Les LED transforment l’électricité en lumière. Au cours de ce processus, de la chaleur est également générée en tant que sous-produit. La principale cause de défaillance des LED réside souvent dans une gestion thermique insuffisante. Par conséquent, toute application utilisant des LED doit prendre en compte la quantité de chaleur générée par ces dernières et la manière de gérer efficacement cette chaleur.
Contrairement aux ampoules à filament à incandescence, les LED ne dissipent pas de chaleur directement à partir de la source lumineuse elle-même. Ils transfèrent plutôt la chaleur de la jonction PN vers la barrette thermique située dans le boîtier de la LED. La patte thermique n’est pas connectée électriquement, mais elle est soudée au circuit imprimé. Elle est positionnée sous la puce de la LED et évacue la chaleur à travers celle-ci vers la carte de circuit imprimé.
Que se passe-t-il lorsqu’une LED surchauffe ?
En général, la température maximale de jonction d’une LED standard est d’environ 150°C. Lorsque les LED dépassent leur température optimale, cela peut entraîner une défaillance totale des LED. Avant la défaillance de la LED, d’autres impacts sur ses paramètres et ses performances peuvent être observés. Par exemple, saviez-vous que la couleur et la luminosité des LED sont sensibles à la température ?
- Effets sur la longueur d’onde dominante. Cela dépend effectivement de la température de jonction. Une hausse de la température de jonction peut entraîner une augmentation des longueurs d’onde, induisant ainsi un léger changement de couleur.
- Effets sur l’intensité lumineuse. Il existe une relation entre la température de jonction et le flux lumineux. En augmentant la température, le flux lumineux diminue. Les différentes longueurs d’onde présentent des sensibilités variables à cet effet, l’ambre étant particulièrement sensible.
- Effets sur la durée de vie des LED. La fiabilité des LED est directement liée à la température de jonction. Une température de jonction plus élevée entraîne souvent une diminution de la durée de vie des LED ainsi qu’une baisse de leurs performances.
- Effets de la tension directe. Cela peut poser des problèmes lorsqu’une LED fonctionne à tension constante. Avec une augmentation de la température, la tension directe diminue, induisant ainsi une augmentation du courant et, par conséquent, une variation de la luminosité des LED.
Méthodes de gestion thermique
Optimiser la gestion thermique des LED en dissipant la chaleur est essentiel pour garantir leur efficacité. Une approche largement adoptée consiste à recourir à un refroidissement passif en utilisant des dissipateurs thermiques et des matériaux d’interface thermique afin de canaliser l’excès de chaleur et de maintenir les LED à des températures optimales. Cette méthode permet de transférer efficacement la chaleur de la jonction des LED vers le dissipateur, d’où elle est ensuite dispersée dans l’environnement.
Dissipation thermique
Un dissipateur thermique est essentiellement un bloc de métal qui agit comme un dispositif passif en évacuant la chaleur d’un appareil électronique et en la dispersant dans l’air. Les métaux les plus couramment utilisés pour les dissipateurs thermiques sont le fer, l’aluminium et le cuivre. Le cuivre offre généralement la conductivité thermique la plus élevée, mais il représente également une solution plus coûteuse. En revanche, le fer présente une conductivité thermique plus faible. L’aluminium offre un bon compromis avec une conductivité thermique satisfaisante pour un prix plus avantageux. Par ailleurs, la forme et la conception d’un dissipateur thermique jouent un rôle crucial dans son efficacité de refroidissement. Un dissipateur doté d’ailettes extrudées offre une surface plus étendue, ce qui favorise une dissipation de chaleur plus efficace par rapport à un dissipateur sans ailettes.
Comment les matériaux d’interface thermique améliorent les avantages du dissipation thermique
Le matériau d’interface thermique est utilisé pour combler les poches d’air entre la surface du dissipateur thermique et celle du circuit imprimé de la LED. En créant une couche continue, le TIM facilite une évacuation plus efficace de la chaleur des LED vers le dissipateur. Ainsi, l’utilisation du TIM peut renforcer les avantages d’un dissipateur thermique et prolonger la durée de vie efficace de vos LED.
Pour illustrer cet effet en pratique, nous avons pris une LED Powerstar montée sur un dissipateur thermique et l’avons alimentée pendant 30 minutes. Une fois le délai écoulé, nous avons mesuré la température du dissipateur à l’aide d’une caméra thermique afin d’évaluer la quantité de chaleur absorbée par celui-ci. Nous avons ensuite répété cette procédure avec la même configuration, mais cette fois en ajoutant un morceau de matériau thermique entre le dissipateur thermique et la Powerstar.
L’image ci-dessous illustre clairement que l’utilisation du matériau thermique a favorisé une évacuation accrue de la chaleur vers le bas du dissipateur thermique. La différence observée est d’environ 8°C.
À gauche : LED Powerstar, dissipateur thermique sans matériau d’interface thermique.
À droite : LED Powerstar, dissipateur thermique avec matériau d’interface thermique.
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