26/04/2011

La chaleur des LED's

Bonjour,

Au hasard de mes conversations, je remarque qu'il existe un certain flou dans la perception qu'ont les consommateurs de certaines spécificités de l'éclairage à LED.

Un de ces points nébuleux concerne la problématique de la chaleur dans les ampoules LED que l'on dit pourtant tellement efficaces qu'elles n'en produisent que très peu.

Eh oui, cela peut paraître paradoxal, mais cette chaleur produite et les moyens à mettre en oeuvre pour l'évacuer constituent actuellement les défis majeurs pour les producteurs d'ampoules à LED.

Pour bien comprendre, il faut mettre en lumière (jeu de mots ;-) ) une différence fondamentale entre les ampoules à incandescence (y compris à halogènes) et les LED's.  Rassurez-vous: je tâcherai, comme d'habitude, de ne pas entrer dans trop de détails techniques et de rester compréhensibles pour tous.

Electric_bulb_filament.jpgDans une ampoule à incandescence, comme son nom l'indique, on fait chauffer un filament jusqu'à un point où il devient incandescent.  Pour y arriver, il faut arriver à des températures pouvant atteindre les 3000°C.

En y réfléchissant un peu, on se rend compte que tout le principe de ce type d'ampoule repose sur le fait que l'on produit une chaleur telle que cela produise de la lumière.  Donc en somme, la lumière n'est qu'un effet secondaire de la production de chaleur.  Et d'ailleurs, les chiffres de rendement le prouvent bien, puisque 90 à 95 % de l'énergie consommée est transformée en chaleur et donc seul le résidu est réellement émis sous forme de lumière visible.

Dans les LED's, bien au contraire, on essaye de produire directement de la lumière (des photons).  Je vous ferai grâce des notions de physique sous-jacentes, surtout celles incluant des éléments de physique quantique (et puis parce que je ne suis pas sûr de tout bien comprendre moi-même... ;-) ).  Donc ici, la production de lumière devient le but premier de l'ampoule.  Mais comme rien n'est parfait, il existe aussi un effet secondaire: la production de chaleur.  La bonne nouvelle, c'est que ici, la chaleur n'est qu'un effet secondaire, et ne représente qu'une fraction de l'énergie absorbée par l'ampoule (je n'ose avancer un chiffre vu la très grande disparité existant sur le marché et les progrès considérables en cours de réalisation).

Mais alors, si cette chaleur n'est qu'une fraction d'une consommation électrique déjà largement inférieure à celle d'une ampoule à incandescence, comment se fait-il que cela pose un tel problème aux ingénieurs ? 
Et bien tout simplement parce que, si un filament d'ampoule à incandescence peut supporter des températures jusqu'à 3500 °C car il est conçu pour cela, les matériaux semi-conducteurs qui constituent les LED's supportent très mal des températures dépassant 80°, 100°C ou 120°C selon les technologies.

LED_bulbs.jpgDe plus, cette chaleur est produite sur une très petite surface: les parties émettrices de lumières des LED's ne couvrent pas plus de quelques mm².   Il n'est donc pas toujours simple de capter cette chaleur pour la diriger vers l'extérieur.  Les circuits électroniques intégrés dans le culot dissipent aussi un peu de chaleur qui vient s'ajouter au reste, et là aussi, il faut pouvoir la dissiper.  C'est ainsi que vous trouverez dans le commerce, à partir d'une certaine puissance, des ampoules LED's, voire même des luminaires complets, avec des formes étudiées pour faciliter la dissipation de la chaleur vers l'extérieur: petites ailettes agissant comme un radiateur, fentes d'aération disposées de telle sorte à favoriser la convection de l'air à l'intérieur du dispositif, etc...

La clé de compréhension du paradoxe est donc de bien comprendre que les principes de fonctionnement des ampoules à incandescence et des LED's sont totalement oppposés: Dans une ampoule à incandescence, on crée une très haute température qui a pour effet secondaire de produire de la lumière tandis que dans une LED, c'est la chaleur qui n'est qu'un effet secondaire de la production de chaleur.

Dans un prochain article, j'évoquerai les facteurs de vieillissement des LED's, les causes de pannes possibles et les points d'attention à garder à l'oeil lors de l'achat d'ampoules ou de luminaires à LED's.

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