Ortholux: montage d'une LED avec mécanisme de centrage

[Christian]

suite ...

Avec la LED à pleine puissance, la T° indique 54 à 55° après +/- une minute.

Là aussi cela me semble significatif d'un manque de volume de matière en contact : En une seule minute atteindre 55° dans le radiateur .... (à 25° ambiant)
Même avec l'Ostar 22W plein pot je n'atteins pas ces valeurs en si peu de temps (temp. du radiateur donc) ...

[JeanMarie]

Hello Alain,

pourquoi chercher à garder le mécanisme de centrage de la lampe, lors d'une conversion à Led ?
A l'origine, celui-ci était destiné à compenser les décentrages du filament de tungstène au sein des ampoules classiques.
Avec une Led, un simple cylindre correctement usiné présente l'émetteur pile poil dans l'axe du collecteur.

Oui, je sais, le cylindre fonctionne bien. Cependant, je n’ai ni le tour ni la formation de tourneur pour le faire moi-même et de plus, j’ai une puissante tendance intérieure à privilégier la récupération et le détournement d’objets. Or mes moyens mécaniques étant limités, j’ai préféré conserver le mécanisme de centrage plutôt que de risquer d’implanter la led à côté de l’axe optique. Et effectivement, il ne faut pas bouger beaucoup la molette de réglage pour constater dans le microscope un décentrage de la lumière. Bon, c’est vrai qu’une fois le centrage fait, la led est en principe bonne pour 50.000 h

Et n'oublions pas, l'efficacité d'un radiateur est une fonction de son volume et NON de sa surface seule...

Heu…, là j’ai l’impression que ce n’est pas correct. Le métal du radiateur ne peut échanger sa chaleur que par sa surface, non par sa masse interne. La sphère est la structure qui perd le moins de chaleur car pour un volume donné, c’est la sphère qui a la plus petite surface. Bien sûr, si tu augmentes le volume d’un objet en conservant la même forme, il va pouvoir dégager plus de chaleur, mais c’est parce que sa surface d’échange augmente. Comme le dit Christian, le cylindre étant intimement en contact avec le chassis, celui-ci devient lui-même un prolongement du radiateur, augmentant largement la surface d’échange.

Voici quelques lignes trouvées sur Internet :
1.2 - Caractéristiques principales
Un radiateur dissipe donc la chaleur d'un "point chaud" vers l'air ambiant (ou l'inverse).
Il est donc nécessaire d'optimiser cet échange thermique, pour cela plusieures solutions

• • Une surface d'échange maximale: exprimée en cm² (le plus souvent, sauf chez les fabriquants anglais... vilain rosbeef) elle indique la surface du radiateur en contact avec l'air ambiant, ainsi une plus grande surface dissipera mieux.
  • Une surface ou point de contact idéalement usiné entre le radiateur et la partie "chaude" à dissiper, qui aura donc le minimum de défaut de planéité et de porosité.
  • Utilisation d'un ventilateur pour augmenter le flux d'air passant sur la surface d'échange.

http://www.presence-pc.com/forum/ppc/Ha ... 6152-1.htm

---

Hello Florent,

C'est une solution pour ceux qui n'ont pas d'ami tourneur, mais qui ont un ami électronicien !

Très juste !
Et pour celui qui n’a ni ami tourneur, ni ami électronicien, je lui conseille vivement de lire ce livre :

Amis.jpg

---

Hello Christian

- On devrait pouvoir mesurer plus précisément la température du point de jonction avec un thermomètre infrarouge (à visée) ... à tester, c'est assez courant maintenant.

C’est une très bonne idée, … sauf que ce type de thermomètre n’est pas encore assez courant pour s’être implanté dans ma chaumière. Peut-être que si j’avais un ami chaufagiste…

Je préfère largement les refroidissements passifs

Je préférerais aussi me passer des services d’un ventilateur. Quand je vois l’état de la grille arrière de mon PC… et que j’entends le bruit de tronçonneuse qu’il fait le matin avant qu’il ne soit chaud.
Malgré cela, j’ai profité de mon voyage d’aujourd’hui à Bruxelles pour faire le tour d’une série de magasins d’informatique. J’ai fini par trouver un mini ventilateur de PC de 40 mm de côté. Il pourrait quand même être utile, ne fusse que pour des tests.

Ventilateur 40mm.JPG

Au passage, je rêve aussi de transformer mon PC avec un refroidissement entièrement silencieux : En vieillissant (lui et moi) je ne supporte plus ses bruits détestables, ah les vieux couples ...

Du temps des Apple II et des premiers IBM 8086, le refroidissement était passif. Et malgré que les machines fussent 1000 fois plus lentes, on les considérait comme des merveilles.

tu ne parles pas de l'alim utilisée pour ces tests ?

J’avais juste mis une ligne dans l’évaluation du deuxième article :
« Dans un premier temps, la LED testée est une LED de 3W alimentée par le système décrit ICI »
J’utilise donc l’alimentation PWM bricolée à partir d’une alimentation PC et du NE555 et qui a fait l’objet d’un long échange il y a quelque temps.

Là aussi cela me semble significatif d'un manque de volume de matière en contact : En une seule minute atteindre 55° dans le radiateur .... (à 25° ambiant)

En fait je n’ai pas mesuré le temps mais cela m’a paru court. C’est vrai qu’on peut vraiment se tromper. Il suffit de penser à quelque chose pour perdre plus ou moins la notion du temps. Je vais essayer de reprendre plus sérieusement les mesures à partir de demain.

PS: Christian, dis-nous au moins quelques mots de ton four.

[Maraussan]

Alain de Maraussan:
Et n'oublions pas, l'efficacité d'un radiateur est une fonction de son volume et NON de sa surface seule...
Jean-Marie:
Heu…, là j’ai l’impression que ce n’est pas correct.

Bonsoir Jean-Marie,
si c'est correct, mais mal expliqué, c'est ma faute.
Un radiateur de composant qui chauffe possède une thermodynamique complexe, en plusieurs étapes.
Pour faire simple :
- primo, le composant initial chauffe (ici, c'est la plaque alu sur laquelle est collée la LED), et échange plus ou moins bien ses calories via un contact/interface avec la surface du radiateur. L'épaisseur de la semelle du radiateur est l'élément clé dans la pompe à chaleur. Plus la semelle est épaisse, plus la résistance thermique est faible. Avantage aux 5 kilos d'alu massifs des vieilles culasse moteur des flat-four Volkswagen, LA pompe à chaleur imbattable présente dans tous les bons labos d'électronique du monde.
A ce stade, récapitulatif simpliste, c'est le volume plein, donc la masse, qui est l'élément clé.

- après, bien après, on cherche tant bien que mal à échanger ces calories qui commencent à s'accumuler avec le pire interface thermique qui puisse exister : l'air. D'ou les ailettes pour augmenter à tous prix la surface d'interface, à condition bien sur qu'une convexion naturelle ou forcée puisse exister, sinon l'air chauffe à proximité et ne s'évacue pas.
A ce stade, récapitulatif simpliste, c'est la surface totale développée, qui est l'élément clé.
Mais à l'extrème, si le volume est très important, cas d'un cylindre, la surface développée est d'elle-même importante, et les ailettes d'interface inutiles...

Lorsque que l'on feuillette les catalogues de refroidisseurs destinés à l'électronique (cuivre, ou alu extrudés), on remarque que les meilleurs (au plan de la résistance thermique) possèdent des semelles épaissent, et des ailettes dont la naissance est tout aussi épaisse. Ce sont donc des refroidisseurs utilisant le plus de matière première, et donc les plus chers.
Les plus élégants, bien meilleurs marchés, extrudés ou emboutis, sont infiniements moins efficaces.

[JeanMarie]

Hello Alain,

Merci pour tes explications. Maintenant, je crois qu'on est d'accord.

Bien amicalement.

[Gérard Weiss]

Bonsoir à tous, Jean-Marie, Alain,

Alain de Maraussan:
Et n'oublions pas, l'efficacité d'un radiateur est une fonction de son volume et NON de sa surface seule...
Jean-Marie:
Heu…, là j’ai l’impression que ce n’est pas correct.

Jean-Marie Vs Alain ? En fait vous avez tous les deux raison et j'espère que ces quelques explications éclairciront le sujet. D'abord il faut bien distinguer le régime permanent et le régime transitoire, sinon on n'y comprend plus rien ! Ensuite, on peut faire une analogie entre la thermique et l'électricité, chacun choisissant le domaine dans lequel il est le plus à l'aise...


En régime permanent, la puissance dégagée est constante et toutes les températures se sont stabilisées.

Analogie thermique-électrique refroidisseur.jpg (37.57 Kio) Vu 7085 fois

Lorsqu'on dissipe de la chaleur dans la jonction de la LED, cette chaleur traverse successivement la masse de la LED, celle du radiateur et enfin la surface du radiateur au contact de l'air pour être emmenée par ce dernier. Dans ces conditions, la température T1 de la jonction par rapport à l'air ambiant est donnée par la relation :
T1 = P x (R1 + R2 + R3) avec :
P = puissance dissipée dans la jonction.
R1 = résistance thermique entre la jonction et la surface au contact du radiateur.
R2 = résistance thermique entre la surface de contact du radiateur avec la LED et la surface de contact de ce même radiateur avec l'air ambiant.
R3 = résistance thermique exprimant le passage de la chaleur à travers la surface du radiateur au contact de l'air ambiant.

En électronique, R2 est suffisamment faible pour être négligé devant R3 mais il faut alors de la matière pour que les sections de passage du flux de chaleur soient suffisamment importantes. Alain a raison !
La résistance thermique du radiateur dépend donc essentiellement de sa surface. Jean-Marie a raison !
Par contre, les radiateurs utilisés dans les ordinateurs sont très compacts mais manquent de matière. R2 n'est alors plus négligeable devant R3 et il devient nécessaire d'utiliser des ventilateurs pour compenser cela en abaissant R3.

Par exemple, Jean-Marie nous a donné les caractéristiques principales d'une LED Luxeon K2. (Merci Jean-Marie pour l'info. ) En particulier :
Courant maxi = 1,5A
Résistance thermique = 9°C/W
Comme la tension aux bornes de la LED ne doit pas être loin de 4V, la puissance P dissipée est P = 4V x 1,5A = 6W.
La différence de température entre la jonction de la LED et la surface arrière est T1 = 9°C/W x 6W = 54°C !
Ainsi, si nous arrivons à loger dans le radiateur une sonde thermique juste contre la LED, il faudra ajouter 54°C à la température mesurée ! Attention !

L'analogie électrique est évidente :
puissance P <-> intensité I,
différence de températures T <-> différences de tension U.


En régime transitoire, prenons le cas de la mise sous tension de la LED. Pour qu'il y ait transfert de chaleur, il faut qu'il y ait différence de température : P = T / R et il faut donc chauffer successivement la masse de la LED et celle du radiateur, ce qui prend un certain temps... Les masses de matière de la LED et du radiateur sont comparables aux condensateurs C1 et C2 du schémas électrique.
Inversement, lorsqu'on coupe le courant, la chaleur accumulée dans la LED et dans le radiateur s'écoule progressivement dans l'air ambiant. Dans le schémas électrique, les condensateurs se vident.

L'existence de C1 est intéressante car elle permet d'envoyer de brèves impulsions à des puissances supérieures à la puissance maximale autorisée en régime permanent. En effet, la masse de la jonction et de la matière à son voisinage immédiat absorbe le surcroit de chaleur et la température n'augmente qu'avec un certain retard. Mais l'impulsion doit être suffisamment brève, moins de 1ms en pratique ! Là je pense à l'utilisation d'une Luxeon en flash...

[JeanMarie]

Wow Gérard,

Au moins, ça vaut la peine quand tu ne dors pas à 2h19 ! Voilà les explications dons nous avions besoin. Tu éclaires mon esprit encore mieux qu'avec une Ostar 22W. C'est fou comme on est plein de ressources quand on se met ensemble dans ce forum. Merci à vous tous.

[Christian]

Re,

Merci Gérard pour ces explications !
A consulter aussi ce document de Lumiled : Luxeon Thermal Design Guide

Luxeon Thermal Design Guide.PDF

(380.91 Kio) Téléchargé 66 fois

PS: Christian, dis-nous au moins quelques mots de ton four.

je n'ai pas encore beaucoup avancé mais dès que possible je vous en parlerai plus ...
En gros tout est réalisé dans une bouteille de gaz 13kg de récup et les bruleurs sont fabriqués avec des tuyaux de plomberie, ça va te plaire !
Deux utilisations en vue : Fabriquer des outils (forgés) et fondre de l'alu ou du cuivre de récup pour couler des petites pièces ...

forge__four_a_gaz.jpg (190.36 Kio) Vu 7056 fois

[JeanMarie]

Hello Christian,

C'est un très beau projet ce petit four. La perspective de pouvoir couler sa pièce d'aluminium puis de l'usiner jusqu'à un produit fini est très enthousiasmant. Pour le cuivre, c'est encore une autre paire de manche (>1000°), enfin ce n'est jamais qu'une équation entre l'apport d'énergie et les pertes de chaleur.

---

Hello tout le monde,

J'ai monté une plaquette d'expérimentation avec un microcontrôleur Atmega8, une sonde de T° DS18B20 et un MAX232 pour la liaison avec le PC. J'ai ensuite écrit un petit programme pour relever la T° de la sonde toutes les 5 secondes, permettant de reprendre ces données dans Excel. Afin d'être dans les meilleures conditions d'expérience et de pouvoir comparer les données à celles de Christian, j'ai coincé la sonde au centre de la face inférieure de la plaque du radiateur, après avoir déposé une fine couche de pâte thermique. La sonde est maintenue en place par un bras de levier formé d'un petit tournevis tendu par un élastique et dont la pointe est entourée de plastique pour fausser le moins possible la mesure de T°.

Mesure de T°.JPG (87.37 Kio) Vu 6998 fois

Je suis confus de vous dire que je vous ai raconté des bêtises l'autre jour en disant que la T° était atteinte en +/- une minute. Je ne comprends toujours pas comment j'ai pu me tromper à ce point. La courbe ci-dessous contredit complètement cette affirmation.

T° petit radiateur LED 3W 700mA.jpg (36.67 Kio) Vu 6997 fois

On voit qu'il faut bien 25 minutes pour que la T° se stabilise à 50°

PS. Je viens de recevoir ma LED Luxeon K2 5W, achetée 4,92 € en Chine (envoi compris)ICI

Si cette LED n'est pas assez puissante, il y a aussi celle-ci:

http://shop.befr.ebay.be/luckzdl2008/m.html

[JeanMarie]

Ma nouvelle Luxeon 5W ayant des caractéristiques différentes de la LED 3W, je ne pouvais pas simplement échanger l'ancienne pour la nouvelle. Les mesures ont montré que le radiateur utilisé était déjà limite pour la LED 3W.

Nous voilà reparti pour une chasse au radiateur de récupération.
Voici un radiateur tout neuf et son radiateur, récupéré tel quel à la déchetterie. Probablement quelqu'un qui a monté un radiateur spécial sur son AMD et qui a jeté l'original.

Récupération radiateur PC et ventilo.jpg (97.8 Kio) Vu 6947 fois

Ce n'est pas ce radiateur que j'ai utilisé mais un autre presque identique.
Après pas mal d'hésitation, j'ai décidé de ne pas prévoir de mécanisme de centrage, m'obligeant par la même occasion à la plus grande minutie possible dans la détermination du centre optique qui, vous l'avez peut-être remarqué, est décentré dans la chambre d'éclairage. Il a ensuite fallu découper le radiateur selon ses 3 dimensions (59 x 50 x 25 mm) et y fixer la LED.

Luxeon 5W sur son radiateur.jpg (72.14 Kio) Vu 6944 fois

Le radiateur comporte 13 lames de 59 x 18 mm et une base de 7 mm d'épaisseur. Son poids est de 100 g. A raison d'un poids spécifique de 2,7 g/cm³, le volume de métal est estimé à 37 cm³. La surface totale calculée est de 335 cm². Il serait intéressant de comparer ces chiffres aux cylindres de Christian et l'Alain.

La LED de 3W était alimentée en 5V. Or la Luxeon actuelle a un forward voltage de 6,5 à 7V pour un courant de 700 mA. J'ai donc refait une nouvelle platine d'alimentation avec un régulateur LM350 monté en limiteur de courant et alimenté en 12 V. Comme dans le projet de la LED 3W, la sortie est modulée par un PWM basé sur le NE555. Voici la LED et son driver (Le LM350 est monté sur radiateur).

Luxeon 5W avec son driver.jpg (89.22 Kio) Vu 6954 fois

Voici la LED en place dans la chambre d'éclairage:

Luxeon en place dans la chambre d'éclairage.jpg (78.37 Kio) Vu 6944 fois

Il ne restait plus qu'à refaire la mesure de T° avec la Luxeon à son maximum d'intensité pour comparer à la LED 3W.

T° grand radiateur LED Luxeon 5W 700mA.jpg (35.95 Kio) Vu 6938 fois

Je n'ai pas pu appliquer intimement la sonde contre la base sous la LED à cause de la structure du radiateur. Les lamelles étaient trop rapprochées. Cela a probablement influencé les mesures.

Commentaire:

• - Il y a une irrégularité dans la courbe vers 7 minutes. La courbe a changé d'allure mais je n'ai aucune idée de la raison car je n'ai rien modifié en cours d'expérience.
  
  - La montée en température est plus lente qu'avec la LED 3W: il a fallu près de 80 minutes pour atteindre le plateau.
  
  - La T° finale est presque identique à la première expérience. L'augmentation assez importante de la taille du radiateur était bien nécessaire à l'évacuation du surcroit de puissance.
  
  - La pleine puissance de la 5W est trop forte pour un travail au microscope en fond clair (du moins jusqu'au 40 x), alors que la 3W à pleine puissance était confortable. Par contre, la puissance de la 5W serait probablement utile en polarisation, fond noir, contraste de phase, épiscopie, etc...
  
  - Comme le radiateur n'a pratiquement aucun degré de mobilité gauche-droite dans la chambre, je ne sais pas si la position de la LED est vraiment optimale. Mais au moins, le champ microscopique est régulièrement éclairé.

Cerise sur le gâteau: l'alimentation PC qui servait à me fournir le 12 V s'est éteinte après +/- 2 heures de service. Je n'ai pas encore pu identifier ce qui s'est passé. Elle n'était même pas chaude. Rassurez-vous, j'en ai d'autres en réserve.

[Gérard Weiss]

Bonsoir Jean-Marie,

Je suis stupéfait par ta capacité à réaliser rapidement de nouvelles choses. J'aimerais pouvoir en faire autant.

- Il y a une irrégularité dans la courbe vers 7 minutes. La courbe a changé d'allure...
- La montée en température est plus lente qu'avec la LED 3W: il a fallu près de 80 minutes pour atteindre le plateau...
Cerise sur le gâteau: l'alimentation PC qui servait à me fournir le 12 V s'est éteinte après +/- 2 heures de service.

C'est curieux. On dirait que la LED a été suralimentée à partir de la septième minute, ce qui expliquerait l'apparition de cette nouvelle courbe de montée en température, bien plus raide. L'alimentation stabilisée était peut-être en train de dériver jusqu'à ce qu'elle lâche au bout de deux heures ! La LED a-t'elle bien été alimentée sous 5W tout le long de l'expérience ?

Je n'ai pas pu appliquer intimement la sonde contre la base sous la LED à cause de la structure du radiateur. Les lamelles étaient trop rapprochées. Cela a probablement influencé les mesures.

C'est le même problème que la première fois. Il faut que la sonde soit au contact du radiateur sur une large surface de contact, et au plus près de la LED, sinon la chute de température sur la sonde devient trop élevée et surtout imprévisible !


Réflexion. L'air doit pouvoir circuler très facilement par convection entre les ailettes du radiateur pour que le refroidissement puisse se faire. La chambre d'éclairage est-elle assez ajourée et est-elle suffisamment éloignée de la table pour que la circulation d'air ne soit pas gênée ?


Pour info, j'ai trouvé chez Conrad ces petites alimentations secteur à découpage :
http://www.conrad.fr/alimentations_sect ... 759_450764
Au prix où elles sont, ça ne vaut vraiment pas la peine d'en réaliser soi-même. En particulier, la 16V - 1,6A et la 12V - 2A me paraissent bien adaptées pour alimenter nos diodes avec des modules LuxDrive ou autres...


Bonne continuation !