Test delle sorgenti luminose a LED per auto

Indice

Strumentazione e metodo di prova

Fotometria e test dello sfarfallio

Ho eseguito il test fotometrico con Opple Light Master 4 (Amazon).

Questo dispositivo può misurare diverse caratteristiche importanti della luce: Lux, Ra, R9, temperatura di colore, coordinate CIE x e y, valore duv e sfarfallio. Ho misurato tutte queste caratteristiche per ogni campione sottoposto a test.

Parametri fotometrici:

Lumen - quantità totale di luce emessa dalla sorgente.
Lux - illuminamento, ossia la quantità di luce che raggiunge una superficie. 1 lux equivale a 1 lumen per metro quadrato.
CRI Ra - indice di resa cromatica. È un indicatore quantitativo della capacità di una sorgente luminosa di riprodurre fedelmente i colori di diversi oggetti rispetto a una sorgente luminosa ideale o naturale. La scala va da 0 a 100. Per gli impieghi in cui è importante riprodurre correttamente le sfumature di colore (illuminazione delle vetrine, laboratori artistici e di design, studi fotografici, cucine), il valore Ra deve essere superiore a 90, idealmente >95.
CRI R9 - capacità di una sorgente luminosa di riprodurre la componente rossa (>600 nm). È un parametro molto importante, soprattutto nella fotografia, nelle cucine e nelle strutture sanitarie, perché influisce notevolmente sulla corretta riproduzione del tono della pelle. Che cos'è il CRI R9 e perché è importante?
Coordinate CIE X e Y e valore duv - le coordinate descrivono il colore nello spazio cromatico CIE 1931, mentre duv indica lo scostamento dal colore emesso da un corpo nero a una determinata temperatura di colore. Per approfondire, potete leggere qui.

Parametri dello sfarfallio:

Indice di sfarfallio - tiene conto dell'area della forma d'onda sopra e sotto il livello medio del flusso luminoso.
Profondità di modulazione (percentuale di sfarfallio) - descrive la differenza tra l'intensità luminosa massima e minima durante un ciclo.
Frequenza - la maggior parte delle persone non percepisce lo sfarfallio a frequenze >90Hz, ma la luce con frequenze <400Hz può influire sull'organismo attraverso il sistema visivo senza che ce ne rendiamo conto.
Rischio (IEEE PAR1789) - valutazione complessiva del rischio basata sui parametri indicati sopra.
Per approfondire lo sfarfallio e i suoi effetti sull'uomo, potete leggere questo articolo.

Possono essere utili anche i dati della norma europea EN 12464-1 sui livelli di illuminamento e sui valori Ra consigliati per diversi ambienti di lavoro.

Quanto è preciso il test della luminosità?

Per raccogliere la luce emessa e ridurre l'influenza dell'angolo di emissione, ho costruito un banco di prova con una sfera a specchio e un'apertura per il fotometro.

Per ottenere risultati il più possibile precisi nelle misurazioni della luminosità, era necessario calibrare il banco di prova.

Per la calibrazione ho utilizzato un LED Nichia 519A 4000K con caratteristiche note e stabili. Secondo le misurazioni di diverse fonti, il suo flusso luminoso approssimativo è di 635 lumen a 2A.

Poi, con l'Opple LM4, ho misurato 21000 lux. Per il mio banco di prova ciò corrisponde a un fattore di conversione Lux/Lumen di 33.07, che utilizzo per stimare il flusso luminoso degli altri LED in lumen.

Misurazione della temperatura dei LED

Per misurare la temperatura dei LED utilizzo una termocamera a infrarossi Xinfrared InfiRay P2 Pro (Amazon).

Misurare la temperatura è importante perché i LED potenti devono avere un dissipatore per smaltire il calore in eccesso, dannoso per i LED.

Per la maggior parte dei LED prodotti in serie è preferibile mantenere la temperatura sotto i 60°C, se possibile, e non superare gli 85°C, perché temperature più elevate possono ridurre la durata dei LED. Alcuni LED possono resistere fino a 150°C, ma per i LED di largo consumo non si può dare per scontata una simile resistenza al calore.

Quale corrente deve ricevere un LED?

Un LED è un dispositivo a semiconduttore controllato in corrente. La sua caratteristica corrente-tensione I-V è non lineare e approssimativamente esponenziale: dopo l'inizio della conduzione diretta, un piccolo aumento della tensione può causare un notevole aumento della corrente. Per questo i LED devono essere utilizzati con una limitazione della corrente.

Se utilizzate una striscia LED o una lampadina LED pronta all'uso, contiene già resistori di limitazione della corrente oppure un circuito di regolazione della corrente, quindi basta applicare la tensione indicata.

Se invece utilizzate un singolo LED, dovete sapere a quale valore limitare la corrente. Di solito il produttore indica questa informazione nel datasheet o nella pagina del prodotto, ma non è sempre disponibile. A volte ci si trova a utilizzare un LED qualsiasi senza questi dati.

Che cosa fare?

Se le caratteristiche del LED sono sconosciute, non collegatelo direttamente a una sorgente di tensione senza limitazione della corrente nel tentativo di determinarne la corrente di funzionamento. Utilizzate un alimentatore da banco con limitazione della corrente oppure un resistore in serie di valore sufficientemente elevato, partite da una corrente bassa e aumentatela gradualmente, controllando la tensione diretta, la luminosità e la temperatura.

Senza i dati del produttore, questo metodo permette di individuare soltanto un punto di funzionamento prudente, ma non una corrente massima garantita.

La tensione diretta dipende dalla lunghezza d'onda della luce emessa, cioè dal colore del LED. Valori indicativi per i LED senza rivestimento di fosforo:

Infrarosso (IR) - 1.5V
Rosso/arancione/giallo - 1.8V
Verde - 2V
Bianco/blu/ultravioletto (UV) - 3.2V

A volte si può vedere un chip LED con un rivestimento giallo. Si tratta di un rivestimento di fosforo luminescente sopra un LED blu. I LED blu hanno un'elevata efficienza energetica e il fosforo riemette parte della luce ad altre lunghezze d'onda, creando uno spettro più ricco. È proprio questo l'aspetto della maggior parte dei LED utilizzati come sorgenti luminose.

Un LED può sopportare tensioni e correnti più elevate, ma è meglio evitarlo: con un carico elevato l'efficienza energetica diminuisce, viene prodotto più calore e il LED si degrada più rapidamente. Per aumentare il rapporto Lumen/Watt e prolungare la durata del LED, a volte conviene invece ridurre la corrente.

Dopo aver scelto la corrente ottimale per il LED in base alla luminosità e all'efficienza, occorre impostare la limitazione della corrente appropriata sull'alimentatore oppure realizzare un circuito con un resistore di limitazione della corrente in serie. Per calcolarne il valore potete utilizzare questo calcolatore online.

Un LED può essere alimentato con qualsiasi tensione più alta adeguata, scegliendo correttamente il resistore. Tuttavia, quanto maggiore è la differenza tra la tensione diretta del LED e quella dell'alimentatore, tanto minore è l'efficienza complessiva del circuito, perché una maggiore potenza elettrica viene dissipata sul resistore.

Testo i LED a diverse tensioni e alle correnti corrispondenti, per poter confrontare la loro efficienza e luminosità in condizioni diverse.

Che cos'è un COB LED?

Un COB LED (chip-on-board LED) è un unico modulo con numerosi chip LED montati su un substrato con una buona dissipazione del calore e ricoperti da uno strato uniforme di fosforo. Come dimostra l'esperienza, questi gruppi sono meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai singoli LED, ma offrono un'illuminazione più uniforme e riducono l'effetto di sorgente luminosa puntiforme, un vantaggio sfruttato nella loro progettazione.

Opple Light Master 4

Banco di prova con sfera a specchio

Banco di prova sotto la sfera a specchio

Nichia 519A 4000K

Xinfrared InfiRay P2 Pro

5/3mm signal LED typical forward voltage

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Problemi nell'uso delle lampadine LED per auto

Alcuni proprietari di auto possono incontrare un problema sostituendo le normali lampadine a incandescenza (alogene) con lampadine LED: la lampadina LED non si accende oppure lampeggia. In alcune auto compare anche un errore sul cruscotto che segnala un guasto della lampadina.

Questo problema si presenta in alcune auto moderne dotate di un sistema di controllo delle lampadine bruciate.

Il computer di bordo di queste auto controlla il carico elettrico nel circuito della lampadina. Se la resistenza è notevolmente superiore a quella di una lampadina a incandescenza, oppure non passa corrente, il sistema rileva un guasto, visualizza un errore e può interrompere l'alimentazione della lampadina. Una lampadina a incandescenza assorbe circa 2-7 volte più corrente di una lampadina LED e la corrente è inversamente legata alla resistenza: maggiore è la resistenza, minore è la corrente.
Nelle auto senza questa funzione, le lampadine LED di solito funzionano al posto delle normali lampadine a incandescenza senza problemi, come conferma anche la mia esperienza.

Se nella vostra auto si verifica questo problema, ci sono diversi modi per risolverlo:

Disattivare il controllo delle lampadine bruciate nel computer di bordo. È il metodo più affidabile, ma di solito richiede l'aiuto di un elettrauto.
Installare un resistore di carico in parallelo alla lampadina LED, collegandolo tra il filo di alimentazione e la massa. Questo aumenta la corrente assorbita dal carico e aiuta a simulare il carico elettrico di una lampadina a incandescenza per il sistema di controllo delle lampadine bruciate. Il resistore deve avere una potenza adeguata, di solito 50W, e una resistenza di circa 6-10Ohm. Non ha polarità e va collegato in parallelo al circuito della lampadina. Poiché il resistore può scaldarsi molto, fissatelo saldamente su una superficie metallica, lontano dalla plastica e da altri componenti sensibili al calore. Esistono anche kit di adattatori da installare tra l'attacco e la lampadina, senza dover tagliare i fili. Tuttavia, né il resistore né l'adattatore garantiscono la compatibilità con tutte le auto: alcuni sistemi controllano il carico con grande precisione e la resistenza delle lampadine LED varia. Nella maggior parte dei casi, comunque, questo metodo è utile.
Alcune lampadine LED hanno circuiti integrati per eliminare gli errori CAN Bus. Questo non garantisce la compatibilità con ogni auto, perché variano sia i sistemi di controllo delle auto sia i circuiti utilizzati nelle lampadine LED.

In alcune auto il problema può verificarsi con le luci di segnalazione e le DRL (luci di marcia diurna), che utilizzano lampadine 21W a un contatto al posto delle 21/5W a due contatti, con la luminosità regolata tramite PWM. Il PWM (Pulse Width Modulation) interrompe l'alimentazione della lampadina con una determinata frequenza e un determinato duty cycle, regolando la luminosità percepita e il consumo energetico. Alcune lampadine LED non funzionano correttamente in questa modalità e iniziano a sfarfallare in modo visibile.

Soluzione: esistono adattatori con condensatori di elevata capacità che smussano il PWM ed eliminano lo sfarfallio delle lampadine LED. Tuttavia, impediscono anche di regolare la luminosità come cerca di fare l'auto. Spesso questi adattatori hanno un resistore integrato. Una soluzione più corretta può essere scegliere una lampadina progettata per funzionare correttamente con la regolazione PWM.

Conclusione: se non avete mai utilizzato lampadine LED (illuminazione dell'abitacolo, della targa, luci di segnalazione, luci di marcia diurna, anabbaglianti/abbaglianti), è ragionevole acquistare la prima lampadina in un negozio che accetti resi, nel caso in cui non funzioni nella vostra auto o non riusciate a risolvere il problema di compatibilità. Lo stesso vale per adattatori e resistori.
Ribadisco che i problemi descritti riguardano soltanto alcuni modelli di auto. Sulla mia Peugeot 308 del 2008 le lampadine LED nell'abitacolo, nelle luci di marcia diurna e nei fanali di segnalazione funzionano correttamente senza resistori aggiuntivi.

Kit con resistore di carico per lampadine LED per auto

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Test delle lampadine di segnalazione/posizione per auto a 12V (64 lampadine)

Questo test sarà utile se prevedete di sostituire le lampadine alogene di serie della vostra auto con lampadine LED per auto con lo stesso tipo di attacco. Questa sostituzione ha senso se volete ridurre il consumo energetico dell'auto (a parità di luminosità si riduce di 4 volte o più) e/o aumentare la luminosità dell'illuminazione.

Tutti i dettagli dei test eseguiti in questa categoria di LED si trovano in questo documento Google (foglio "Car Signal/DRL Light").

I test proseguono, quindi l'elenco delle lampadine e i consigli saranno aggiornati nel tempo e integrati con nuovi campioni.

Ho acquistato personalmente con i miei soldi tutte le lampadine destinate ai test successivi.

Tipi di lampadine testate

Questa categoria comprende le lampadine utilizzate come luci di segnalazione o di posizione:

- Indicatori di direzione

- Luci di stop/posizione

- Luci di marcia diurna (DRL)

- Luci di retromarcia

I tipi di attacco (connettore) più comuni per queste lampadine:

P21/5W (attacco: 1157, BAY15D, BA15D) - 2 contatti (alta/bassa potenza)
P21W (bianca), PY21W (gialla) (attacco: 1156, BA15S, BAU15S) - 1 contatto
W21/5W (attacco: T20, 7443, 7443 SRCK, W3x16q) - 2 contatti (alta/bassa potenza)
W21W, WY21W (attacco: T20, 7440, W3x16d) - 1 contatto
P27/5W (attacco: 3157, T25, W25x16q) - 2 contatti (alta/bassa potenza)
P27W (attacco: 3156, T25, W25x16d) - 1 contatto

Alcuni produttori di lampadine LED utilizzano la stessa parte luminosa con tipi di attacco diversi, oppure cambiano il colore dei LED installati (bianco, giallo, rosso), ma non ci sono differenze nelle caratteristiche della lampadina tra i diversi tipi di attacco. Il colore della luce, invece, può influire in parte sulla luminosità.

Nei miei test di questa categoria di lampadine per auto mi sono concentrato principalmente sulle lampadine di tipo P21/5W.

Determinazione del colore principale

La maggior parte delle lampadine testate è bianca, anche se alcune sono gialle o rosse. Nella descrizione del colore di una lampadina, il parametro principale è il colore di base; se è importante la tonalità precisa, bisogna fare riferimento alla temperatura di colore misurata. Le lampadine degli indicatori di direzione devono emettere soprattutto luce gialla, mentre per alcune luci di stop e di posizione posteriori è richiesta una luce rosso vivo, se il fanale stesso non è rosso e non utilizza una lampadina bianca o trasparente. Ho determinato anche questo colore principale, indicato nel documento Google.

Tipi di misurazioni per ogni lampadina

Le misurazioni della luminosità e del consumo energetico sono state eseguite a 4 tensioni diverse:
- 14V (motore dell'auto acceso),
- 13V (ai fini del test),
- 12V (valore di riferimento),
- 11V (ai fini del test),
- Misuro inoltre la tensione di accensione (la tensione minima alla quale il LED si accende).

Il test fotometrico e la misurazione dello sfarfallio sono stati eseguiti a 14V (motore dell'auto acceso), perché questa è la tensione di funzionamento principale per queste lampadine.
Test della temperatura dei LED. Eseguo 3 misurazioni:
- 10 secondi - ai fini del test.
- 30 secondi - per verificare se il LED è adatto all'uso come lampadina di segnalazione, con una temperatura limite di 85°C.
- 60 secondi - per verificare se il LED rimane entro gli 85°C e può essere utilizzato come DRL (luce di marcia diurna).
- Se la temperatura rimane entro i limiti consentiti, eseguo un'ulteriore misurazione dopo 90 secondi.
- Se la lampadina ha un involucro di vetro o plastica, non è possibile misurare correttamente la temperatura del chip LED. In questo caso misuro la parte più calda della lampadina, di solito il corpo; la sua temperatura è generalmente inferiore di 25-30°C a quella del chip LED. Con un corpo in plastica, la temperatura del chip LED può essere ancora più alta, perché la plastica dissipa male il calore.
La maggior parte dei miei test riguarda lampadine P21/5W a due contatti con modalità ad alta/bassa potenza. La differenza di consumo energetico tra queste modalità è indicata nella sezione dei parametri aggiuntivi nel documento Google - nel foglio "Car Signal/DRL Light". Il test della luminosità e le misurazioni fotometriche vengono eseguiti nella modalità ad alta potenza.

Altre caratteristiche delle lampadine LED e criteri per i consigli:

Alcune lampadine hanno un corpo in alluminio, un vantaggio significativo: il corpo funge da dissipatore, smaltisce il calore e prolunga la durata dei LED.
Alcune lampadine sono più potenti di altre. Se una lampadina potente e luminosa non ha un buon dissipatore, si surriscalda rapidamente, la luminosità cala e il LED si degrada in fretta. Le lampadine potenti che si scaldano molto possono essere installate come luci di stop o indicatori di direzione, perché si accendono soltanto per brevi periodi e possono raffreddarsi tra un'accensione e l'altra, ma è meglio non utilizzarle come DRL (luci di marcia diurna).
Non conviene basarsi sulla potenza nominale in watt indicata nella pagina del prodotto su AliExpress - nella maggior parte dei casi, salvo rare eccezioni, non corrisponde alla realtà. Con le mie misurazioni potete verificare la potenza reale della lampadina, la temperatura, l'efficienza energetica e molti altri parametri.
Il mio consiglio finale tiene conto di diversi parametri:
- Costruzione/qualità, impressione generale
- Risultati delle misurazioni della dissipazione del calore
- Efficienza energetica
- Livello e stabilità della luminosità. La luminosità deve essere almeno il 75% di quella di una normale lampadina alogena.

Le lampadine LED che consiglio in questa categoria, tra i 64 campioni testati:

CSL_18 - Ottima lampadina, buona luminosità (89% della luminosità di una lampadina alogena), temperatura entro i limiti consentiti, efficienza energetica notevole, potenza 4.7W. Si può utilizzare come DRL. Prezzo - 3USD per lampadina.
CSL_25 - Ottima lampadina! Luminosità buona e stabile (76% della luminosità di una lampadina alogena), temperatura molto bassa e stabile, buon dissipatore in alluminio, fascio concentrato grazie alla lente, buona confezione, potenza 5.9W. La scelta migliore per le DRL. Prezzo - 3.4USD per lampadina.
CSL_29 (Link alternativo) - Luminosità ottima e stabile (103% della luminosità di una lampadina alogena), buona dissipazione del calore (dissipatore in alluminio), buona efficienza energetica, potenza 6W Adatta alle DRL. Prezzo - 3.8USD per lampadina.
CSL_32 (Link alternativo) - Buona confezione, costruzione robusta, luminosità molto elevata (156% della luminosità di una lampadina alogena), potenza 9.8W, si può utilizzare come DRL. Prezzo - 3.6USD per lampadina.
CSL_34 (Alternative link) - Costruzione robusta, dissipatore in alluminio, luminosità stabile e molto elevata (171% della luminosità di una lampadina alogena), ottima efficienza energetica, potenza 9.6W. Si può utilizzare come DRL. Prezzo - 5.2USD per lampadina.
CSL_46 - Ottima costruzione in alluminio, luminosità elevata e stabile (126% della luminosità di una lampadina alogena) a diverse tensioni, temperatura entro i limiti consentiti (fino a 80°C dopo 90 secondi), adatta alle DRL. Elevata efficienza energetica. Potenza:7.1W Prezzo: 3.7USD per lampadina.
CSL_48 (Link alternativo) - Costruzione robusta, corpo in alluminio, buona luminosità (79% della luminosità di una lampadina alogena), eccellente dissipazione del calore (massimo 62°C dopo 90 secondi), adatta alle DRL. Buona efficienza energetica. Potenza:5.5W Prezzo: 6.3USD per lampadina.
CSL_53 (Link alternativo) - Dimensioni compatte, ottima luminosità (105% della luminosità di una lampadina alogena), temperatura accettabile (massimo 68°C dopo 90 secondi, misurata sul dissipatore), adatta alle DRL. Efficienza energetica notevole. Potenza:6.1W Prezzo: 6.3USD per lampadina.
CSL_62 (Link alternativo) - Ottima luminosità (139% della luminosità di una lampadina alogena), buona dissipazione del calore (massimo 76°C dopo 90 secondi, misurata sui chip LED), adatta alle DRL. Buona efficienza energetica. Potenza:8.6W Prezzo: 3.5USD per lampadina.