Le Naturaliste

Ortholux : remplacement ampoule tungstène par une LED en conservant le mécanisme de centrage

Démontage partie 1
Le démontage commence par le dévissage de l’ampoule M.
Il faut ensuite dévisser le cylindre L de sa base B.
Le socket en porcelaine J est maintenu sur sa base de fixation I par 4 vis qu’il faut enlever.
Ceci libère également la base I.
On peut arrêter le démontage ici si on veut remplacer l’ampoule tungstène par une LED.

Démontage partie 2

Pour poursuivre le démontage, dévisser le « bouchon » A qui est vissé dans le cylindre H.
Enlever le cylindre H, ce qui libère également la pièce G.
La suite du démontage est un peu plus problématique. En effet, la vis F (après avoir traversé la molette E, la base B, la pièce D et la paroi gauche de la pièce C) est retenue à l’intérieur de la pièce C par un anneau croissant clipsé dans une gouttière (voir flèche jaune ci-dessous).



Schéma d’un anneau « croissant »:

On pourrait tenter de libérer la vis F à l’aide d’un coup sur 2 petits tournevis identiques insérés dans les lèvres de l’anneau, mais je n’ai pas essayé ce démontage car il n’est pas nécessaire à l’installation de la LED.
Fonctionnement du mécanisme de centrage

Le socket en porcelaine J est maintenu par les 4 vis accompagnant la pièce J. Ces vis traversent librement cette pièce. Les 2 vis de droite (les plus courtes) sont vissées dans la pièce G, alors que les 2 vis de gauche traversent librement la pièce G et sont vissées dans la pièce D. Or, cette pièce se déplace de gauche à droite lorsqu’on tourne la vis F car la pièce D comporte un pas de vis pour la vis F. De cette manière, lorsqu’on tourne à fond la vis F dans le sens horaire, la pièce D se déplace à droite (car il s’agit d’un pas gauche), entraînant toutes les autres pièces solidaires (G, I, J).


D’autre part, le seul mouvement possible pour la pièce C est un mouvement circulaire autour du cylindre H. En desserrant la molette E, on peut imprimer à l’ensemble CDEF un quart de tour. Comme le cylindre H est décentré par rapport à la base B, le mouvement circulaire imprime au socket un déplacement dans un axe perpendiculaire au mouvement obtenu par la rotation de la vis F. Ainsi, l’ampoule est capable d’un déplacement dans un plan parallèle au plan C, permettant ainsi de centrer le filament sur l’axe optique du microscope.

Montage de la LED

Afin de conserver le bénéfice du mécanisme de centrage et, accessoirement, de préserver l’aspect original authentique du microscope, il y a lieu de remplacer le socket par un support permettant de fixer la LED au même endroit que l’ancien filament de tungstène tout en assurant une évacuation efficace de la chaleur de fonctionnement de la LED.

Dans un souci d’allier efficacité et économie, mon choix s’est tourné vers un radiateur en aluminium récupéré sur le microprocesseur d’un ancien PC.


Je l’ai découpé en forme d’hexagone de 32mm de diamètre afin de pouvoir y fixer le LED à l’aide de 3 petites vis M3 munies d’une rondelle en silicone pour que les têtes de vis ne touches pas les contacts électriques. De la pâte thermique (à l’oxyde de zinc) a été placée entre la LED et le radiateur avant fixation.

Le radiateur est maintenu en place à l’aide de 2 tiges filetées M4 de 75mm de longueur. Les tiges s’engagent dans deux encoches du radiateur et celui-ci est maintenu à sa face supérieure par 2 écrous. D’autre part, la base du radiateur repose sur une barrette d’acier traversée par les tiges filetées et soutenue par 2 écrous rendus solidaires des tiges grâce à une goutte de super-glue.

Les tiges filetées sont fixées par des écrous de part et d’autre d’une large rondelle d’acier de 40mmde large avec trou central de 14mm permettant le passage du câble électrique. La rondelle est montée à l’aide des 4 vis qui servaient à la fixation du socket. Ces vis sont montées avec 4 entretoises de 5mm séparant la pièce I de la rondelle de manière à ménager un espace pour loger les écrous inférieurs des tiges filetées.
Par souci de clarté du dessin, la LED n’a pas été représentée.
Seules deux vis mauves ont été représentées
Un nœud est fait dans le câble électrique pour empêcher une traction sur les soudures


Evaluation

Dans un premier temps, la LED testée est une LED de 3W alimentée par le système décrit ICI

Evaluation de l’éclairage :
-La puissance lumineuse d’une LED 3W est largement suffisante (testée jusqu’à l’objectif 40x). La plupart du temps, il faut baisser l’intensité.
-Contrairement à l’éclairage tungstène, la lumière est blanche. Le filtre bleu est contrindiqué.
-L’ensemble du champ est couvert uniformément.

Evaluation du centrage :
-Le système de centrage est très efficace. Un petit décentrage entraîne rapidement une baisse de la luminosité et un éclairage non uniforme du champ.

Evacuation thermique :
-Après installation de la lampe dans son logement, j’ai dévissé l’une des faces de ce logement pour insérer une sonde au contact des ailettes du radiateur. Avec la LED à pleine puissance, la T° indique 54 à 55° après +/- une minute. Cette température reste la même après 2 heures. Ceci indique, me semble-t-il, une conduction efficace de la chaleur vers les ailettes.


J’ai également fait une mesure en plaçant la sonde dans la chambre d’éclairage, non au contact du radiateur et en refermant le couvercle. La T° indique alors 35° pour une température ambiante de 25,6°. La tôle de la chambre est tiède.

Après vérification, il s’avère qu’à pleine puissance, la LED était alimentée par un courant de 823mA. En diminuant la puissance jusqu’à 700mA, la T° au contact des ailettes redescend à 50°

Outillage nécessaire
A part des outils communs (tournevis, pince, scie à métaux, foreuse), le seul outil un peu plus particulier est un taraud de 3mm pour les trous de fixation de la LED dans le radiateur, ainsi qu'un tube de pâte thermique.

Conclusion
Les montages proposés précédemment (Voir Christian et Alain) faisaient appel à un cylindre d'aluminium nécessitant un tour ou un ami tourneur. Ce cylindre étant fait avec grande précision, un système de centrage de la LED n'était pas nécessaire. La LED était montée exactement au centre et le cylindre pouvait donc rester immobile. Le montage présenté ici étant beaucoup moins précis, il était impératif de conserver l'ajustement du centrage final. Il ne s'agit donc pas d'un luxe mais d'une nécessité.

Au départ, je pensais que le radiateur à ailette serait plus efficace que le cylindre plein pour évacuer la chaleur. D'après les mesures de T° que Christian a donné dans l'un de ses posts, il semble que je me sois trompé.

Bonne soirée à tous et à la prochaine.

P.S. A propos de prochaine... Christian, j'ai récupéré un beau petit moteur pas à pas sur une vielle imprimante...

Bonsoir Jean-Marie, Christian,

L'idée d'utiliser l'espace initialement entre le filament et la douille de la lampe pour y loger un petit radiateur supportant une LED de remplacement est très bonne et pourrait rendre bien des services. J'ai juste quelques craintes au sujet de la mesure de la température et de la capacité de ce radiateur à évacuer le chaleur de la LED.

Ce qui est important est la température au niveau de la jonction de la LED alors que cette jonction est évidemment inaccessible. Glisser une sonde de température entre les ailettes du radiateur donne une valeur plus faible que la température réelle de la jonction pour deux raisons essentielles :
1. L'air entre les ailettes et la sonde joue le rôle de résistance thermique et freine le passage de la chaleur vers la sonde.
2. La chaleur qui arrive quand même dans la sonde s'évacue par le fil.
Il y a donc abaissement de la température de la sonde par rapport au radiateur et je suis bien incapable de l'évaluer ! (L'analogie électrique est un diviseur de tension à deux résistances, la première correspondant à la résistance thermique radiateur-sonde et la seconde à la résistance thermique par le fil. On pourrait aussi ajouter un condensateur pour prendre en compte la masse de la sonde qui accumule de la chaleur.)

Christian avait proposé dans un autre post de coller une thermistance dans un petit logement du radiateur au plus près de la LED. La résistance thermique entre la jonction et la sonde est donc plus faible, et le résultat est par conséquent plus précis. Quoi qu'il en soit, la température réelle sera toujours supérieure à la température mesurée. C'est cette différence de température qu'il faut réduire le mieux possible pour avoir une mesure plus précise.

Jean-Marie relève quand même une température de 55°, ce qui veut dire que la température réelle de la jonction est peut-être de 70°, 80°, ou plus, je ne saurait le dire. Le radiateur est peut-être un peu faible ? Comme il y a de la place dans la chambre d'éclairage de cet Ortholux, pourquoi ne pas étendre latéralement la surface du radiateur, tout autour de la LED ? L'important est que l'air puisse circuler correctement : entrer par un coté de la chambre, passer entre les ailettes du radiateur et ressortir de l'autre coté.

Nota : Les radiateurs de processeurs se négocient dans les vides-greniers entre 1/2€ et 1,5€. Bien-sûr il faut il faut démonter le radiateur et jeter le processeur (d'ailleurs dépassé ou grillé), mais il est donc facile de se constituer un petit stock en prévision de futurs bricolages...

Bonne continuation...

Hello Gérard,

Ce qui est important est la température au niveau de la jonction de la LED alors que cette jonction est évidemment inaccessible. Glisser une sonde de température entre les ailettes du radiateur donne une valeur plus faible que la température réelle de la jonction

La sonde (dont l'embout est métallique) n'était pas seulement glissée entre les ailettes. Elle était coincée et écartait très légèrement les ailettes, ce qui explique que je ne pouvais pas la placer plus près de la plaque de soutien de la LED. Ceci étant, il est clair que la T° de la jonction est la seule qui importe mais qu'elle est non mesurable.

Je pense que les conditions de transmission de la chaleur au radiateur sont excellentes car la surface du radiateur est justement prévue pour cette transmission. Elle est finement grainée. Voici une photo prise à la loupe binoculaire :



J’ai lu un jour qu’une telle surface est beaucoup plus favorable à la transmission de chaleur qu’une surface lisse comme un miroir car les irrégularités se font plus ou moins écraser et déformer à la pression, entraînant des milliers de points de contact au lieu de trois points de contact entre deux surfaces parfaitement lisses.

De plus, j’ai utilisé de la pâte thermique « ZALMAN Thermal Grease » (1.2W/mK). Ne me demande pas la signification de ces unités, mais ZALMAN Tech est une firme spécialisée dans les radiateurs sophistiqués pour microprocesseurs.

Le radiateur est peut-être un peu faible ? Comme il y a de la place dans la chambre d'éclairage de cet Ortholux, pourquoi ne pas étendre latéralement la surface du radiateur, tout autour de la LED ? L'important est que l'air puisse circuler correctement : entrer par un coté de la chambre, passer entre les ailettes du radiateur et ressortir de l'autre coté.

Gérard, tu me donnes des idées.


Au départ, j’ai limité la surface du radiateur car il devait non seulement passer par le tube T1 mais encore permettre un certain déplacement autour du centre. Mais en regardant la photo, je me suis effectivement rendu compte qu’une fois dans la chambre d’éclairage, l’espace est beaucoup plus large. D’où trois solutions possibles si on veut élargir le radiateur :

• -Soit conserver le système de centrage d’origine, ce qui implique de monter le radiateur muni de sa LED après la pose de la base de centrage et en accédant à la chambre après démontage de la plaque comme sur la photo. Le radiateur doit quand même rester +- 5mm plus étroit que la chambre pour permettre le centrage.
  -Soit découper le radiateur à la dimension exacte de la chambre. Il faut alors particulièrement bien soigner le centrage de la LED car il n’y a plus d’ajustement possible. Ceci n’est peut-être pas facile du tout pour un petit atelier de bricolage.
  -Soit découper le radiateur un peu plus petit que la chambre comme dans la première solution et prévoir un système d’adossement réglable aux parois de la chambre, un peu comme la fixation des prises de courant et des interrupteurs dans le mur.

Si on supprime les tiges filetées, il est même peut-être possible d’insérer un miniventilateur dans le tube T1. On pourrait même pousser la sophistication jusqu’à prévoir une régulation de sa vitesse en fonction de la T° du radiateur.

Voilà matière à réflexion.

Bonjour Jean-Marie,

Je pense que les conditions de transmission de la chaleur au radiateur sont excellentes...

Je le pense également, surtout avec de la pâte thermique. C'est plutôt la transmission de chaleur entre le radiateur et la sonde qui me tracasse car il n'y a juste que quelques points de contact, le reste devant passer par une couche d'air. La mesure faite est donc minorée, et peut-être fortement.

En fait, j'avoue ne pas bien savoir quelle température peuvent supporter ces LEDs de puissance. Lors de discussions anciennes avec Jean-Marie Cavagnac sur Mikroscopia, le chiffre de 55°C avait été avancé au delà duquel le rendement lumineux et la durée de vie de la LED décroissent. Mais il me semble avoir vu des courbes de caractéristiques de la Luxeon K2 en fonction de la température, ces courbes allant jusqu'à 150°C je crois ! C'est donc certainement une question de génération et de technologie. Si quelqu'un a des informations plus précises à ce sujet, elles nous seraient bien utiles...

(Cette question m'intéresse car je viens d'acheter un Dialux gris sur eBay et je suis en train de cogiter une éclairage par Luxeon K2 dans le pied, d'abord avec une seule Luxeon K2 et je l'espère ensuite avec trois ou quatre, leur alimentation ne posant à priori aucun problème avec un module "Luxdrive" dont il avait été discuté il y a déjà un certain temps sur ce forum. Je crois qu'on va bien s'amuser !)

Bonjour Jean-Marie et Gérard,

Je pense aussi qu'il est préférable de relever la température au plus proche du point de jonction.
Pour mes derniers tournages, j'ai noyé la sonde CTN dans de la pâte thermique, dans le support et sous la Led.
J'avais lu dans les doc techniques qu'il fallait ajouter environ 20° supplémentaire (par sécurité) en relevant la temp. de cette façon.
Dans le cas du montage de Jean-Marie, je pense que l'évacuation est un peu trop juste et qu'une perte de luminosité est à prendre en considération. D'autre part cela influe aussi sur la durée de vie de la Led.

Ci-joint un graph. pour la Luxeon 5W (température de jonction max = 120°)
On voit qu'avec cette mesure de 54°, auquel je pense on puisse largement ajouter 30° voir plus (!?) nous obtenons un point de jonction à env. 85° et un rendement diminué à moins de 80%

P.S. A propos de prochaine... Christian, j'ai récupéré un beau petit moteur pas à pas sur une vielle imprimante...

Bien bien !
Pour ma part je suis en train de me fabriquer une forge /four de fusion à gaz !

Hello Gérard et Christian,

En cherchant un peu dans les datasheets, j'ai trouvé la même courbe que Christian. Par contre, dans les caractéristiques générales de la Luxeon K2, je trouve ceci:

• LUXEON K2
  Highest operating junction temperature available: 185°C
  Industry leading lumen performance: > 140175 lumens in 6500K white
  Highest Drive Currents:1500 mA
  Lowest Thermal Resistance : 9°C/W

Cependant, on ne dit pas combien de temps la LED tient à 185°C

J'attends d'ici quelques jours une LED 5W. Pour la mettre en œuvre, j'agrandirai certainement le radiateur car le montage actuel est sans doute limite pour la 3W. Il est en effet probable que je perds de l'efficacité lumineuse à cause de la T° de jonction. Ce que je n'ai pas encore compris c'est pourquoi mes mesures de T° se baladent entre 50 et 55° alors que, si je me souviens bien, toi Christian, tu as dans les 35° avec une sonde bien mieux placée que la mienne (je ne sais plus si ces mesures sont pour une LED 3W ou une 5W).
La T° du radiateur dépend non seulement de la T° de jonction et de la qualité du contact thermique mais aussi du transfert de chaleur entre le radiateur et l'air. Ce transfert est fonction de l'étendue de la surface (à mon avis mon radiateur de µprocesseur est avantagé par rapport à ton cyclindre), de la couleur de la surface (le noir mat irradie mieux, donc aussi avantage pour moi), de la T° de l'air et de la circulation d'air. La différence de nos mesures viendrait-elle d'un survoltage de ma LED ?

Je suis absent demain, mais dès que possible, je revérifie mes mesures.

Pour ma part je suis en train de me fabriquer une forge /four de fusion à gaz !

Ce n'est certainement pas pour réussir ta sauce caramel. Alors, vite des détails. Tu me mets en appétit !

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

Avec une Led, un simple cylindre correctement usiné présente l'émetteur pile poil dans l'axe du collecteur.

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

Re,

Effectivement, tourner ou faire tourner un cylindre de cette taille n'est pas à la disposition ou à la bourse de tous.
Par ailleurs, même si on possède un tour amateur, trouver un rondin alu brut de ce diamètre (env 44-45 mm) n'est pas chose aisée !
Je trouve que l'approche de Jean-Marie est aussi très intéressante, avec peut-être quelques améliorations à effectuer.

Quelques ajouts:
- 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.
- Un des avantages d'un cylindre compact est qu'il est solidaire du statif du microscope (ou boîte à lumière) et évacue plus facilement une partie de la chaleur par transmission dans celui-ci.
L'idéal je pense étant de cumuler transmission dans le statif et refroidissement par ailettes à l'extérieur. De cette façon, un ventilateur n'est pas utile, et de toute façon pas très souhaitable puisqu'il va brasser de la poussière et faire du bruit !
Je préfère largement les refroidissements passifs, d'ailleurs même avec l'Ostar 22W c'est pas impossible, mes essais comme ceux de Maraussan me l'ont confirmé !
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 ...
Mais si je "passais à l'acte", j'aimerais utiliser un max de matériaux de récupération. Pas question d'engraisser des grosses sociétés qui n'ont repris que les essais des amateurs !

La différence de nos mesures viendrait-elle d'un survoltage de ma LED ?

Pour ma part je peux pousser sans problème la Luxeon 5W à 1 ampère, voir un peu plus et sans échauffement trop conséquent, mais en PWM (courant haché), ce qui change aussi en partie les données.
(celle-ci étant prévue pour 700mA max en alimentation "classique")
Si on l'alimente en tension, les mesures de températures ne vont qu'augmenter dans le temps et ne seront pas très fiables ... cas d'une alim de labo par exemple.
(tu ne parles pas de l'alim utilisée pour ces tests ?)