FR2862178A1 - Illuminateur hybride - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif illuminateur comportant une ou plusieurs LED (4) et un ou plusieurs composants de commande de courant et/ou d'autres composants d'illuminateur (3) couplés d'une manière thermoconductrice à une carte imprimée (2). La carte imprimée (2), à son tour, est d'une manière thermoconductrice intégrée à un élément de refroidissement (1) qui sert de partie de châssis de l'illuminateur afin de transférer de la chaleur générée par les LED (4) et les composants de commande de courant et/ou les autres composants (3) via la carte imprimée (2) vers l'élément de refroidissement (1) et, par ailleurs, depuis celui-ci vers d'autres structures de l'illuminateur et vers l'environnement ambiant.

Description

La présente invention concerne un dispositif illuminateur. La présente
invention concerne particulièrement le refroidissement d'un illuminateur comportant des LED.
Concernant les illuminateurs à LED de la technique antérieure, la question de l'adaptation de la tension doit être prise en compte lors de la fabrication de ces illuminateurs. Le terme LED est l'abréviation de diode électroluminescente. Lorsqu'un courant direct est délivré via une LED, la puissance restant dans la diode émet de la lumière. La chute de tension d'une unité de LED est approximativement de 2,0 à 4,0 Volts. La chute de tension est déter- minée conformément au courant, en grande partie en conformité avec une courbe de relâchement dynamique d'une diode habituelle. La chute de courant, à son tour, provoque une montée de la température de l'illuminateur et de tous ses composants.
Au fur et à mesure des progrès technologiques, des LED de plus en plus efficaces dont les capacités sont comprises dans une plage allant de 0,1 jusqu'à 5 Watts sont apparues sur le marché. Ces capacités ont tendance à s'accroître davantage au fur et à mesure que la technologie progresse. Cependant, la capacité d'illumination d'une LED est du même ordre de grandeur que celle d'une lampe à incandescence, c'est-à-dire de 6 à 8 %. Comme ceci est typique de toutes les réactions chimiques, il est également typique que la durée de vie des LED diminue lorsque la température monte (équation d'Arrhenius), c'est-à-dire lorsque la chute de tension s'accroît.
Dans les illuminateurs de la technique antérieure, lorsque la tension d'une LED dépasse une valeur de seuil de la tension de relâchement, la valeur du courant augmente sans limite, c'est la raison pour laquelle le courant des LED doit généralement être limité par l'intermédiaire d'un composant externe, par exemple une résistance. Du fait que les capacités des nouvelles LED aug- mentent constamment, il n'est plus ni économique ni même techniquement possible de monter des LED en série et de limiter le courant d'une LED unique par l'intermédiaire d'une résistance; à la place, un élément de couplage à faibles pertes électronique, ce que l'on appelle une alimentation à découpage, doit être utilisé dans ce but.
Cette alimentation à découpage permet de délivrer du courant à une LED à partir d'un courant plus élevé afin de limiter le courant à une valeur correcte pour la LED avec de très faibles pertes. Un exemple est un courant de 300 mA adapté à une LED de 1000 mW. Dans ce cas, un dispositif de découpage fait chuter le courant d'environ 20 Volts ce qui, limité par une résistance, provoque une perte de puissance d'approximativement 6 Watts. Ceci signifie une capacité électrique uniquement d'environ 15 % pour le couplage entier. Lorsque la tension d'alimentation est de 230 Volts, la capacité est uniquement une fraction de la capacité ci-dessus.
Lorsque la capacité d'illumination de la LED est également prise en compte, la capacité d'illumination du couplage entier est uniquement d'environ 2 à 3 %. La capacité électrique totale correspondante de l'alimentation à dé-coupage est d'environ 95 %. Dans des solutions de LED à faible puissance, cette perte de puissance n'a pas d'importance en termes économique mais lors-qu'une application unique peut comporter plusieurs douzaines de LED, la perte de puissance devient importante et au même moment la température intérieure de l'illuminateur monte, ce qui a pour effet de réduire la durée de vie des LED et des autres composants. Par conséquent, les solutions de la technique antérieure relatives aux illuminateurs ne sont plus adaptées en termes économique à une utilisation dans des illuminateurs comportant une pluralité de LED à haute puissance de 0,1 à 5 Watts.
Un but de la présente invention consiste ainsi à fournir un illuminateur pour permettre de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. Le but de la présente invention est atteint par un illuminateur caractérisé en ce que l'illumi- nateur comporte une ou plusieurs LED et un ou plusieurs composants de commande de courant et/ou d'autres composants d'illuminateur couplés d'une manière thermoconductrice à une carte imprimée, et au moins un élément de refroidissement qui sert de partie de châssis de l'illuminateur et qui est intégré à la carte imprimée d'une manière thermoconductrice afin de transférer de la chaleur générée par les composants de commande de courant et/ou les autres composants via la carte imprimée vers l'élément de refroidissement et, par ail-leurs, vers d'autres structures de l'illuminateur et vers un environnement ambiant.
Des modes préférés de réalisation de la présente invention sont décrits dans les revendications dépendantes.
La présente invention repose sur l'idée qu'un illuminateur comportant une ou plusieurs LED, des LED à haute puissance de 0,1 à 5 Watts en particulier, qui ont été montées sur une carte imprimée et qui puisent leur courant d'une source d'alimentation laquelle leur fournit de l'énergie, chauffe en résul- tat d'une perte de puissance provoquée par les LED et d'autres composants, et ceci raccourcit la durée de vie des LED et des autres composants. Ainsi, conformément à la présente invention, les LED et les composants commandant celles-ci sont fixés à une carte imprimée qui est par ailleurs fixée d'une ma- nière thermoconductrice à un élément de refroidissement servant de châssis de l'illuminateur, le but de l'élément de refroidissement étant de transférer la cha- leur générée par la carte imprimée et les composants contenus dans celle- ci vers d'autres structures de l'illuminateur et, par ailleurs, à partir de celles-ci, vers un environnement ambiant. De manière préférée, l'élément de refroidissement est une plaque/un profil métallique intégré à la carte imprimée d'une manière fortement thermoconductrice, les LED et les composants commandant celui-ci étant également fixés à la carte imprimée d'une manière fortement thermoconductrice. Un transfert de chaleur à partir de la carte imprimée et des composants contenus dans celle-ci ainsi qu'à partir des éléments situés à proximité de celle-ci effectué de cette manière garantit une longue durée de vie aux LED et aux composants. Ainsi, conformément à la présente invention, un illuminateur compact est réalisé dans lequel des LED et des composants de commande de courant ainsi que d'autres composants éventuels de l'illuminateur sont montés d'une manière thermoconductrice sur une carte imprimée la-quelle, à son tour, est fixée d'une manière thermoconductrice à un élément de refroidissement servant de châssis ou de partie de celle- ci, l'élément de refroidissement étant de manière préférée une plaque ou un profil métallique ther- moconducteur.
Le procédé et le système de la présente invention ont pour avantage de rendre compact les structures source d'alimentation-illuminateur, une source d'alimentation et des sources lumineuses étant refroidies de manière satisfaisante dans une structure hermétique. Il est alors possible de maintenir la durée de vie des LED et autres composants même dans une structure hermétique normale.
Dans un mode préféré de réalisation de la présente invention, un élément de refroidissement forme au moins une partie du châssis de l'illuminateur, l'élément de refroidissement étant une plaque ou un profil fortement thermoconducteur, de manière préférée une plaque/un profil métallique ou un revêtement métallique, fixé à une carte imprimée. En outre, dans un mode préféré de réalisation de la présente invention, la carte imprimée est montée dans sa totalité sur la surface du ou des éléments de refroidissement; cependant, la carte imprimée peut également être montée sur la surface de l'élément de re- froidissement uniquement de manière partielle.
Dans un second mode de réalisation de la présente invention, un élément de refroidissement est constitué de deux ou plusieurs revêtements, plaques ou profils ou d'une combinaison de ceux-ci agencés les uns sur les autres.
Conformément aux caractéristiques de la présente invention, la carte imprimée est fixée à un élément de refroidissement par une colle conductrice de chaleur, de manière mécanique ou par vulcanisation afin de transférer de la chaleur de manière efficace à travers la carte imprimée vers l'élément de re- froidissement.
La présente invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée en association avec les modes préférés de réalisation et en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique représentant un dispositif illu-10 minateur de la présente invention, muni d'un élément de refroidissement, et - la figure 2 est une vue représentant un illuminateur conformément à la présente invention.
La figure 1 représente une vue schématique d'un agencement d'illuminateur conformément à la présente invention dans lequel des LED 4 sont mon- tées sur une carte imprimée 2 à laquelle, à son tour, un élément de refroidissement 1 est fixé. La carte imprimée 2 peut être par exemple une carte à circuit imprimé constituée d'un stratifié de fibres de verre, un côté ou les deux côtés de celle-ci étant munis d'une feuille de cuivre électriquement et thermiquement conductrice ou de conducteurs en cuivre; ces cartes à circuit imprimé sont communément utilisées lors de la fabrication de composants appelés cartes à circuit imprimé multicouche. Cependant, outre ce qui précède, une carte imprimée peut également être une carte imprimée d'un autre type ou une carte à circuit imprimé dans laquelle à la place d'une feuille de cuivre un autre conducteur d'électricité est utilisé, et à la place d'un stratifié de fibres de verre un autre matériau de base est utilisé. Cette carte imprimée peut également faire partie d'une entité plus grande et, en fonction de l'application, en plus des composants d'illuminateur de base, elle peut comporter plusieurs autres composants.
Conformément à la présente invention, la carte imprimée 2 est fixée à l'élément de refroidissement 1 lequel dans ce mode de réalisation en exemple est une plaque en aluminium dont le but est de transférer de la chaleur générée par les LED 4 et les composants 3 agencés dans la carte imprimée 2 loin de la carte imprimée 2. La plaque en aluminium sert également de partie de châssis de l'illuminateur, transférant de la chaleur également vers d'autres structures de l'illuminateur et via celles-ci de manière efficace vers l'air ambiant. L'élément de refroidissement 1 peut également être constitué d'un autre métal, d'un alliage ou d'un autre matériau fortement thermoconducteur. La carte imprimée 2 est fixée à l'élément de refroidissement d'une manière qui permet un transfert de chaleur aussi efficace que possible. Dans ce mode de réalisation, la carte imprimée 2 est fixée à l'élément de refroidissement 1 en utilisant une colle fortement thermoconductrice. Cependant, la fixation peut également être réalisée par exemple en créant une liaison par vulcanisation entre la carte imprimée 2 et l'élément de refroidissement 1. La fixation peut également être réalisée de manière mécanique, en utilisant une pâte de silicone, laquelle améliore la thermoconductivité, ou tout autre matériau qui améliore le transfert de chaleur, entre une carte imprimée et une plaque en aluminium. Ainsi, une structure intégrée, fortement thermoconductrice, est obtenue, laquelle est formée par la carte imprimée 2 et l'élément de refroidissement 1.
Dans ce mode de réalisation, les composants 3 de la carte imprimée 2 sont des composants de commande de courant, mais ils peuvent également être d'autres composants relatifs au fonctionnement de l'illuminateur. Les composants de commande de courant, à leur tour, comportent un convertisleur-limiteur de courant, actif, tel qu'une alimentation à découpage.
Les éléments de refroidissement 1 peuvent avoir la forme de plaques ou de profils différents. Les profils peuvent librement varier tel que nécessaire et selon l'espace disponible dans le dispositif illuminateur. En variante, l'élé- ment de refroidissement 1 peut être un revêtement mince agencé dans la carte imprimée 2. Ces éléments de refroidissement 1 peuvent également être constitués de deux ou plus de deux couches ayant une capacité de transfert thermique similaire ou différente. Dans ce cas, par exemple un revêtement fortement thermoconducteur, mince peut être fixé à la carte imprimée laquelle, à son tour, est fixée au châssis fortement thermoconducteur de l'illuminateur, de manière à réaliser un élément de refroidissement bicouche.
A partir de l'élément de refroidissement 1, la chaleur générée par les LED 4 et les autres composants 3 est de manière préférée transférée vers le châssis du dispositif illuminateur et, par ailleurs, à partir de celui- ci vers l'environnement ambiant. Ce transfert de chaleur à partir de l'élément de refroidissement 1 vers l'environnement est réalisé simplement par exemple en fixant la carte imprimée au châssis du dispositif illuminateur d'une manière thermoconductrice, auquel cas l'élément de refroidissement 1 forme au moins une partie du châssis de l'illuminateur. La chaleur perdue générée par les composants de l'illuminateur peut ensuite être transférée vers l'environnement de manière continue, empêchant ainsi l'illuminateur de chauffer de manière excessive. La carte imprimée 2 peut ensuite être sélectionnée de sorte qu'il est facile de la fixer au châssis (l'élément de refroidissement) de l'illuminateur afin de réaliser une fixation aussi fortement thermoconductrice que possible. Dans ce cas, la carte imprimée peut être uniquement partiellement intégrée à l'élément de refroidissement 1 de sorte qu'une partie de sa zone de surface n'est pas du tout intégrée à l'élément de refroidissement 1 ou ainsi au châssis de l'illuminateur. Cependant, en variante et de manière préférée, la carte imprimée 2 est in- tégrée sur sa zone de surface entière à l'élément de refroidissement 1, c'est-à-dire le châssis de l'illuminateur.
La puissance des LED 4 utilisés dans les dispositifs illuminateurs de la technique antérieure peut être aussi élevée que 0,1 à 5 Watts, ce qui signifie que la chaleur perdue qu'ils génèrent a une grande importance en ce qui concerne la mise en température du dispositif illuminateur. Les LED et la source d'alimentation délivrant le courant à celles-ci, ou certains de leurs composants et d'autres composants 3 du dispositif illuminateur sont fixés à une plaque de circuit, de manière préférée à une carte à circuit imprimé, qui est constituée d'une base mécanique, électrique et thermoconductrice en vue d'une fixation pour ces LED 4 et ces composants 3. Du fait que les LED 4 et les composants 3 eux-mêmes chauffent également lorsque le dispositif illuminateur est utilisé, ils sont fixés de manière préférée à la carte imprimée 2 d'une manière fortement thermoconductrice. En pratique, ils sont fixés en utilisant une colle ou une pâte de silicone fortement thermoconductrice, par exemple. Ainsi, la chaleur perdue générée pendant l'utilisation peut être transférée de manière aussi efficace que possible directement depuis les LED 4 et les composants 3 via la carte imprimée 2 vers l'élément de refroidissement 1 et, par ailleurs, depuis celui-ci, via le châssis du dispositif illuminateur, vers l'environnement ambiant.
En suivant les principes décrits ci-dessus conformément à la présente invention, on obtient une structure pour un illuminateur qui est une structure compacte dans laquelle des LED, la ou les sources d'alimentation de celles-ci et d'autres composants possibles sont montés sur une structure de carte impri- mée à plaque de refroidissement qui est fortement thermoconductrice (forte- ment conductrice en termes de puissance de dissipation) de sorte qu'une "struc- ture hybride" est agencée dans laquelle la plaque de refroidissement constitue au moins une partie du châssis de l'illuminateur auquel la plaque de circuit in- cluant ses composants a été fixée d'une manière aussi thermoconductrice que possible. Lors de l'utilisation de cette structure conformément à la présente in- vention, la structure d'un illuminateur comportant des LED dont la capacité est de 0,1 à 5 Watts, ou même supérieure, peut être rendue compacte et uniforme sans que la durée de vie des LED ou des autres composants ne raccourcisse de manière considérable du fait de l'influence de la chaleur perdue étant générée.
La figure 2 représente un exemple d'un mode préféré de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, une carte imprimée 2 d'un illuminateur sur laquelle des LED 4, des composants de commande de courant et d'autres composants éventuels ont été montés est, d'une manière thermoconductrice, fixée à une plaque 1 qui est de préférence constituée d'aluminium et qui constitue une partie du châssis de l'illuminateur et qui, au même moment, constitue un élément de refroidissement 1. Dans ce mode de réalisation, le châssis de l'illuminateur comporte également une seconde partie de châssis 6 laquelle, en fonction du mode de réalisation, peut être constituée du même matériau que l'élément de refroidissement 1, ou peut être constituée d'un matériau différent. L'illuminateur comporte en outre une partie de châssis 5 qui constitue une lentille en grande partie transparente 5 de l'illuminateur. Ainsi, dans une telle solution, la chaleur générée par les LED et les autres composants est transférée depuis la plaque en aluminium 1, qui sert de partie du châssis et à laquelle la carte imprimée est fixée, vers l'environnement ambiant. Dans une telle solution, l'illuminateur est constitué d'un élément constituant uniforme dans lequel des LED et des composants de commande de courant ainsi qu'une carte imprimée comportant d'autres composants possibles et éventuellement également une partie de lentille à inclure dans la même entité constituante sont fixés au châssis ou à une partie de celui-ci qui sert d'élément de refroidisse-ment de l'illuminateur. Cette solution conformément à la présente invention fournit un illuminateur aussi compact et uniforme que possible dans lequel la durée de vie des composants ne varie pas par rapport à la normale.
Il est évident à l'homme du métier qu'au fur et à mesure des progrès technologiques, l'idée de base de la présente invention va pouvoir être mise en oeuvre de plusieurs manières différentes. La présente invention et ces modes de réalisation ne sont donc pas limités aux exemples décrits ci-dessus mais peuvent varier en restant dans la portée des revendications.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Illuminateur, caractérisé en ce que l'illuminateur comporte une ou plusieurs diodes électroluminescentes (LED) (4) et un ou plusieurs composants de commande de courant et/ou d'autres composants d'illuminateur couplés d'une manière thermoconductrice à une carte imprimée (2), et au moins un élément de refroidissement (1) qui sert de partie de châssis de l'illuminateur et qui est intégré à la carte imprimée (2) d'une manière thermoconductrice afin de transférer de la chaleur générée par les LED (4) et les composants de commande de courant et/ou les autres composants via la carte imprimée (2) vers l'élément de refroidissement (1) et, par ailleurs, depuis celui-ci vers d'autres structures de l'illuminateur et vers l'environnement ambiant.
2. Illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de refroidissement (1) forme au moins une partie du châssis de l'illuminateur.
3. Illuminateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de refroidissement (1) est une plaque ou un profil fortement thermoconducteur fixé à la carte imprimée (2).
4. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de refroidissement (1) est un profihune plaque métallique ou un revêtement métallique;
5. Illuminateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de refroidissement (1) est une plaque/un profil en aluminium ou un revêtement en aluminium.
6. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la carte imprimée (2) dans sa totalité est montée sur une sur- face de l'élément de refroidissement (1) ou des éléments de refroidissement (1).
7. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la carte imprimée (2) est uniquement partiellement montée sur une surface de l'élément de refroidissement (1).
8. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément de refroidissement (1) est constitué de deux ou plu-sieurs revêtements, plaques ou profils, ou toute combinaison quelconque de ceux-ci, agencés les uns sur les autres.
9. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la carte imprimée (2) est fixée à l'élément de refroidissement (1) par l'intermédiaire d'une colle thermoconductrice afin de transférer de la chaleur de manière efficace via la carte imprimée vers l'élément de refroidissement (1).
10. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la carte imprimée (2) est fixée à l'élément de refroidisse- ment (1) de manière mécanique et par l'intermédiaire d'une pâte de silicone thermoconductrice afin de transférer de la chaleur via la carte imprimée vers l'élément de refroidissement (1).
11. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la carte imprimée (2) est fixée à l'élément de refroidisse- ment (1) par l'intermédiaire d'une colle activée par chaleur, c'est-à- dire par vulcanisation, afin de transférer de la chaleur via la carte imprimée vers l'élément de refroidissement (1).
12. Illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le ou les composants de commande de courant constituent 25 un convertisseur-limiteur de courant actif.
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