Intégrer des leds dans un Par, pour faire un Par à Leds

Le circuit que nous intégrerons dans le Par doit avoir une dimension maximale qui est fixée par l'ouverture de la coque du projecteur.
Cette dernière nous autorise à avoir un PCB circulaire d'une dimension maximale de 48mm de diamètre. C'est court, très court. Nous fixons directement les choix suivants: Le projecteur aura 6 leds de hautes puissances de type LuxeonRebel. Chaque led aura un collimateur (au choix de l'utilisateur mais pour cette réalisation, j'ai choisis des collimateurs de chez "Polymer-Optics"). Le régulateur devra s'intégrer sur le PCB, au même niveau que les leds (tous les composants seront montés au top). Le courant maximum injecté dans les leds sera de 350ma (nous expliquerons plus tard ce choix). La propriété électrique et mécanique de la coque du Par ne nous permet pas d'utiliser des tensions d'alimentation supérieures à 24Vdc.

Le régulateur

Le premier défi de cette réalisation est de mettre en place un régulateur performant (un régulateur à découpage) qui tiendrait sur notre pcb. J'ai orienté ma recherche sur un drive d'alimentation à découpage de dimension très compacte et nécessitant peu de composants autour de lui pour fonctionner. Parmi tous les choix à ma disposition, j'ai choisi le LM3407 de National.

Ce composant permet de réguler le courant dans les leds jusqu'à 350ma, il possède une entrée dimmer qui permet de changer la puissance injectée dans les leds au travers d'une PWM. Le courant max est fixé au travers d'une résistance Risns. Le LM3407 possède une référence interne à 198mv. Ce qui signifie que le choix de la résistance Risns se fait au travers de la relation suivante:

Risns = 0.198V / Imax, Imax valant 350mA dans notre cas, Risns = 0.198 / 0.350 = 56 Ohms

Configurer l'alimentation à découpage

Nous venons de voir comment nous fixons le courant maximal dans les leds, mais pour obtenir un bon résultat, il est nécessaire de fixer les autres composants constituant notre alimentation à découpage. Comme nous en avons déjà parlé dans les articles précédents, nous choisirons rarement les composants nous-même mais nous nous baserons sur les conseils du constructeur de la puce. Ce cas de figure n'échappera pas à cette règle.

Nous avons 5 composantsà fixer:

• Rfs qui permet de fixer la fréquence de fonctionnement de l'alimentation à découpage (de 300kHz à 1MHz)
• Cin qui permet de faire face aux demandes de courant du composant et de réduire les perturbations électromagnétiques créées par ce dernier.
• Cout qui permet de lisser au mieux la tension aux bornes de la chainede leds et d'éliminer les parasites
• L1 qui est la self de l'alimentation à découpage
• Cvcc qui offre la stabilité au régulateur. En effet, bien qu'alimenté en 24V, le LM3407 a besoin pour fonctionner d'une source d'alimentation inférieure (4.5V). Il possède pour cela un régulateur linéaire interne qui à partir du 24V crée une tension de 4.5V, mais il est recommandé pour cela de placer au plus près des sorties VCC et GND une capacité de 1µF.

Le choix de Rfs permet de faire un compromis entre dimension du circuit et rendement. Plus la fréquence sera importante, plus les composants constituant le circuit pourront être de petite taille. Mais plus la fréquence sera faible, plus le rendement sera intéressant. Dans notre cas, nous choisirons de réduire au maximum la dimension du circuit. Ce choix peut augmenter les perturbations électromagnétiques générées par la carte, il est important d'en être conscient.

Fswitch(KHz) =40M / Rfs + 40, Fswitch étant 1 MHz (fréquence Max), Rfs = 40.2kOhms (valeur pour Fsw maxconseillée par National)

Cin permet de fournir instantanément le courant lorsque le mosfet interne à la puce commute. Il est nécessaire d'avoir une capacité "low ESR" (faible résistance en série), c'est le cas par exemple de capacité céramique ou au tantale. National recommande pour Cin, une capacité smd de 4.7uF X7R (type de capacité).

Cout n'est pas un composant obligatoire mais il permet de filtrerle ripple présent en sortie de la régulation. L'absence de Cout pourrait provoquer une très faible variation de luminosité. Il est recommandé de placer une capacité de queqlues µF, low ESR et dont la tension maximumvaut 2 fois la tension des leds (soit entre 35 et 50V dans notre cas).

Enfin le choix de L1, premièrement, il faut choisir une inductance dont la fréquence de résonance est supérieure à la fréquence de notre circuit. Deuxièmement, elle doit permettre de faire passer un courant supérieur à 350mA. Le choix de la valeur de ce composant peut être donné au travers d'une série de formules données dans le datasheet du constructeur. Pour y arriver il sera nécessaire de fixer le ripple max souhaité. Le ripple est difficile à fixer soi-même, si on veut un ripple extrêmement faible, la self qui le permettrait serait gigantesque et impossible à trouver. Le constructeur conseille de fixer Iself(ripple) à 0.8 IOut si nous avons une Capacité à la sortie COut, dans un autre cas, il faudrait le fixer à 0.2Iout.

Au lieu de faire de nombreux calculs, nous choisirons de nous référer à la table proposée par le constructeur, pour une fréquence de 1Mhz, une capacité de sortie de 4.7µF et 6 Leds à allumer, nous trouvons 22µH.

Le schéma ci-dessus est le résultat de notre analyse. Nous placerons un simple header pour connecter l'alimentation et offrir, à ceux qui le souhaite, l'accès à la pin Dim du LM3407.

Le PCB

De par les règles que nous avons fixées, nous savons que le PCB ne peut pas être plus grand qu'un circuit de 48mm de diamètre et doit inclure 6 collimateurs. L'électronique viendra se greffer au coeur des collimateurs, elle ne devra donc pas prendre plus de place qu'un seul de ces derniers.

Nous avons vu précédemment qu'une led de haute puissancechauffe, et qu'à la différence d'une ampoule à incandescence classique, il est nécessaire que la led reste froide. La raison pour laquelle nousavons limité le courant dansles leds à 350mA est directement liée à ce problèmedetempérature. Au-delà de 350mA la led chauffe beaucoup trop. Il est cependant quand même nécessaire de dissiper la chaleur qui sera produitepar laled.

Dans la réalisation de circuit, il y a plusieurs façons de dissiper la chaleur: en dissipant au travers d'un radiateur, en soufflant de l'air au travers d'un ventilateur, ... De manière générale, on essaye dans un premier temps de créer la plus grande superficie possible de cuivre en contact avec la puce à refroidir afin de permettre un meilleur échange de la chaleur.

Dans la réalisation d'un PCB pour des leds de puissances, deux solutions sont retenues: la première est d'utiliser un PCB alu. Ce dernier est constitué d'une surface cuivrée sur laquelle on gravera le circuit imprimé, en dessous de cette couche on trouve une faible couche d'isolant (50 à 100µm) ensuite une couche épaisse d'aluminium (2 à 3 mm). La chaleur est transmise à l'aluminium car la barrière formée par l'isolant est suffisamment faible pour permettre la conductivité calorifique. Il est toutà fait possible de graver ce type de circuit avec du matériel amateur, il est néanmoins requis de vaporiser la couche d'aluminium avec un vernis plastique de manière à la protéger pendant la gravure. Il est également possible de réaliser des circuits aluminium à plusieurs couches mais uniquement chez des sous-traitants bien équipés et en mettant le prix.

La deuxième solution, qui sera celle retenue pour cet article est de créer un PCB double couche et de placer au bottom une couche de cuivre importante et non vernie. Nous réalisons ensuite un lien thermique entre le top (où sont les composants à refroidir) et le bottom au travers de nombreux vias métalisés. Les vias vont conduire la chaleur et nous pouvons ainsi aisément placer un radiateur au bottom. Cette solution est très intéressante car elle en coute pas plus cher qu'un simple PCB double couche. Elle est néanmoins impossibleà réaliser soi-même.

Nous remarquerons également qu'une surface de cuivre a été créée sous le LM3407 qui possède un PAD thermique. Le design des empreintes des leds pour réaliser pareil montage n'est pas aisé. Pour cela, Philips Lumileds, le constructeur des Luxeons Rebels, met à disposition les bibliothèques pour nombreux logiciel de CAO électronique (altium, orcad, eagle, ...). Toutes les infos sont disponibles au bas de ce document.

Nous laissons sur la carte un petit trou qui permettra de la fixer à la coque du Par.

L'intégration dans le Par

Pour installer le circuit dans le Par, nous utiliserons simplement le PCB, un méccano que nous plierons pour l'occasion et un peu de visserie:

Nous devons repérer où le méccano doit être fixé au niveau de la coque du Par et agrandir le trou à ce niveau pour permettre le passage de la vis. Nous devons ensuite, par rapport à ce point, repérer où la carte sera fixée dans le Par et créer un nouveau trou.

Nous plions ensuite le méccano de manière à pouvoir le visser à la carte et qu'il ne soit pas plus haut que le PCB. Je conseille également de mettre quelques points de soudure entre le méccano et la carte, solidité et rendement thermique seront au rendez-vous.

Ensuite il faut fixer le méccano dans le Par, la tâche n'est pas aisée et dépend de la façon dont votre coque est construite. Dans mon cas, il y a une vis tranversale qui soutient la lance du par, je m'en suis servi pour ajouter la fixation de l'éclairage. Il est également nécessaire de coller, avec une colle résistance à la chaleur les collimateurs, sinon ils tomberont tout seul...

Test et conclusion

Il suffit de brancher la pin 1 du header à 24V et la pin 2 à la masse pour que le projecteur à leds s'allume. Ceux qui le souhaite peuvent placer une PWM sur la pin 3 et dimmer ainsi l'éclairage.

Nous remarquons directement que l'éclairage à leds est un éclairage très directif, qu'il est très difficile d'éclairer une pièce avec ce dernier. Cependant, pour éclairer un élément de décoration, pour "lecher un mur", ou pour fixer un point précis, le par à leds conviendra parfaitement.

Téléchargement et liens

Le site de lumileds: http://www.lumileds.com

Le site de Farnell (pour trouver les composants nécessaires): http://www.farnell.com

Schéma, exemple de pcb, footprint pour différents programme de CAO: Téléchargement