Тестирование автомобильных светодиодных (LED) источников света

Тестовое оборудование и методика

Фотометрия и тест мерцания

Фотометрический тест проводился с помощью Opple Light Master 4 (Amazon).

Это устройство способно измерять ряд важных характеристик света: Lux, Ra, R9, цветовую температуру, координаты CIE x и y, значение duv и мерцание. Все эти характеристики измерялись для каждого тестового образца.

Параметры фотометрии:

Lumen - общее количество света, излучаемого источником.
Lux - освещенность, или количество света, падающего на поверхность. 1 lux равен 1 lumen на квадратный метр.
CRI Ra - индекс цветопередачи. Это количественный показатель способности источника света достоверно передавать цвета различных объектов по сравнению с идеальным или естественным источником света. Шкала находится в диапазоне от 0 до 100. Для применений, где важно правильное отображение цветовых оттенков (освещение витрин, художественные и дизайнерские мастерские, фотостудии, кухни), значение Ra должно быть выше 90, в идеале >95.
CRI R9 - способность источника света передавать красную составляющую (>600 nm). Это очень важный параметр, особенно в фотографии, на кухнях и в медицинских учреждениях, поскольку он существенно влияет на правильную передачу оттенка кожи. Что такое CRI R9 и почему он важен?
Координаты CIE X и Y и значение duv - координаты описывают цвет в цветовом пространстве CIE 1931, а duv показывает его отклонение от цвета, излучаемого абсолютно черным телом при определенной цветовой температуре. Подробнее об этом можно прочитать здесь.

Параметры мерцания:

Индекс мерцания - учитывает площадь формы сигнала выше и ниже среднего уровня светового потока.
Глубина модуляции (процент мерцания) - характеризует разницу между максимальной и минимальной интенсивностью света в течение одного цикла.
Частота - большинство людей не замечает мерцание при частоте >90Hz, однако свет с частотой <400Hz может бессознательно воздействовать на организм через зрительную систему.
Риск (IEEE PAR1789) - интегральная оценка риска на основе указанных выше параметров.
Подробнее о мерцании и его влиянии на человека можно прочитать в этой статье.

Также могут быть полезны данные европейского стандарта EN 12464-1 о рекомендуемых уровнях освещенности и значениях Ra для различных рабочих помещений.

Насколько точен тест яркости?

Чтобы собрать излучаемый свет и уменьшить влияние угла излучения, я сделал испытательный стенд с зеркальной сферой и отверстием для фотометра.

Для получения максимально точных результатов измерения яркости испытательный стенд необходимо было откалибровать.

Для калибровки я использовал LED Nichia 519A 4000K с известными стабильными характеристиками. По данным измерений из нескольких источников ее приблизительный световой поток составляет 635 люмен при 2A.

Затем с помощью Opple LM4 я измерил 21000 lux. Для моего стенда это дает коэффициент пересчета Lux/Lumen 33.07, который я использую для оценки светового потока других LED в люменах.

Измерение температуры LED

Для измерения температуры LED используется инфракрасная камера Xinfrared InfiRay P2 Pro (Amazon).

Измерение температуры важно, поскольку мощные LED должны иметь радиатор для отвода избыточного тепла, которое вредно для LED.

Для большинства серийных LED желательно поддерживать температуру ниже 60°C, если это возможно, и не превышать 85°C, так как более высокая температура может сократить срок службы LED. Некоторые LED способны выдерживать до 150°C, но для массовых LED нельзя автоматически рассчитывать на такую термостойкость.

Какой ток должен получать LED?

LED - полупроводниковый прибор, управляемый током. Его вольт-амперная характеристика I-V нелинейна и приблизительно экспоненциальна: после начала прямой проводимости небольшое увеличение напряжения может вызвать значительное увеличение тока. Поэтому LED необходимо использовать с ограничением тока.

Если вы работаете с LED-лентой или готовой LED-лампой, она уже содержит либо токоограничивающие резисторы, либо схему стабилизации тока, поэтому достаточно подать указанное напряжение.

Если же вы работаете с отдельным LED, необходимо знать, до какого значения ограничивать ток. Обычно эта информация указана производителем в datasheet или на странице товара, но она доступна не всегда. Иногда приходится иметь дело со случайным LED без таких данных.

Что делать?

Если характеристики LED неизвестны, не подключайте его напрямую к источнику напряжения без ограничения тока, пытаясь определить рабочий ток. Используйте лабораторный источник питания с ограничением тока или достаточно большой последовательный резистор, начните с малого тока и постепенно увеличивайте его, контролируя прямое напряжение, яркость и температуру.

Без данных производителя таким способом можно определить только консервативную рабочую точку, но не гарантированный максимальный ток.

Прямое напряжение зависит от длины волны излучаемого света, то есть от цвета LED. Ориентировочные значения для LED без люминофорного покрытия:

Инфракрасный (IR) - 1.5V
Красный/оранжевый/желтый - 1.8V
Зеленый - 2V
Белый/синий/ультрафиолетовый (UV) - 3.2V

Иногда можно увидеть LED-чип с желтым покрытием. Это фосфорное (люминофорное) покрытие поверх синего LED. Синие LED отличаются высокой энергоэффективностью, а люминофор переизлучает часть света на других длинах волн, создавая более богатый спектр. Именно так выглядит большинство LED, используемых как источники света.

LED может выдерживать более высокое напряжение и ток, но этого следует избегать: при высокой нагрузке снижается энергоэффективность, выделяется больше тепла и LED быстрее деградирует. Для повышения отношения Lumen/Watt и продления срока службы LED иногда имеет смысл, наоборот, уменьшить ток.

После выбора оптимального тока для LED с учетом яркости и эффективности необходимо либо установить соответствующее ограничение тока на источнике питания, либо собрать цепь с последовательным токоограничивающим резистором. Для расчета номинала можно использовать этот онлайн-калькулятор.

LED можно питать от любого подходящего более высокого напряжения при правильно выбранном резисторе. Однако чем больше разница между прямым напряжением LED и напряжением источника питания, тем ниже общая эффективность схемы, поскольку больше электрической мощности рассеивается на резисторе.

Я тестирую LED при разных напряжениях и соответствующих токах, чтобы можно было сравнить их эффективность и яркость в разных условиях.

Что такое COB LED?

COB LED (chip-on-board LED) - это единый модуль с множеством LED-чипов, установленных на подложке с хорошим отводом тепла и покрытых равномерным слоем люминофора. Как показывает практика, такие сборки менее энергоэффективны по сравнению с отдельными LED, но дают более равномерное освещение и уменьшают эффект точечного источника света, что и используется в их конструкции.

Opple Light Master 4

Испытательный стенд с зеркальной сферой

Испытательный стенд под зеркальной сферой

Nichia 519A 4000K

Xinfrared InfiRay P2 Pro

5/3mm signal LED typical forward voltage

⇧ к оглавлению ⇧

Проблемы при использовании автомобильных LED-ламп

Некоторые владельцы автомобилей могут столкнуться с проблемой при замене обычных ламп накаливания (галогенных) на LED-лампы: LED-лампа не включается или мигает. В некоторых автомобилях при этом на приборной панели появляется ошибка о неисправности лампы.

Такая проблема встречается в некоторых современных автомобилях с системой контроля перегоревших ламп.

Бортовой компьютер таких автомобилей контролирует электрическую нагрузку в цепи лампы. Если сопротивление значительно выше, чем у лампы накаливания, либо ток вообще не течет, система регистрирует неисправность, показывает ошибку и может отключить питание лампы. Лампа накаливания потребляет примерно в 2-7 раз больше тока, чем LED-лампа, а ток обратно связан с сопротивлением: чем выше сопротивление, тем меньше ток.
В автомобилях без такой функции LED-лампы обычно работают вместо обычных ламп накаливания без каких-либо проблем, что подтверждает и мой опыт.

Если в вашем автомобиле возникает такая проблема, есть несколько способов ее решить:

Отключить контроль перегоревших ламп в бортовом компьютере. Это наиболее надежный способ, но обычно требует помощи автоэлектрика.
Установить нагрузочный резистор параллельно LED-лампе, подключив его между проводом питания и массой. Это увеличивает ток нагрузки и помогает системе контроля перегоревшей лампы имитировать электрическую нагрузку лампы накаливания. Резистор должен иметь достаточную мощность, обычно 50W, и сопротивление примерно 6-10Ohm. Полярности у него нет, он подключается параллельно цепи лампы. Поскольку резистор может сильно нагреваться, надежно закрепите его на металлической поверхности вдали от пластика и других термочувствительных деталей. Существуют также комплекты-адаптеры, которые устанавливаются между цоколем и лампой и не требуют разрезания проводов. Однако ни резистор, ни адаптер не гарантируют совместимость со всеми автомобилями: некоторые системы очень точно контролируют нагрузку, а сопротивление LED-ламп различается. Тем не менее в большинстве случаев этот способ помогает.
Некоторые LED-лампы имеют встроенные схемы подавления ошибок CAN Bus. Это не гарантирует совместимость с каждым автомобилем, поскольку различаются и системы контроля в автомобилях, и схемы, применяемые в LED-лампах.

В некоторых автомобилях проблема может возникать с сигнальными огнями и DRL (дневными ходовыми огнями), где используются одноконтактные лампы 21W вместо двухконтактных 21/5W, а яркость регулируется с помощью PWM. PWM (Pulse Width Modulation) прерывает питание лампы с определенной частотой и скважностью, регулируя видимую яркость и энергопотребление. Некоторые LED-лампы не могут корректно работать в таком режиме и начинают заметно мерцать.

Решение: существуют адаптеры с конденсаторами большой емкости, которые сглаживают PWM и устраняют мерцание LED-ламп. Однако при этом они не позволяют регулировать яркость так, как это пытается делать автомобиль. Часто такие адаптеры имеют встроенный резистор. Более правильным решением может быть выбор лампы, рассчитанной на корректную работу с PWM-регулированием.

Вывод: если раньше вы не использовали LED-лампы (освещение салона, номерного знака, сигнальные огни, дневные ходовые огни, ближний/дальний свет), первую лампу разумно покупать в магазине с возможностью возврата на случай, если она не будет работать в вашем автомобиле или не удастся решить проблему совместимости. То же относится к адаптерам и резисторам.
Еще раз отмечу, что описанные проблемы характерны только для отдельных моделей автомобилей. На моем Peugeot 308 2008 года LED-лампы в салоне, дневных ходовых огнях и сигнальных фонарях работают корректно без дополнительных резисторов.

Комплект нагрузочного резистора для автомобильных LED-ламп

⇧ к оглавлению ⇧

Тест 12V автомобильных сигнальных/маркерных ламп (64 лампы)

Этот тест будет полезен, если вы планируете заменить штатные галогенные лампы в автомобиле на автомобильные LED-лампы с тем же типом цоколя. Такая замена имеет смысл, если вы хотите снизить энергопотребление автомобиля (при одинаковой яркости оно уменьшается в 4 раза и более) и/или увеличить яркость освещения.

Все подробности тестов, проведенных в этой категории LED, можно найти в этом документе Google (лист "Car Signal/DRL Light").

Тестирование продолжается, поэтому список ламп и рекомендации со временем будут обновляться и дополняться новыми образцами.

Все лампы для дальнейшего тестирования я приобрел лично за собственные деньги.

Типы тестируемых ламп

В эту категорию входят лампы, используемые как сигнальные или маркерные огни:

- Указатели поворота

- Стоп-сигналы/габаритные огни

- Дневные ходовые огни (DRL)

- Фонари заднего хода

Наиболее распространенные типы цоколей (разъемов) для этих ламп:

P21/5W (цоколь: 1157, BAY15D, BA15D) - 2 контакта (высокая/низкая мощность)
P21W (белая), PY21W (желтая) (цоколь: 1156, BA15S, BAU15S) - 1 контакт
W21/5W (цоколь: T20, 7443, 7443 SRCK, W3x16q) - 2 контакта (высокая/низкая мощность)
W21W, WY21W (цоколь: T20, 7440, W3x16d) - 1 контакт
P27/5W (цоколь: 3157, T25, W25x16q) - 2 контакта (высокая/низкая мощность)
P27W (цоколь: 3156, T25, W25x16d) - 1 контакт

Некоторые производители LED-ламп используют одну и ту же световую часть, но разные типы цоколей или меняют цвет установленных LED (белый, желтый, красный), однако различий в характеристиках лампы при разных типах цоколя нет. При этом цвет света может несколько влиять на яркость.

В своих тестах в этой категории автомобильных ламп я в основном сосредоточился на лампах типа P21/5W.

Определение основного цвета

Большинство протестированных ламп белые, хотя некоторые имеют желтый или красный цвет. При описании цвета лампы главным параметром является основной цвет; если важен точный оттенок, следует ориентироваться на измеренную цветовую температуру. Лампы указателей поворота должны в первую очередь излучать желтый свет, а для некоторых стоп-сигналов и задних габаритных огней требуется ярко-красный свет, если сам корпус фонаря не красный и не использует белую или прозрачную лампу. Этот основной цвет также определен и указан в документе Google.

Типы измерений для каждой лампы

Измерения яркости и энергопотребления проводились при 4 разных напряжениях:
- 14V (двигатель автомобиля включен),
- 13V (для целей теста),
- 12V (базовое значение),
- 11V (для целей теста),
- Дополнительно я измеряю напряжение запуска (минимальное напряжение, при котором LED загорается).

Фотометрический тест и измерение мерцания проводились при 14V (двигатель автомобиля включен), поскольку это основное рабочее напряжение для этих ламп.
Тест температуры LED. Выполняются 3 измерения:
- 10 секунд - для целей теста.
- 30 секунд - чтобы проверить, подходит ли LED для использования в качестве сигнальной лампы при предельной температуре 85°C.
- 60 секунд - чтобы проверить, остается ли LED в пределах 85°C и может ли использоваться как DRL (дневной ходовой огонь).
- Если температура остается в допустимых пределах, дополнительно провожу измерение через 90 секунд.
- Если лампа имеет стеклянный или пластиковый колпак, корректно измерить температуру LED-чипа невозможно. В этом случае я измеряю самую горячую часть лампы, обычно ее корпус; его температура обычно на 25-30°C ниже температуры LED-чипа. При пластиковом корпусе температура LED-чипа может быть еще выше, поскольку пластик плохо отводит тепло.
Большинство моих тестов проводится для двухконтактных ламп P21/5W с режимами высокой/низкой мощности. Разница в энергопотреблении между этими режимами указана в разделе дополнительных параметров в документе Google - на листе "Car Signal/DRL Light". Тест яркости и фотометрические измерения выполняются в режиме высокой мощности.

Другие характеристики LED-ламп и подход к рекомендациям:

Некоторые лампы имеют алюминиевый корпус, и это существенное преимущество: корпус работает как радиатор, отводит тепло и продлевает срок службы LED.
Некоторые лампы мощнее других. Если мощная яркая лампа не имеет хорошего радиатора, она быстро перегревается, яркость падает, а LED быстро деградирует. Мощные горячие лампы можно устанавливать как стоп-сигналы или указатели поворота, поскольку они включаются лишь на короткое время и могут остывать между включениями, но их лучше не использовать как DRL (дневные ходовые огни).
Не стоит ориентироваться на номинальную мощность в ваттах, указанную на странице товара на AliExpress - в большинстве случаев, за редкими исключениями, она не соответствует действительности. По моим измерениям можно проверить реальную мощность лампы, температуру, энергоэффективность и многие другие параметры.
Моя итоговая рекомендация учитывает несколько параметров:
- Конструкция/качество, общее впечатление
- Результаты измерений теплоотвода
- Энергоэффективность
- Уровень яркости и ее стабильность. Яркость должна составлять не менее 75% яркости обычной галогенной лампы.

LED-лампы, которые я рекомендую в этой категории из 64 протестированных образцов:

CSL_18 - Очень хорошая лампа, хорошая яркость (89% яркости галогенной лампы), температура в допустимых пределах, впечатляющая энергоэффективность, мощность 4.7W. Можно использовать как DRL. Цена - 3USD за лампу.
CSL_25 - Очень хорошая лампа! Стабильно хорошая яркость (76% яркости галогенной лампы), стабильно очень низкая температура, хороший алюминиевый радиатор, сфокусированный луч благодаря линзе, хорошая упаковка, мощность 5.9W. Лучший вариант для DRL. Цена - 3.4USD за лампу.
CSL_29 (Альтернативная ссылка) - Очень хорошая стабильная яркость (103% яркости галогенной лампы), хороший отвод тепла (алюминиевый радиатор), хорошая энергоэффективность, мощность 6W Подходит для DRL. Цена - 3.8USD за лампу.
CSL_32 (Альтернативная ссылка) - Хорошая упаковка, прочная конструкция, алюминиевый радиатор, очень высокая яркость (156% яркости галогенной лампы), мощность 9.8W, можно использовать как DRL. Цена - 3.6USD за лампу.
CSL_46 - Прочная конструкция, алюминиевый радиатор, стабильная и очень высокая яркость (171% яркости галогенной лампы), очень хорошая энергоэффективность, мощность 9.6W. Можно использовать как DRL. Цена - 5.2USD за лампу.
CSL_46 (Альтернативная ссылка) - Отличная алюминиевая конструкция, стабильно высокая яркость (126% яркости галогенной лампы) при разных напряжениях, температура в допустимых пределах (до 80°C через 90 секунд), подходит для DRL. Высокая энергоэффективность. Мощность:7.1W Цена: 3.7USD за лампу.
CSL_48 (Альтернативная ссылка) - Прочная конструкция, алюминиевый корпус, хорошая яркость (79% яркости галогенной лампы), отличный отвод тепла (максимум 62°C через 90 секунд), подходит для DRL. Хорошая энергоэффективность. Мощность:5.5W Цена: 6.3USD за лампу.
CSL_53 (Альтернативная ссылка) - Компактный размер, отличная яркость (105% яркости галогенной лампы), допустимая температура (максимум 68°C через 90 секунд, измерение на радиаторе), подходит для DRL. Впечатляющая энергоэффективность. Мощность:6.1W Цена: 6.3USD за лампу.
CSL_62 (Альтернативная ссылка) - Отличная яркость (139% яркости галогенной лампы), хороший отвод тепла (максимум 76°C через 90 секунд, измерение на LED-чипах), подходит для DRL. Хорошая энергоэффективность. Мощность:8.6W Цена: 3.5USD за лампу.