Ensaio de fontes de luz LED para automóveis

Índice

Equipamento e metodologia de ensaio

Fotometria e ensaio de cintilação

O ensaio fotométrico foi realizado com Opple Light Master 4 (Amazon).

Este dispositivo permite medir várias características importantes da luz: Lux, Ra, R9, temperatura de cor, coordenadas CIE x e y, valor duv e cintilação. Todas estas características foram medidas para cada amostra ensaiada.

Parâmetros fotométricos:

Lumen - quantidade total de luz emitida pela fonte.
Lux - iluminância, ou quantidade de luz que incide numa superfície. 1 lux equivale a 1 lumen por metro quadrado.
CRI Ra - índice de reprodução de cor. É uma medida quantitativa da capacidade de uma fonte de luz para reproduzir fielmente as cores de diferentes objetos em comparação com uma fonte de luz ideal ou natural. A escala vai de 0 a 100. Nas aplicações em que a reprodução correta dos tons de cor é importante (iluminação de montras, ateliers de arte e design, estúdios fotográficos, cozinhas), o valor Ra deve ser superior a 90, idealmente >95.
CRI R9 - capacidade de uma fonte de luz para reproduzir a componente vermelha (>600 nm). É um parâmetro muito importante, sobretudo em fotografia, em cozinhas e em estabelecimentos de saúde, pois influencia significativamente a reprodução correta do tom da pele. O que é o CRI R9 e porque é importante?
Coordenadas CIE X e Y e valor duv - as coordenadas descrevem a cor no espaço de cor CIE 1931, enquanto duv indica o seu desvio em relação à cor emitida por um corpo negro a uma determinada temperatura de cor. Pode ler mais sobre este assunto aqui.

Parâmetros de cintilação:

Índice de cintilação - tem em conta a área da forma de onda acima e abaixo do nível médio do fluxo luminoso.
Profundidade de modulação (percentagem de cintilação) - caracteriza a diferença entre as intensidades máxima e mínima da luz ao longo de um ciclo.
Frequência - a maioria das pessoas não percebe a cintilação a frequências >90Hz, mas a luz com uma frequência <400Hz pode afetar o organismo de forma inconsciente através do sistema visual.
Risco (IEEE PAR1789) - avaliação global do risco com base nos parâmetros acima indicados.
Pode ler mais sobre a cintilação e os seus efeitos no ser humano neste artigo.

Também podem ser úteis os dados da norma europeia EN 12464-1 sobre os níveis de iluminância e os valores Ra recomendados para diferentes espaços de trabalho.

Qual é a precisão do ensaio de luminosidade?

Para recolher a luz emitida e reduzir a influência do ângulo de emissão, construí uma bancada de ensaio com uma esfera espelhada e uma abertura para o fotómetro.

Para obter resultados de medição da luminosidade tão precisos quanto possível, foi necessário calibrar a bancada de ensaio.

Para a calibração, utilizei um LED Nichia 519A 4000K com características estáveis conhecidas. Segundo medições de várias fontes, o seu fluxo luminoso aproximado é de 635 lumens a 2A.

Em seguida, medi 21000 lux com o Opple LM4. Para a minha bancada, isto resulta num fator de conversão Lux/Lumen de 33.07, que utilizo para estimar o fluxo luminoso de outros LED em lumens.

Medição da temperatura dos LED

Para medir a temperatura dos LED, utilizo uma câmara térmica de infravermelhos Xinfrared InfiRay P2 Pro (Amazon).

A medição da temperatura é importante porque os LED de elevada potência devem ter um dissipador de calor para remover o calor excessivo, que é prejudicial aos LED.

Para a maioria dos LED produzidos em série, é desejável manter a temperatura abaixo de 60°C, se possível, e não ultrapassar 85°C, pois uma temperatura superior pode reduzir a vida útil do LED. Alguns LED suportam até 150°C, mas não se deve assumir automaticamente que os LED de produção em massa têm essa resistência térmica.

Que corrente deve receber um LED?

Um LED é um dispositivo semicondutor controlado por corrente. A sua característica corrente-tensão I-V é não linear e aproximadamente exponencial: após o início da condução direta, um pequeno aumento da tensão pode provocar um aumento significativo da corrente. Por isso, os LED devem ser utilizados com limitação de corrente.

Se estiver a trabalhar com uma fita LED ou uma lâmpada LED pronta a usar, esta já contém resistências limitadoras de corrente ou um circuito de regulação de corrente, pelo que basta aplicar a tensão indicada.

Se estiver a trabalhar com um LED individual, é necessário saber a que valor limitar a corrente. Normalmente, o fabricante indica esta informação no datasheet ou na página do produto, mas nem sempre está disponível. Por vezes, é necessário trabalhar com um LED de origem desconhecida, sem estes dados.

O que fazer?

Se as características do LED forem desconhecidas, não o ligue diretamente a uma fonte de tensão sem limitação de corrente para tentar determinar a corrente de funcionamento. Utilize uma fonte de alimentação de bancada com limitação de corrente ou uma resistência em série de valor suficientemente elevado, comece com uma corrente baixa e aumente-a gradualmente, monitorizando a tensão direta, a luminosidade e a temperatura.

Sem os dados do fabricante, este método permite determinar apenas um ponto de funcionamento conservador, e não uma corrente máxima garantida.

A tensão direta depende do comprimento de onda da luz emitida, ou seja, da cor do LED. Valores indicativos para LED sem revestimento de fósforo:

Infravermelho (IR) - 1.5V
Vermelho/laranja/amarelo - 1.8V
Verde - 2V
Branco/azul/ultravioleta (UV) - 3.2V

Por vezes, pode ver-se um chip LED com um revestimento amarelo. Trata-se de um revestimento de fósforo (luminóforo) sobre um LED azul. Os LED azuis têm uma elevada eficiência energética, e o fósforo reemite parte da luz noutros comprimentos de onda, criando um espectro mais rico. É este o aspeto da maioria dos LED utilizados como fontes de luz.

Um LED pode suportar uma tensão e uma corrente mais elevadas, mas isso deve ser evitado: com uma carga elevada, a eficiência energética diminui, é gerado mais calor e o LED degrada-se mais depressa. Para aumentar a relação Lumen/Watt e prolongar a vida útil do LED, por vezes faz sentido fazer o contrário e reduzir a corrente.

Depois de escolher a corrente ideal para o LED, tendo em conta a luminosidade e a eficiência, é necessário definir a limitação de corrente adequada na fonte de alimentação ou montar um circuito com uma resistência limitadora de corrente em série. Para calcular o seu valor, pode utilizar esta calculadora online.

Um LED pode ser alimentado por qualquer tensão superior adequada, desde que a resistência seja corretamente dimensionada. No entanto, quanto maior for a diferença entre a tensão direta do LED e a tensão da fonte de alimentação, menor será a eficiência global do circuito, pois uma maior quantidade de potência elétrica é dissipada na resistência.

Ensaio os LED a diferentes tensões e às correntes correspondentes, para permitir comparar a sua eficiência e luminosidade em diferentes condições.

O que é um COB LED?

COB LED (chip-on-board LED) é um módulo único com vários chips LED montados num substrato com boa dissipação de calor e cobertos por uma camada uniforme de fósforo. Como demonstra a prática, estes conjuntos são menos eficientes em termos energéticos do que os LED individuais, mas proporcionam uma iluminação mais uniforme e reduzem o efeito de fonte pontual, características que a sua construção aproveita.

Opple Light Master 4

Bancada de ensaio com esfera espelhada

Bancada de ensaio sob a esfera espelhada

Nichia 519A 4000K

Xinfrared InfiRay P2 Pro

5/3mm signal LED typical forward voltage

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Problemas na utilização de lâmpadas LED em automóveis

Alguns proprietários de automóveis podem deparar-se com um problema ao substituir lâmpadas de incandescência convencionais (de halogéneo) por lâmpadas LED: a lâmpada LED não acende ou pisca. Em alguns automóveis, aparece também um aviso de avaria da lâmpada no painel de instrumentos.

Este problema ocorre em alguns automóveis modernos com um sistema de deteção de lâmpadas fundidas.

O computador de bordo destes automóveis monitoriza a carga elétrica no circuito da lâmpada. Se a resistência for significativamente superior à de uma lâmpada de incandescência, ou se não houver passagem de corrente, o sistema regista uma avaria, apresenta um aviso e pode cortar a alimentação da lâmpada. Uma lâmpada de incandescência consome aproximadamente 2-7 vezes mais corrente do que uma lâmpada LED, e a corrente está inversamente relacionada com a resistência: quanto maior for a resistência, menor será a corrente.
Nos automóveis sem esta função, as lâmpadas LED geralmente substituem as lâmpadas de incandescência convencionais sem quaisquer problemas, como confirma também a minha experiência.

Se este problema ocorrer no seu automóvel, existem várias formas de o resolver:

Desativar a deteção de lâmpadas fundidas no computador de bordo. É o método mais fiável, mas normalmente requer a ajuda de um eletricista auto.
Instalar uma resistência de carga em paralelo com a lâmpada LED, ligando-a entre o fio de alimentação e a massa. Isto aumenta a corrente da carga e ajuda a simular, para o sistema de deteção de lâmpadas fundidas, a carga elétrica de uma lâmpada de incandescência. A resistência deve suportar uma potência suficiente, normalmente 50W, e ter um valor de aproximadamente 6-10Ohm. Não tem polaridade e liga-se em paralelo com o circuito da lâmpada. Como a resistência pode aquecer muito, fixe-a firmemente numa superfície metálica, afastada de plásticos e de outras peças sensíveis ao calor. Existem também kits de adaptadores que se instalam entre o casquilho e a lâmpada e não exigem cortar os fios. Contudo, nem a resistência nem o adaptador garantem a compatibilidade com todos os automóveis: alguns sistemas monitorizam a carga com grande precisão, e a resistência das lâmpadas LED varia. Ainda assim, este método ajuda na maioria dos casos.
Algumas lâmpadas LED têm circuitos integrados de supressão de erros CAN Bus. Isto não garante a compatibilidade com todos os automóveis, pois tanto os sistemas de monitorização dos automóveis como os circuitos utilizados nas lâmpadas LED variam.

Em alguns automóveis, podem surgir problemas nas luzes de sinalização e nas DRL (luzes de circulação diurna), que utilizam lâmpadas de um contacto de 21W em vez de lâmpadas de dois contactos de 21/5W, com a luminosidade regulada por PWM. PWM (Pulse Width Modulation) interrompe a alimentação da lâmpada a uma determinada frequência e com um determinado ciclo de trabalho, regulando a luminosidade aparente e o consumo de energia. Algumas lâmpadas LED não conseguem funcionar corretamente neste modo e começam a apresentar cintilação visível.

Solução: existem adaptadores com condensadores de grande capacidade que suavizam o PWM e eliminam a cintilação das lâmpadas LED. Contudo, impedem a regulação da luminosidade que o automóvel tenta efetuar. Estes adaptadores têm frequentemente uma resistência integrada. Uma solução mais adequada pode ser escolher uma lâmpada concebida para funcionar corretamente com regulação por PWM.

Conclusão: se nunca utilizou lâmpadas LED (iluminação do habitáculo, da matrícula, luzes de sinalização, luzes de circulação diurna, médios/máximos), é sensato comprar a primeira lâmpada numa loja que aceite devoluções, caso não funcione no seu automóvel ou não consiga resolver o problema de compatibilidade. O mesmo se aplica aos adaptadores e às resistências.
Volto a salientar que os problemas descritos afetam apenas determinados modelos de automóveis. No meu Peugeot 308 de 2008, as lâmpadas LED do habitáculo, das luzes de circulação diurna e das luzes de sinalização funcionam corretamente sem resistências adicionais.

Kit de resistência de carga para lâmpadas LED de automóveis

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Ensaio de lâmpadas de sinalização/posição de 12V para automóveis (64 lâmpadas)

Este ensaio será útil se estiver a pensar substituir as lâmpadas de halogéneo de origem do seu automóvel por lâmpadas LED para automóveis com o mesmo tipo de casquilho. Esta substituição faz sentido se quiser reduzir o consumo de energia do automóvel (para a mesma luminosidade, o consumo diminui 4 vezes ou mais) e/ou aumentar a luminosidade da iluminação.

Todos os pormenores dos ensaios realizados nesta categoria de LED podem ser consultados neste documento Google (folha "Car Signal/DRL Light").

Os ensaios continuam, pelo que a lista de lâmpadas e as recomendações serão atualizadas ao longo do tempo e complementadas com novas amostras.

Comprei pessoalmente todas as lâmpadas para os ensaios seguintes com o meu próprio dinheiro.

Tipos de lâmpadas ensaiadas

Esta categoria inclui lâmpadas utilizadas como luzes de sinalização ou de posição:

- Indicadores de mudança de direção

- Luzes de travagem/posição

- Luzes de circulação diurna (DRL)

- Luzes de marcha-atrás

Os tipos de casquilho (conector) mais comuns para estas lâmpadas:

P21/5W (casquilho: 1157, BAY15D, BA15D) - 2 contactos (potência alta/baixa)
P21W (branca), PY21W (amarela) (casquilho: 1156, BA15S, BAU15S) - 1 contacto
W21/5W (casquilho: T20, 7443, 7443 SRCK, W3x16q) - 2 contactos (potência alta/baixa)
W21W, WY21W (casquilho: T20, 7440, W3x16d) - 1 contacto
P27/5W (casquilho: 3157, T25, W25x16q) - 2 contactos (potência alta/baixa)
P27W (casquilho: 3156, T25, W25x16d) - 1 contacto

Alguns fabricantes de lâmpadas LED utilizam a mesma parte emissora de luz, mas diferentes tipos de casquilho, ou alteram a cor dos LED instalados (branco, amarelo, vermelho), sem que haja diferenças nas características da lâmpada entre os diferentes tipos de casquilho. No entanto, a cor da luz pode influenciar ligeiramente a luminosidade.

Nos meus ensaios desta categoria de lâmpadas para automóveis, concentrei-me sobretudo nas lâmpadas do tipo P21/5W.

Determinação da cor principal

A maioria das lâmpadas ensaiadas é branca, embora algumas sejam amarelas ou vermelhas. Ao descrever a cor de uma lâmpada, o parâmetro principal é a cor predominante; se o tom exato for importante, deve ter-se em conta a temperatura de cor medida. As lâmpadas dos indicadores de mudança de direção devem, acima de tudo, emitir luz amarela, e algumas luzes de travagem e de posição traseiras exigem luz vermelha intensa, se o próprio corpo do farolim não for vermelho e não utilizar uma lâmpada branca ou transparente. Esta cor principal também foi determinada e indicada no documento Google.

Tipos de medições para cada lâmpada

As medições da luminosidade e do consumo de energia foram realizadas a 4 tensões diferentes:
- 14V (motor do automóvel em funcionamento),
- 13V (para efeitos do ensaio),
- 12V (valor de referência),
- 11V (para efeitos do ensaio),
- Além disso, meço a tensão de arranque (a tensão mínima à qual o LED acende).

O ensaio fotométrico e a medição da cintilação foram realizados a 14V (motor do automóvel em funcionamento), pois esta é a principal tensão de funcionamento destas lâmpadas.
Ensaio da temperatura dos LED. São efetuadas 3 medições:
- 10 segundos - para efeitos do ensaio.
- 30 segundos - para verificar se o LED é adequado para utilização como lâmpada de sinalização, com uma temperatura limite de 85°C.
- 60 segundos - para verificar se o LED se mantém dentro do limite de 85°C e pode ser utilizado como DRL (luz de circulação diurna).
- Se a temperatura se mantiver dentro dos limites admissíveis, faço uma medição adicional ao fim de 90 segundos.
- Se a lâmpada tiver uma cobertura de vidro ou de plástico, não é possível medir corretamente a temperatura do chip LED. Nesse caso, meço a parte mais quente da lâmpada, normalmente o seu corpo; a sua temperatura é geralmente 25-30°C inferior à temperatura do chip LED. Se o corpo for de plástico, a temperatura do chip LED pode ser ainda mais elevada, pois o plástico dissipa mal o calor.
A maioria dos meus ensaios é realizada com lâmpadas P21/5W de dois contactos, com modos de potência alta/baixa. A diferença de consumo de energia entre estes modos está indicada na secção de parâmetros adicionais do documento Google - na folha "Car Signal/DRL Light". O ensaio de luminosidade e as medições fotométricas são realizados no modo de potência alta.

Outras características das lâmpadas LED e critérios para as recomendações:

Algumas lâmpadas têm um corpo de alumínio, o que constitui uma vantagem significativa: o corpo funciona como dissipador de calor, remove o calor e prolonga a vida útil dos LED.
Algumas lâmpadas são mais potentes do que outras. Se uma lâmpada potente e luminosa não tiver um bom dissipador de calor, sobreaquece rapidamente, a luminosidade diminui e os LED degradam-se depressa. As lâmpadas potentes que aquecem muito podem ser instaladas como luzes de travagem ou indicadores de mudança de direção, pois acendem apenas durante breves períodos e podem arrefecer entre ativações, mas é preferível não as utilizar como DRL (luzes de circulação diurna).
Não se deve tomar como referência a potência nominal em watts indicada na página do produto em AliExpress - na maioria dos casos, com raras exceções, não corresponde à realidade. As minhas medições permitem verificar a potência real da lâmpada, a temperatura, a eficiência energética e muitos outros parâmetros.
A minha recomendação final tem em conta vários parâmetros:
- Construção/qualidade, impressão geral
- Resultados das medições da dissipação de calor
- Eficiência energética
- Nível de luminosidade e respetiva estabilidade. A luminosidade deve ser de pelo menos 75% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo convencional.

As lâmpadas LED que recomendo nesta categoria, entre as 64 amostras ensaiadas:

CSL_18 - Uma lâmpada muito boa, boa luminosidade (89% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), temperatura dentro dos limites admissíveis, eficiência energética impressionante, potência 4.7W. Pode ser utilizada como DRL. Preço - 3USD por lâmpada.
CSL_25 - Uma lâmpada muito boa! Boa luminosidade estável (76% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), temperatura muito baixa e estável, bom dissipador de calor de alumínio, feixe focado graças à lente, boa embalagem, potência 5.9W. A melhor opção para DRL. Preço - 3.4USD por lâmpada.
CSL_29 (Ligação alternativa) - Luminosidade muito boa e estável (103% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), boa dissipação de calor (dissipador de alumínio), boa eficiência energética, potência 6W Adequada para DRL. Preço - 3.8USD por lâmpada.
CSL_32 (Ligação alternativa) - Boa embalagem, construção robusta, luminosidade muito elevada (156% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), potência 9.8W, pode ser utilizada como DRL. Preço - 3.6USD por lâmpada.
CSL_34 (Alternative link) - Construção robusta, dissipador de calor de alumínio, luminosidade estável e muito elevada (171% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), eficiência energética muito boa, potência 9.6W. Pode ser utilizada como DRL. Preço - 5.2USD por lâmpada.
CSL_46 - Excelente construção em alumínio, luminosidade elevada e estável (126% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo) a diferentes tensões, temperatura dentro dos limites admissíveis (até 80°C ao fim de 90 segundos), adequada para DRL. Elevada eficiência energética. Potência:7.1W Preço: 3.7USD por lâmpada.
CSL_48 (Ligação alternativa) - Construção robusta, corpo de alumínio, boa luminosidade (79% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), excelente dissipação de calor (máximo de 62°C ao fim de 90 segundos), adequada para DRL. Boa eficiência energética. Potência:5.5W Preço: 6.3USD por lâmpada.
CSL_53 (Ligação alternativa) - Dimensões compactas, excelente luminosidade (105% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), temperatura admissível (máximo de 68°C ao fim de 90 segundos, medição no dissipador de calor), adequada para DRL. Eficiência energética impressionante. Potência:6.1W Preço: 6.3USD por lâmpada.
CSL_62 (Ligação alternativa) - Excelente luminosidade (139% da luminosidade de uma lâmpada de halogéneo), boa dissipação de calor (máximo de 76°C ao fim de 90 segundos, medição nos chips LED), adequada para DRL. Boa eficiência energética. Potência:8.6W Preço: 3.5USD por lâmpada.