoule classique à filament et surtout d’avoir une durée de vie pouvant atteindre 50 000 heures. En revanche, la LED demande une régulation électronique pour obtenir le courant désiré avec le moins de pertes possibles [1]. Ces dernières années, le coût de base d’une LED a fortement diminué (de l’ordre de 2€ pour une puissance de 10W). Cependant, un convertisseur et une optique doivent être additionnés ce qui généralement double le coût. Ce faible coût a permis de concurrencer les ampoules halogènes. La combinaison de plusieurs LEDs est souvent obligatoire pour moduler la luminosité désirée. Ces composants élémentaires peuvent être connectés suivant 3 topographies différentes : série, parallèle ou matricielle [2, 3]. Le tableau suivant représente différents types de LEDs avec des configurations internes différentes (S : représente le nombre de LEDs en série et P : le nombre de LEDs en parallèle). La topographie en matrice connectée est la plus vendue, car plus fiable même si elle demande une connectivité interne plus complexe. Dans un premier temps, nous allons faire quelques rappels en photométrie pour connaitre sans matériels spécifiques la performance d’une LED. Puis, nous allons comparer quelques LEDs pour pouvoir faire un choix dans la jungle des fabricants. Si pour les grands fabricants, les caractéristiques sont données dans les datasheets, ce n’est pas le cas de tout ce qui est vendu via les sites de ventes en ligne. La dissipation des pertes de puissance sera présentée pour connaitre la puissance que peut absorber la LED sans destruction. La régulation numérique du courant dans la LED sera aussi présentée pour savoir comment choisir les valeurs du correcteur qui doit corriger les perturbations (variation de la tension d’alimentation, variation de la tension de seuil, variation dû à la température). Enfin pour conclure, une présentation de l’exploitation de ce système par les étudiants sera proposée. Résumé : Dans le domaine de l’éclairage, une utilisation avec une puissance maximale de 100% n’est pas toujours utile. Une variation du flux lumineux doit donc pouvoir être effectuée en fonction de la lumière naturelle mais aussi plus simplement en fonction de l’éclairage désiré. Cette puissance doit rester constante malgré les fluctuations éventuelles de l’alimentation notamment lorsque celle-ci est alimentée par une batterie. Les LEDs, composants issus de l’optoélectronique, peuvent voir leur luminosité modulée entre 0 et 100 % de manière instantanément et sans dommage. Elles se prêtent aussi sans aucune limitation à un asservissement du niveau de lumière en fonction d’un besoin. Les LEDs d’une puissance de 10W à 100W sont devenues très abordables depuis quelques années avec un taux de défaillance faible par comparaison avec les ampoules à filaments. Les régulateurs numériques permettent non seulement de maitriser la puissance, mais aussi de gérer la température d’une LED, de ménager la batterie. L’avantage de la gestion effectuée par microcontrôleur est l’utilisation d’un afficheur LCD qui permet de connaitre la consommation, la température, de changer la consigne par bouton poussoir, de régler l’éclairage en fonction de la luminosité extérieure…Si l’efficacité d’une LED blanche est d’environ 100 lumen/W, bien meilleure que tous les autres types d’éclairage, 30% de la puissance absorbée par la LED est converti en lumière et 70% est perdue en chaleur. Cette puissance perdue dans une surface très petite impose un refroidissement forcé. Par conséquent, une mesure de température du radiateur doit être effectuée pour estimer la température de jonction de la LED et pour limiter la puissance dans la diode si cette température est trop importante. Dans cet article, des réponses aux nombreuses questions énumérées ci-dessous seront proposées : Comment faire des mesures simples de la luminosité ? Comment faire le choix d’une LED et de son optique en fonction de l’éclairage désiré ? Comment vérifier les performances d’une LED ? Comment faire un choix de refroidisseur et de ventilation ? Comment est gérer la régulation du courant de la LED ? Quel est le taux de défaillance de la LED ? Les réponses à ces questions permettront de proposer une exploitation pédagogique pluridisciplinaire d’un système à LED. Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 38 2. Rappel sur l’éclairage La relation entre flux lumineux Φ (lumen) et l’intensité lumineuse (candela) correspond à l’équation suivante (1) : lumineuse solide(lumens ) intensité (Cd ).angle ( Stéradians )  Le Stéradian est une unité de mesure d'angle en 3 dimensions qui correspond à l’équation suivante avec θ correspondant à la moitié de l’angle de diffusion (valable pour les angles inférieurs à 50°): 1 Stéradian = 2.π.(1-cosθ) (2) L’éclairement sur une petite surface ronde correspond à l’équation suivante :  2 2 2 1  E(lux ) (Lumen ) / rayon rayon  (3) Par conséquent, Il suffit de projeter le flux lumineux sur un mur à une certaine distance pour déterminer l’angle et à partir de plusieurs mesures de l’éclairement sur le mur d’en déduire le nombre de lumen à partir de la surface éclairée [7]. L’éclairement pour un angle réduit et rond diminue en fonction du carré de la distance : 2 1 2 1 1 2 2   distance E (lux ) E ( distance ) distance (4) Par conséquent, l’éclairement peut aussi s’écrire de la façon suivante : 2   (ta (lumen ) E(lux ) n distance )   (5) Evidement si l’optique ou le phare ne projette pas le flux lumineux de façon concentrique (exemple en ellipse) les équations précédentes ne fonctionnent pas pour déterminer facilement le nombre de lumens émis par la LED. Lors d’une installation lumineuse, il faut faire une cartographie de l’éclairement avec les différentes réverbérations de l’éclairage indirect. De plus, En photométrie, on s'intéresse à l'énergie des radiations lumineuses en tenant compte de la sensibilité de l’œil. Celui-ci est sensible aux radiations de longueurs d'ondes comprises entre 400 nm (bleu) et 700 nm (rouge). Le flux énergétique de 1Watt à la longueur d’onde de 555 nm (vert jaune) est de 673 lumen/W. Par contre à 600 nm (orange), le flux perçu par l’oeil sera de 430lumen/W. Dans cet article, le spectre de la LED ne sera pas pris en compte. 3. Caractérisation de LED Une LED est caractérisée par sa tension de seuil, son courant maximal, son nombre de diodes en série (S) et en parallèle (P), sa puissance maximale, son angle d’émission, sa luminosité en lumens par watt, sa résistance thermique, son spectre, sa CCT Correlated Color Temperature (Blanc froid, neutre, ou chaud). Le tableau suivant compare différentes LEDs hautes puissances. Il existe énormément de copies en vente sur le net avec des datasheets ne correspondant pas à la réalité. Par conséquent, des essais doivent être effectués pour vérifier les performances des LEDs que l’on est susceptible d’acheter. Tableau 1 : caractéristiques de différentes LEDs Type de LED/ prix Config (S,P) Volt , A DimensionsRTH JC Flux lumin 10W 15 € 1S 0P 3.6V, 3A Ø13.9mm 2.5 °C/W 10W 15 € 3S 3P 10V, 1A Ø13.9mm 2.5 °C/W 800 Lm 10W 4 € 9S 0P 30V, 0.33A 20mm x 20mm 2.5 °C/W 1000 Lm 50W 25 € 10S 5P 34V,1.8A 44mm x 44mm 2 °C/W 4700 Lm 100W 35 € 10S 10P 34V,3.6A 35mm x 35mm 3°C/W 9000 Lm Pour avoir un flux lumineux important, les constructeurs ont fait des matrices de LEDs, très compactes. Cependant la puissance perdue doit être dissipée. A partir du modèle thermique, les équations de la température de jonction de la LED et la température du boitier sont les suivantes (6):     jonction Amb JC CH H.AmbT T ( RTH RTH RTH ) P H Amb H.AmbT T RTH P   Le schéma thermique de la LED en régime établi correspond au modèle suivant : Fig 1 : Modèle thermique d’une LED, température du dissipateur, et du capteur A partir de la courbe de puissance admissible par la LED en fonction de la température ambiante, de la figure suivante, Les valeurs de la température de jonction maximale et de la résistance thermique RTHJA peuvent être retrouvées. En effet en prenant 2 points (50W=(1.75A×28V), TAmb_max 60°C et 21W=(0.75A×28V), TAmb_max 120°C). Donc à partir de l’équation (6), une température de jonction maximale de 160°C et une RTHJA de 2°C/W du boitier de la LED sont confirmées. RTHJCTJ TAMB RTHCH TH Tsensor RTHHA dissipateur RTHHS RTHSA Puissance (W) Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 39 Fig 2: Courant disponible d’une LED en fonction de la température ambiante A partir de la puissance fournie à la LED et de la mesure de la température du refroidisseur, la température de jonction peut être estimée à partir de l’équation suivante :   jonction heat sink JCT T RTH P (7) La température est mesurée par un capteur linéaire LMx35 (boitier To92) qui fournit une tension de 10mV/°C. Il y a un décalage entre la mesure du capteur et la température réelle du boitier à cause de la résistance thermique du capteur ambiant RTHSensor-A 140°C/W et RTHHS 30°C/W. Le temps de réponse de ce capteur est de 2 min bien inférieur à celui du dissipateur de la LED. La température réelle du refroidisseur TH en fonction de la température du boitier capteur correspond à l’équation suivante (8): 1 RTH RTHHS HST (T ( ) T )heat sink sensor amb RTH RTHSA SA      Exemple : si la température mesurée est de 53°C avec une température ambiante de 20°C, alors la température du radiateur sera de 60°C. Si le boitier du capteur était un To220 alors RTHSensor-A serait de 90°C/W avec un temps de réponse de 3 minutes. Ce boitier permet de minimiser la résistance de contact à 4°C/W et d’avoir une mesure de température très proche de celle du dissipateur et donc de ne plus utiliser l’équation (8). Un thermomètre infrarouge permet de vérifier cette différence entre la mesure du capteur et celle du refroidisseur. Il est possible de mettre une ventilation forcée pour minimiser les dimensions et le poids du dissipateur. Cependant celui-ci engendre du bruit surtout s’il est rapide. Il est aussi possible d’utiliser un refroidisseur liquide [12] avec une ventilation à vitesse faible mais ceux-ci sont relativement chers par rapport à la LED. Ce type de dissipateur peut être récupérer d’anciens PCs. Exemple : le refroidisseur liquide H100i Corsair permet de dissiper 340 W avec une augmentation de la température de jonction de 25°C avec une pompe qui fait circuler le fluide de 6W. Très peu de fabricants donnent le rendement de leur LED alors que cela permettrait de connaitre correctement la puissance émise et la puissance perdue. Il faut donc souvent faire des essais, pour connaitre les limites extrêmes que peut supporter la LED. 3.1 Caractéristique de LED utilisée Dans l’exemple, nous allons prendre une LED de 50W [8]. Cette LED possède une optique avec un angle θ de 30° pour amplifier l’éclairement. L’optique doit pouvoir supporter la température de la LED, elle est donc souvent réalisée en céramique ou en verre. Le refroidisseur rond comporte un diamètre de 9 cm et une épaisseur de 3cm). La résistance thermique du dissipateur RTHCA est de 2.2°C/W. Une ventilation forcée à 7 pales tournant à 2800 tr/mn sous 12V et consommant 0.25A (3W) est utilisée. Sur la figure suivante, la température du dissipateur de la LED est mesurée en fonction du temps, sans la ventilation, puis avec la ventilation pour différents courants absorbées. Fig 3: Température d’une LED pour différents courants avec et sans refroidisseur à 2800 tr/mn (Tamb :18°C) A partir de la courbe précédente, on peut vérifier que la résistance thermique du dissipateur est bien de 2.2°C/W. Pour une puissance de 14W, la température en régime établi du boitier atteindrait 49°C et la température de jonction est estimée à 78°C. Puis, avec le refroidissement à flux forcé à 2800 tr/mn, la résistance thermique du dissipateur passe à 0.17°C/W et l’incrément de température du boitier de la LED est seulement de 2°C avec une constante de temps de 1.66 minutes. Par conséquent, lors de l’extinction de l’éclairage, il faut environ quelques minutes pour refroidir correctement la LED. Pour une température de jonction de sécurité maximale de 100°C, la température ambiante peut atteindre la valeur suivante avec une puissance absorbée de la LED de 50W : Amb J JC CA abs lu miT T ( RTH RTH ) ( P P )     (9) 1Amb J JC CA absT T ( RTH RTH ) P ( )      100 1 0 17 50 70 60AmbT C ( . ) ( W %) C        Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 40 Avec une ventilation à 1400 tr/min (5.1 V, 0.56 W), la température du boitier de LED est plus importante comme on peut l’observer sur la figure suivante : Fig 4: Température d’une LED pour différent courant avec son refroidisseur à 1400 tr/mn (Tamb :18°C) Avec le refroidissement à 1400tr/mn, la résistance thermique du dissipateur passe à RTHHA = 0.5°C/W avec RTHJH à 1.5°C/W. La constante de temps est à 2,33 minutes. Avec cette vitesse, la puissance dissipée devra être limitée suivant l’équation suivante : 1abs J JAP (T Tamb ) / RTH ( )     (10) 100 25 1 5 0 5 0 7 53absP ( C C ) / ( . . ) . W       Soit , correspondant au rendement de la LED et égal à 30%. Le problème de la ventilation forcée est le bruit qu’il génère. Plus, le ventilateur tourne vite et plus il y a du bruit. Par conséquent, avec un autre type de refroidisseur très encombrant mais sans ventilateur de dimensions 28x27x6 cm et de résistance thermique de 1,33°C/W, une puissance de 30 W absorbée par la LED avec une température ambiante de 20°C provoque une température de jonction de 120°C. 2 30 60 120jonction JCT RTH P Tc C C         Il existe de nombreux softs gratuits téléchargeables qui permettent de déterminer la température de jonction du semi-conducteur comme on peut l’observer sur la figure suivante. Pour utiliser cette application, il faut une certaine connaissance de thermie. Par conséquent, l’étudiant va devoir chercher dans l’aide des logiciels les informations nécessaires et va appréhender très rapidement les connaissances nécessaires pour savoir comment le calcul est réalisé. Dans ce cas et étant donné que la température de jonction maximale de destruction de la LED est de 160°C, la température ambiante ne devra pas excéder 60°C. Par conséquent, la puissance de 50W ne pourra pas être obtenue. La découverte des valeurs extrêmes d’une LED en fonction de la résistance thermique et de la ventilation provoquera la destruction de quelques LEDs. Les tests thermiques sont généralement destructifs. Une caractéristique importante de la LED est le flux qui diminue légèrement lorsque la température augmente comme on peut l’observer sur la figure suivante. Par conséquent, la ventilation forcée permet d’améliorer le rendement lumineux de la LED au détriment de la consommation par le ventilateur Fig 5: Android application « PCB thermal calculator » Fig 6: Performance relative du flux en lumens qui diminue en fonction de la température du boitier pour un courant de 1,7 A Sur la figure suivante, l’éclairement a été mesuré à 50 cm au luxmètre avec une échelle de 0.25. En effet, à partir des équations (4, 5), l’estimation du nombre du flux lumineux (vert pointillé) est comparée au flux donné par la documentation constructeur : 2 2 30 0 5(tan distance )(lm ) E(lux ) E (tan . )      