Management thermique des LEDs de puissance

Le contrôle thermique (thermal management en Anglais) possède comme finalité la maitrise de la température de jonction de la LED.

Une ampoule à filament nécessite d’être assez chaude pour fonctionner, ce qui n’est pas le cas d’une LED. Au contraire, une LED fonctionne mieux à basse température.

Une possède un spectre compris (en très grande partie) dans le visible. Il en résulte que la lumière émise par une LED est quasiment dépourvue d’infra rouges et d’ultra violet. L’absence d’infra rouges implique que la lumière de la LED ne chauffe pas ce qu’elle éclaire. L’absence d’ultraviolet en évite l’altération. Mais, en contrepartie, toutes les pertes sont d’ordre thermique.

Ces pertes thermiques ont pour conséquence d'échauffer la LED. Or la température de la jonction de la LED a une incidence sur les éléments suivants:

• La durée de vie de la LED
  Une température trop élevé altère voire détruit la LED. Il suffit de quelques degrés supplémentaires pour diviser par deux la durée de vie d'une LED ! Il faut donc bien suivre les recommandations des constructeurs à ce sujet.

• Le flux lumineux de la LED (qualitatif et quantitatif).
  L'émission de lumière par la LED est fortement liée à la température, que ce soit au niveau qualitatif que quantitatif. En effet, lorsque la température augmente, le flux décroit (aspect quantitatif) et le spectre se décale vers les plus grandes longueur d'onde (aspect qualitatif).

• La tension aux bornes de la LED
  Une augmentation de la température réduit la valeur de la tension aux bornes de la LED.

Conséquences

Selon la puissance de la LED, l'architecture du boitier est différente.

Pour les LEDs de puissance (>1W), le recours à un dissipateur thermique est donc obligatoire en régime permanent. En effet, il est bon de rappeler qu'il est impossible, sans se bruler, de tenir à la main une résistance électrique qui dissipe 1W !

Les LEDs classiques 5mm ne nécessitent pas que l'on évacue les calories générées par la LED. La convection avec l'air et la conduction via les contacts électrique suffisent. Toutefois, la LED étant dans un environnement dont la température peut être élevée, il n'est pas rare que la gestion thermique soit prise en compte pour les LEDs 5 mm. Ceci est le cas pour les systèmes soumis à l'échauffement du soleil et dont la longueur d'onde doit être maitrisée, par exemple les feux stop des voitures disposés sur la plage des voitures.

Il est donc indispensable de considérer avec attention l'aspect thermique lorsqu’on souhaite intégrer des LEDs dans une application. Des simulations thermiques sont souvent réalisées.

Perspectives

Le rendement d’une LED étant de l’ordre de 15% à 25%. Dans les années à venir, les LEDs devraient atteindre l’objectif de 50%. Ceci induire que la quantité de chaleur dissipée sera divisée par deux. Par conséquent les aspects thermiques deviendront moins problématiques.

• Influence de la température sur le spectre
• Influence de la température sur le flux
• Simulation thermique
• Analogie thermique de la loi d'Ohm
• Influence de la température sur l'architecture
• Influence de la température sur la tension
• Influence de la température sur le courant
• Résistance thermique d'une LED
• Influence de la température sur la durée de vie

Documents constructeur

Thermal management design of power LEDs (Nichia)
LUXEON Thermal Design Guide (Philips Lumileds)
Thermal management guide (Seoul Semiconductors) -Le lien du document a changé donc ne fonctionne plus

Lectures conseillées

Dissipation thermique dans les composants