Testowanie samochodowych źródeł światła LED

Spis treści

Sprzęt testowy i metodyka

Fotometria i test migotania

Test fotometryczny przeprowadziłem za pomocą Opple Light Master 4 (Amazon).

To urządzenie potrafi mierzyć szereg ważnych parametrów światła: Lux, Ra, R9, temperaturę barwową, współrzędne CIE x i y, wartość duv i migotanie. Wszystkie te parametry zmierzyłem dla każdego testowanego egzemplarza.

Parametry fotometryczne:

Lumen - całkowita ilość światła emitowanego przez źródło.
Lux - natężenie oświetlenia, czyli ilość światła padającego na powierzchnię. 1 lux odpowiada 1 lumen na metr kwadratowy.
CRI Ra - wskaźnik oddawania barw. Jest to ilościowa miara zdolności źródła światła do wiernego oddawania kolorów różnych przedmiotów w porównaniu z idealnym lub naturalnym źródłem światła. Skala obejmuje zakres od 0 do 100. W zastosowaniach, w których ważne jest prawidłowe odwzorowanie odcieni kolorów (oświetlenie witryn, pracownie artystyczne i projektowe, studia fotograficzne, kuchnie), wartość Ra powinna przekraczać 90, najlepiej >95.
CRI R9 - zdolność źródła światła do oddawania składowej czerwonej (>600 nm). To bardzo ważny parametr, zwłaszcza w fotografii, kuchniach i placówkach medycznych, ponieważ istotnie wpływa na prawidłowe odwzorowanie odcienia skóry. Czym jest CRI R9 i dlaczego jest ważny?
Współrzędne CIE X i Y oraz wartość duv - współrzędne opisują kolor w przestrzeni barw CIE 1931, a duv wskazuje jego odchylenie od barwy emitowanej przez ciało doskonale czarne przy określonej temperaturze barwowej. Więcej na ten temat można przeczytać tutaj.

Parametry migotania:

Wskaźnik migotania - uwzględnia pole powierzchni przebiegu sygnału powyżej i poniżej średniego poziomu strumienia świetlnego.
Głębokość modulacji (procent migotania) - opisuje różnicę między maksymalną a minimalną intensywnością światła w ciągu jednego cyklu.
Częstotliwość - większość ludzi nie zauważa migotania przy częstotliwości >90Hz, jednak światło o częstotliwości <400Hz może nieświadomie oddziaływać na organizm poprzez układ wzrokowy.
Ryzyko (IEEE PAR1789) - całościowa ocena ryzyka na podstawie powyższych parametrów.
Więcej o migotaniu i jego wpływie na człowieka można przeczytać w tym artykule.

Przydatne mogą być również dane z europejskiej normy EN 12464-1 dotyczące zalecanych poziomów natężenia oświetlenia i wartości Ra dla różnych pomieszczeń pracy.

Jak dokładny jest test jasności?

Aby zebrać emitowane światło i ograniczyć wpływ kąta emisji, zbudowałem stanowisko pomiarowe ze sferą lustrzaną i otworem na fotometr.

Aby uzyskać jak najdokładniejsze wyniki pomiaru jasności, należało skalibrować stanowisko pomiarowe.

Do kalibracji użyłem LED Nichia 519A 4000K o znanych, stabilnych parametrach. Według pomiarów z kilku źródeł jej przybliżony strumień świetlny wynosi 635 lumenów przy 2A.

Następnie za pomocą Opple LM4 zmierzyłem 21000 lux. Dla mojego stanowiska daje to współczynnik przeliczeniowy Lux/Lumen 33.07, którego używam do szacowania strumienia świetlnego innych LED w lumenach.

Pomiar temperatury LED

Do pomiaru temperatury LED używam kamery termowizyjnej Xinfrared InfiRay P2 Pro (Amazon).

Pomiar temperatury jest ważny, ponieważ LED o dużej mocy muszą mieć radiator odprowadzający nadmiar ciepła, który szkodzi LED.

W przypadku większości seryjnie produkowanych LED warto utrzymywać temperaturę poniżej 60°C, jeśli to możliwe, i nie przekraczać 85°C, ponieważ wyższa temperatura może skrócić żywotność LED. Niektóre LED wytrzymują do 150°C, ale w przypadku masowo produkowanych LED nie można automatycznie zakładać takiej odporności na temperaturę.

Jakim prądem należy zasilać LED?

LED to element półprzewodnikowy sterowany prądem. Jego charakterystyka prądowo-napięciowa I-V jest nieliniowa i w przybliżeniu wykładnicza: po rozpoczęciu przewodzenia w kierunku przewodzenia niewielki wzrost napięcia może wywołać znaczny wzrost prądu. Dlatego LED należy stosować z ograniczeniem prądu.

Jeśli pracujesz z taśmą LED lub gotową żarówką LED, zawiera ona już rezystory ograniczające prąd albo układ stabilizacji prądu, więc wystarczy podać wskazane napięcie.

Jeśli pracujesz z pojedynczą LED, musisz wiedzieć, do jakiej wartości ograniczyć prąd. Zwykle producent podaje tę informację w datasheet lub na stronie produktu, ale nie zawsze jest ona dostępna. Czasami trzeba pracować z przypadkową LED bez takich danych.

Co zrobić?

Jeśli parametry LED są nieznane, nie podłączaj jej bezpośrednio do źródła napięcia bez ograniczenia prądu, próbując ustalić prąd roboczy. Użyj zasilacza laboratoryjnego z ograniczeniem prądu lub odpowiednio dużego rezystora szeregowego, zacznij od małego prądu i stopniowo go zwiększaj, kontrolując napięcie przewodzenia, jasność i temperaturę.

Bez danych producenta można w ten sposób wyznaczyć jedynie zachowawczy punkt pracy, a nie gwarantowany maksymalny prąd.

Napięcie przewodzenia zależy od długości fali emitowanego światła, czyli od koloru LED. Orientacyjne wartości dla LED bez powłoki luminoforowej:

Podczerwień (IR) - 1.5V
Czerwony/pomarańczowy/żółty - 1.8V
Zielony - 2V
Biały/niebieski/ultrafioletowy (UV) - 3.2V

Czasami można zobaczyć chip LED z żółtą powłoką. To powłoka luminoforowa na niebieskiej LED. Niebieskie LED wyróżniają się wysoką efektywnością energetyczną, a luminofor ponownie emituje część światła przy innych długościach fal, tworząc bogatsze widmo. Tak właśnie wygląda większość LED używanych jako źródła światła.

LED może wytrzymać wyższe napięcie i prąd, ale należy tego unikać: przy dużym obciążeniu spada efektywność energetyczna, wydziela się więcej ciepła i LED szybciej ulega degradacji. Aby zwiększyć stosunek Lumen/Watt i wydłużyć żywotność LED, czasem warto przeciwnie - zmniejszyć prąd.

Po wybraniu optymalnego prądu dla LED z uwzględnieniem jasności i efektywności należy ustawić odpowiednie ograniczenie prądu na zasilaczu albo zbudować obwód z szeregowym rezystorem ograniczającym prąd. Do obliczenia jego wartości można użyć tego kalkulatora online.

LED można zasilać dowolnym odpowiednim wyższym napięciem przy prawidłowo dobranym rezystorze. Jednak im większa różnica między napięciem przewodzenia LED a napięciem zasilacza, tym niższa ogólna sprawność obwodu, ponieważ więcej mocy elektrycznej jest tracone na rezystorze.

Testuję LED przy różnych napięciach i odpowiadających im prądach, aby można było porównać ich efektywność i jasność w różnych warunkach.

Czym jest COB LED?

COB LED (chip-on-board LED) to pojedynczy moduł z wieloma chipami LED umieszczonymi na podłożu dobrze odprowadzającym ciepło i pokrytymi równomierną warstwą luminoforu. Jak pokazuje praktyka, takie zespoły są mniej efektywne energetycznie niż pojedyncze LED, ale zapewniają bardziej równomierne oświetlenie i ograniczają efekt punktowego źródła światła, co wykorzystuje się w ich konstrukcji.

Opple Light Master 4

Stanowisko pomiarowe ze sferą lustrzaną

Stanowisko pomiarowe pod sferą lustrzaną

Nichia 519A 4000K

Xinfrared InfiRay P2 Pro

5/3mm signal LED typical forward voltage

⇧ do spisu treści ⇧

Problemy przy stosowaniu samochodowych żarówek LED

Niektórzy właściciele samochodów mogą napotkać problem przy wymianie zwykłych żarówek (halogenowych) na żarówki LED: żarówka LED nie włącza się lub miga. W niektórych samochodach na desce rozdzielczej pojawia się wtedy komunikat o uszkodzeniu żarówki.

Taki problem występuje w niektórych nowoczesnych samochodach z systemem kontroli przepalonych żarówek.

Komputer pokładowy takich samochodów kontroluje obciążenie elektryczne w obwodzie żarówki. Jeśli rezystancja jest znacznie wyższa niż w przypadku żarówki tradycyjnej albo prąd w ogóle nie płynie, system rejestruje usterkę, wyświetla błąd i może odłączyć zasilanie żarówki. Żarówka tradycyjna pobiera około 2-7 razy więcej prądu niż żarówka LED, a prąd jest odwrotnie zależny od rezystancji: im wyższa rezystancja, tym mniejszy prąd.
W samochodach bez tej funkcji żarówki LED zwykle działają zamiast zwykłych żarówek bez żadnych problemów, co potwierdza również moje doświadczenie.

Jeśli w twoim samochodzie występuje taki problem, można go rozwiązać na kilka sposobów:

Wyłączyć kontrolę przepalonych żarówek w komputerze pokładowym. To najbardziej niezawodny sposób, ale zwykle wymaga pomocy elektryka samochodowego.
Zamontować rezystor obciążeniowy równolegle do żarówki LED, podłączając go między przewodem zasilającym a masą. Zwiększa to prąd obciążenia i pomaga zasymulować dla systemu kontroli przepalonych żarówek obciążenie elektryczne żarówki tradycyjnej. Rezystor musi mieć odpowiednią moc, zwykle 50W, i rezystancję około 6-10Ohm. Nie ma polaryzacji i podłącza się go równolegle do obwodu żarówki. Ponieważ rezystor może mocno się nagrzewać, należy solidnie zamocować go na metalowej powierzchni z dala od plastiku i innych elementów wrażliwych na temperaturę. Istnieją też zestawy adapterów montowane między oprawką a żarówką, które nie wymagają przecinania przewodów. Jednak ani rezystor, ani adapter nie gwarantują zgodności ze wszystkimi samochodami: niektóre systemy bardzo dokładnie kontrolują obciążenie, a rezystancja żarówek LED jest różna. Mimo to w większości przypadków ta metoda pomaga.
Niektóre żarówki LED mają wbudowane układy eliminujące błędy CAN Bus. Nie gwarantuje to zgodności z każdym samochodem, ponieważ różnią się zarówno systemy kontroli w samochodach, jak i układy stosowane w żarówkach LED.

W niektórych samochodach problem może wystąpić ze światłami sygnalizacyjnymi i DRL (światłami do jazdy dziennej), w których stosuje się żarówki jednostykowe 21W zamiast dwustykowych 21/5W, a jasność reguluje się za pomocą PWM. PWM (Pulse Width Modulation) przerywa zasilanie żarówki z określoną częstotliwością i współczynnikiem wypełnienia, regulując widoczną jasność i zużycie energii. Niektóre żarówki LED nie potrafią prawidłowo pracować w takim trybie i zaczynają wyraźnie migotać.

Rozwiązanie: istnieją adaptery z kondensatorami o dużej pojemności, które wygładzają PWM i eliminują migotanie żarówek LED. Jednocześnie uniemożliwiają jednak regulację jasności w sposób, w jaki próbuje to robić samochód. Takie adaptery często mają wbudowany rezystor. Lepszym rozwiązaniem może być wybór żarówki przystosowanej do prawidłowej pracy z regulacją PWM.

Wniosek: jeśli wcześniej nie używałeś żarówek LED (oświetlenie wnętrza, tablicy rejestracyjnej, światła sygnalizacyjne, światła do jazdy dziennej, światła mijania/drogowe), pierwszą żarówkę rozsądnie jest kupić w sklepie z możliwością zwrotu na wypadek, gdyby nie działała w twoim samochodzie lub nie udało się rozwiązać problemu zgodności. To samo dotyczy adapterów i rezystorów.
Jeszcze raz zaznaczę, że opisane problemy dotyczą tylko wybranych modeli samochodów. W moim Peugeot 308 z 2008 roku żarówki LED we wnętrzu, światłach do jazdy dziennej i światłach sygnalizacyjnych działają prawidłowo bez dodatkowych rezystorów.

Zestaw rezystora obciążeniowego do samochodowych żarówek LED

⇧ do spisu treści ⇧

Test samochodowych żarówek sygnalizacyjnych/pozycyjnych 12V (64 żarówki)

Ten test przyda się, jeśli planujesz wymienić fabryczne żarówki halogenowe w samochodzie na samochodowe żarówki LED z tym samym typem trzonka. Taka wymiana ma sens, jeśli chcesz zmniejszyć zużycie energii w samochodzie (przy tej samej jasności spada ono 4 razy lub więcej) i/lub zwiększyć jasność oświetlenia.

Wszystkie szczegóły testów przeprowadzonych w tej kategorii LED można znaleźć w tym dokumencie Google (arkusz "Car Signal/DRL Light").

Testowanie trwa, więc lista żarówek i zalecenia będą z czasem aktualizowane i uzupełniane o nowe egzemplarze.

Wszystkie żarówki do dalszych testów kupiłem osobiście za własne pieniądze.

Typy testowanych żarówek

Ta kategoria obejmuje żarówki używane jako światła sygnalizacyjne lub pozycyjne:

- Kierunkowskazy

- Światła stop/pozycyjne

- Światła do jazdy dziennej (DRL)

- Światła cofania

Najczęściej spotykane typy trzonków (złączy) tych żarówek:

P21/5W (trzonek: 1157, BAY15D, BA15D) - 2 styki (duża/mała moc)
P21W (biała), PY21W (żółta) (trzonek: 1156, BA15S, BAU15S) - 1 styk
W21/5W (trzonek: T20, 7443, 7443 SRCK, W3x16q) - 2 styki (duża/mała moc)
W21W, WY21W (trzonek: T20, 7440, W3x16d) - 1 styk
P27/5W (trzonek: 3157, T25, W25x16q) - 2 styki (duża/mała moc)
P27W (trzonek: 3156, T25, W25x16d) - 1 styk

Niektórzy producenci żarówek LED stosują tę samą część emitującą światło, ale różne typy trzonków, lub zmieniają kolor zamontowanych LED (biały, żółty, czerwony), jednak nie ma różnic w parametrach żarówki przy różnych typach trzonka. Kolor światła może natomiast nieco wpływać na jasność.

W moich testach tej kategorii żarówek samochodowych skupiłem się głównie na żarówkach typu P21/5W.

Określenie podstawowego koloru

Większość przetestowanych żarówek jest biała, choć niektóre są żółte lub czerwone. Przy opisywaniu koloru żarówki najważniejszym parametrem jest podstawowy kolor; jeśli istotny jest dokładny odcień, należy kierować się zmierzoną temperaturą barwową. Żarówki kierunkowskazów powinny przede wszystkim emitować żółte światło, a niektóre światła stop i tylne światła pozycyjne wymagają jaskrawoczerwonego światła, jeśli sam klosz lampy nie jest czerwony i nie wykorzystuje białej lub przezroczystej żarówki. Ten podstawowy kolor również określiłem i podałem w dokumencie Google.

Rodzaje pomiarów dla każdej żarówki

Pomiary jasności i zużycia energii przeprowadziłem przy 4 różnych napięciach:
- 14V (silnik samochodu pracuje),
- 13V (na potrzeby testu),
- 12V (wartość podstawowa),
- 11V (na potrzeby testu),
- Dodatkowo mierzę napięcie zapłonu (minimalne napięcie, przy którym LED zaczyna świecić).

Fotometryczny test i pomiar migotania przeprowadziłem przy 14V (silnik samochodu pracuje), ponieważ jest to podstawowe napięcie robocze tych żarówek.
Test temperatury LED. Wykonuję 3 pomiary:
- 10 sekund - na potrzeby testu.
- 30 sekund - aby sprawdzić, czy LED nadaje się do stosowania jako żarówka sygnalizacyjna przy granicznej temperaturze 85°C.
- 60 sekund - aby sprawdzić, czy temperatura LED nie przekracza 85°C i czy można jej używać jako DRL (światła do jazdy dziennej).
- Jeśli temperatura pozostaje w dopuszczalnych granicach, dodatkowo wykonuję pomiar po 90 sekundach.
- Jeśli żarówka ma szklaną lub plastikową osłonę, nie można prawidłowo zmierzyć temperatury chipu LED. W takim przypadku mierzę najgorętszą część żarówki, zwykle jej obudowę; jej temperatura jest zazwyczaj o 25-30°C niższa niż temperatura chipu LED. Przy plastikowej obudowie temperatura chipu LED może być jeszcze wyższa, ponieważ plastik słabo odprowadza ciepło.
Większość moich testów dotyczy dwustykowych żarówek P21/5W z trybami dużej/małej mocy. Różnicę w zużyciu energii między tymi trybami podałem w sekcji dodatkowych parametrów w dokumencie Google - w arkuszu "Car Signal/DRL Light". Test jasności i pomiary fotometryczne wykonuję w trybie dużej mocy.

Inne cechy żarówek LED i sposób formułowania zaleceń:

Niektóre żarówki mają aluminiową obudowę i jest to istotna zaleta: obudowa działa jak radiator, odprowadza ciepło i wydłuża żywotność LED.
Niektóre żarówki mają większą moc niż inne. Jeśli mocna, jasna żarówka nie ma dobrego radiatora, szybko się przegrzewa, jej jasność spada, a LED szybko ulega degradacji. Mocne, gorące żarówki można montować jako światła stop lub kierunkowskazy, ponieważ włączają się tylko na krótko i mogą stygnąć między włączeniami, ale lepiej nie używać ich jako DRL (świateł do jazdy dziennej).
Nie warto kierować się mocą znamionową w watach podaną na stronie produktu na AliExpress - w większości przypadków, poza nielicznymi wyjątkami, nie odpowiada ona rzeczywistości. Na podstawie moich pomiarów można sprawdzić rzeczywistą moc żarówki, temperaturę, efektywność energetyczną i wiele innych parametrów.
Moja końcowa rekomendacja uwzględnia kilka parametrów:
- Konstrukcja/jakość, ogólne wrażenie
- Wyniki pomiarów odprowadzania ciepła
- Efektywność energetyczna
- Poziom jasności i jej stabilność. Jasność powinna wynosić co najmniej 75% jasności zwykłej żarówki halogenowej.

Żarówki LED, które polecam w tej kategorii spośród 64 przetestowanych egzemplarzy:

CSL_18 - Bardzo dobra żarówka, dobra jasność (89% jasności żarówki halogenowej), temperatura w dopuszczalnych granicach, imponująca efektywność energetyczna, moc 4.7W. Można używać jako DRL. Cena - 3USD za żarówkę.
CSL_25 - Bardzo dobra żarówka! Niezmiennie dobra jasność (76% jasności żarówki halogenowej), niezmiennie bardzo niska temperatura, dobry aluminiowy radiator, skupiona wiązka dzięki soczewce, dobre opakowanie, moc 5.9W. Najlepszy wybór do DRL. Cena - 3.4USD za żarówkę.
CSL_29 (Alternatywny link) - Bardzo dobra, stabilna jasność (103% jasności żarówki halogenowej), dobre odprowadzanie ciepła (aluminiowy radiator), dobra efektywność energetyczna, moc 6W Nadaje się do DRL. Cena - 3.8USD za żarówkę.
CSL_32 (Alternatywny link) - Dobre opakowanie, solidna konstrukcja, aluminiowy radiator, bardzo wysoka jasność (156% jasności żarówki halogenowej), moc 9.8W, można używać jako DRL. Cena - 3.6USD za żarówkę.
CSL_34 (Alternative link) - Solidna konstrukcja, aluminiowy radiator, stabilna i bardzo wysoka jasność (171% jasności żarówki halogenowej), bardzo dobra efektywność energetyczna, moc 9.6W. Można używać jako DRL. Cena - 5.2USD za żarówkę.
CSL_46 - Świetna aluminiowa konstrukcja, niezmiennie wysoka jasność (126% jasności żarówki halogenowej) przy różnych napięciach, temperatura w dopuszczalnych granicach (do 80°C po 90 sekundach), nadaje się do DRL. Wysoka efektywność energetyczna. Moc:7.1W Cena: 3.7USD za żarówkę.
CSL_48 (Alternatywny link) - Solidna konstrukcja, aluminiowa obudowa, dobra jasność (79% jasności żarówki halogenowej), doskonałe odprowadzanie ciepła (maksymalnie 62°C po 90 sekundach), nadaje się do DRL. Dobra efektywność energetyczna. Moc:5.5W Cena: 6.3USD za żarówkę.
CSL_53 (Alternatywny link) - Kompaktowe wymiary, doskonała jasność (105% jasności żarówki halogenowej), dopuszczalna temperatura (maksymalnie 68°C po 90 sekundach, pomiar na radiatorze), nadaje się do DRL. Imponująca efektywność energetyczna. Moc:6.1W Cena: 6.3USD za żarówkę.
CSL_62 (Alternatywny link) - Doskonała jasność (139% jasności żarówki halogenowej), dobre odprowadzanie ciepła (maksymalnie 76°C po 90 sekundach, pomiar na chipach LED), nadaje się do DRL. Dobra efektywność energetyczna. Moc:8.6W Cena: 3.5USD za żarówkę.