Chapitre 4 : Prototype de luminaire à LED
4.3 Modélisation thermique
4.3.2 Simulations thermiques effectuées avec COMSOL Multiphysics :
COMSOL Multiphysics est un logiciel de simulation numérique basé sur la méthode des éléments finis. Ce logiciel permet de simuler de nombreuses situations physiques rencontrées en ingénierie, et tout particulièrement les phénomènes couplés. Dans notre cas, seul l’aspect thermique sera étudié.
132 | P a g e
Le logiciel AutoCAD est un logiciel de dessin industriel qui nous a permis de dessiner une ou plusieurs LEDs dans leur environnement de fonctionnement avec leur PCB puis de les représenter à leur place dans le prototype du luminaire mis en œuvre. Le dessin est ensuite transféré dans COMSOL Multiphysics, ce qui facilite beaucoup la modélisation thermique. Les pièces sont assemblées plus facilement et il n’y a aucun risque que l’une d’elles soit fusionnée avec une autre par erreur.
Figure 96 : Représentation en 3D sous Autocad du prototype complet
Figure 97 : Représentation en 2D sous Autocad d’une barre de LED du prototype
Les dimensions du luminaire ont été mesurées sur un luminaire qui a été démonté pour que l’optique soit réutilisée (Lucipanel 40W du fabricant Lucibel). Ce luminaire a l’avantage d’avoir un support esthétique, facile au montage démontage et simple de conception. Il est composé principalement de 4 barres de profilé en aluminium pour la dissipation thermique, d’un guide d’onde pour la convergence des rayons lumineux et d’un diffuseur pour ouvrir la répartition de la lumière et limiter l’éblouissement lié à l’émission de lumière des LEDs.
La modélisation thermique en 3D permet d’avoir une idée beaucoup plus précise de la température des LEDs en fonctionnement que la méthode équivalente électrique. Cela nous permet également d’avoir une indication principalement sur leur durée de vie et donc celle du luminaire.
Paramètres utilisés pour les simulations :
Pour ce type de simulations, nous faisons aussi l’hypothèse de ne considérer que le transfert de chaleur par conduction, la convection et le rayonnement étant négligés. La température ambiante a été choisie arbitrairement pour être de 20 °C. Comsol a besoin d’une valeur en 𝑚𝑊3 Pour modéliser l’émission de
133 | P a g e
chaleur de la LED. Le volume estimé de la LED est calculé en prenant les dimensions données par le fabricant. Soit 1,4 x 1,4 x 0,1 mm3, ce qui donne un volume estimé de 196e-12 𝑚3. La puissance de
fonctionnement simulée est choisie d’après les mesures électriques au point optimum soit de 193 mW. Chacune des LEDs est une source de chaleur de 9,847 x 108 𝑊. 𝑚−3.Le refroidissement de la barre ou
du prototype dans les simulations est assuré par transfert convectif. Le coefficient de transfert de chaleur h (en 𝑊
𝐾 𝑚²) a été choisi en prenant le cas d’une convection forcée par air, soit une valeur de
250.
Pour le cas de la barre, toutes les surfaces seront refroidies. Dans le cas du prototype, la plaque dans le faux-plafond et les 4 surfaces maintenant le diffuseur sur le profilé seront refroidies. Chaque simulation a été programmée pour simuler 8 h de fonctionnement.
Les performances des matériaux composant le luminaire qui ont été intégrées dans les simulations sont résumées dans le tableau suivant :
Élément Matériau utilisé
Profilé Aluminium (Al)
Substrat de la LED Alumine (Al2O3)
PCB Époxy (FR4)
Puce semi-conductrice de la
LED Carbure de Silicium (SiC)
Tableau 30 : Les différents matériaux composant le prototype
134 | P a g e
La figure 98 montre la description géométrique simplifiée sous Comsol. Dans le logiciel, le profilé a été séparé en 2 parties. La première permet de maintenir le guide d’onde et le diffuseur et la seconde maintient la plaque pour refermer le luminaire. Il faut noter que pour la modélisation de la LED, le dôme en résine transparente n’a pas été dessiné.
Figure 99 : Résultats de la répartition de la chaleur simulée dans Comsol sur une barre de LED
Comsol fournit 2 sortes de cartes de températures en résultat. La première permet d’observer la propagation de la chaleur entre 2 LEDs placées côte à côte. Pour notre cas, cela a permis de vérifier que la chaleur émise par composant n’influence pas les LEDs entre elles. Il aurait donc été possible de mettre les LEDs plus proches. Cependant, lors de la conception, il nous a semblé important de répartir ces LEDs sur toute la longueur pour des raisons d’uniformité de lumière. Elles sont placées à 25 par barre.
135 | P a g e
Figure 100 : Détail de la répartition de la chaleur simulée avec l’outil Comsol dans une section de la barre de LED
La seconde carte des températures fournit une coupe de la barre et montre la propagation de la chaleur dans le PCB et l’armature en aluminium. Ici, la chaleur se diffuse principalement dans le PCB et n’atteint pas le profilé. Au début, ce dernier était en aluminium pour maximiser le transfert de chaleur. Vu les premiers résultats, cette simulation a été réalisée avec un matériau en époxy beaucoup moins cher et lourd. Elle montre que vu la faible émission de chaleur, un PCB avec une faible conductivité thermique est suffisant. En effectuant les simulations, il apparait que la température au sein de la LED peut être évaluée une fois stabilisée aux alentours de 33 °C comme le montre la figure 101.
Figure 101 : Mesure de la température sur une barre de LED pendant 8 h de fonctionnement à courant optimal
0 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Tem pera ture (° C ) Temps (s)
136 | P a g e
Pour comparer avec les simulations, les mesures ont faites sur la barre de LED placée dans une salle fermée avec une convection forcée maintenant la température ambiante à 20 °C comme le montre la figure 102. La température est très chahutée en lien avec les pics et les oscillations dues à la climatisation de la salle. Nous pouvons constater que la température donnée par la simulation et la mesure sont comparables validant ainsi notre approche de simulation.
Impact sur la durée de vie du luminaire :
Figure 102 : Température mesurée dans le prototype et dans l’environnement sur 8 h de fonctionnement
L’étude sur la barre avait comme objectif de comprendre le fonctionnement du logiciel avec un exemple simple à réaliser et à vérifier. Notre objectif était initialement t d’observer l’élévation de température dans le cas du luminaire complet, pour permettre d’en évaluer la durée de vie des LEDs. Une fois assemblé, le prototype a été équipé d’un thermocouple au plus proche d’une LED et un second a été placé dans l’environnement pour observer comment évoluent ces dernières. En observant la figure 99, il est possible de voir qu’entre la température de la salle d’optique et le prototype, il y a un écart un peu près constant de 0,8 °C, ce qui est somme toute très faible. La température semble un peu osciller autour de 240 min, cela est dû à un courant d’air créé par une personne qui est entrée dans la salle lors de ces relevés.
Pour estimer la durée de vie du luminaire, nous avons fait appel aux diagrammes proposés par [110- 111] dont un exemple est donné en figure 100.
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 20.6 20.65 20.7 20.75 20.8 20.85 20.9 20.95 21 Minute (min) Tem péra ture (° C ) Luminaire Environnement
137 | P a g e
Figure 103 : Impact de la température sur la durée de vie pour une LED CREE d’après [110]
Dans notre cas, pour un usage professionnel du luminaire, nous avons supposé une utilisation de 10 h de fonctionnement par jour pendant 251 jours par an. Ce qui représente 2510 h de fonctionnement annuel. D’après la figure 100 à 21 °C de température de fonctionnement, la durée de vie de ce luminaire est estimée à au moins 40 000 h, soit seize années de fonctionnement.
Globalement, nous en déduisons qu’Une LED a besoin d’avoir sa température de jonction au minimum inférieure à 50 °C pour assurer le maximum de durée de vie. Il est impossible de mesurer la température de la jonction d’une LED avec les moyens expérimentaux à notre disposition. Cette dernière est approximée à la température du PCB qui est mesurable avec un thermocouple soudé au plus proche de la LED.