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Lampadine a LED, come mai non funzionano

Sarà capitato a chiunque di acquistare delle lampadine a led per la propria automobile, ma anche per la propria casa, e di vederle rotte, spente, dopo poche ore di funzionamento. In questo articolo analizzerò brevemente le cause della rottura e suggerirò delle soluzioni.

Ma come mai le lampadine a LED non durano le 10000-30000 ore promesse?

Ho provato davvero parecchie lampadine a LED e mi sono accorto che, se le lampadine durano poco, il problema principale è una errata progettazione delle stesse. Sembra strano, ma è proprio così. Non è una questione di materiali, soprattutto se parliamo di lampadine di scarsa potenza: luci di posizione, frecce a led, lampade per retroilluminazione dei pulsanti. E’ proprio una questione di progetto, tanto che, andando a correggere, ove possibile, gli errori, queste lampadine potrebbero funzionare in eterno!

Per chi avesse tempo e voglia di studiare un datasheet (foglio tecnico) di un led, può seguire questo link. E’ solo un esempio di un led bianco ad alta luminosità, preso a caso tra quelli che possono essere anche utilizzati nelle lampade a LED per le luci di posizione, retromarcia ed anche per la retroilluminazione dei cruscotti.

LED smd

Parametri operativi dei led

I parametri da prendere in considerazione sono i seguenti:

  • Forward voltage (VF): indica la tensione che si sviluppa ai capi del LED quando viene percorso da corrente. Nel datasheet si vede che è compresa tra 3,7V e 4,2V.
  • Forward current (IF): la corrente che deve percorrere il LED per accenderlo. Nel datasheet viene suggerita una corrente di 20mA, che non dovrà mai superare i 30mA.
  • Junction temperature (Tj): la temperatura massima interna di funzionamento (massima temperatura di giunzione), che non deve mai essere superiore a +110°C nel nostro led di esempio.
  • Thermal resistance Junction/Ambient (Rthja): il fattore di dissipazione, quanti gradi aumenta la temperatura di giunzione rispetto all’ambiente circostante per ogni Watt di potenza assorbita (e quindi dissipata). Nel nostro led di esempio, 400K/W = 400°C/W.

Ora, dovessi consigliare al progettista di una lampada a LED come disegnarla, partirei sicuramente dai dati sopra elencati (ovviamente dopo aver definito che il tipo di LED preso in considerazione sia adatto all’applicazione in termini di colore e luminosità).

Calcolo della dissipazione termica

Dunque, avendo stabilito che il nostro LED di esempio possa andare bene, dobbiamo regolare la corrente in modo che la dissipazione termica sia corretta.

Se percorso dalla corrente consigliata di 20mA (= 0,02A), il nostro led avrà una caduta di tensione di 3,7V circa.
Pertanto la potenza dissipata è:
Watt = Volt * Ampere = 3,7 * 0,02 = 0,074W
A questa potenza, la temperatura della giunzione del led (la temperatura interna del led) incrementerà di:
T = Watt * Rthja = 0,074 * 400 = 29,6°C

Cosa abbiamo scoperto? Che se utilizziamo i valori suggeriti dal costruttore del LED, quest’ultimo aumenterà la propria temperatura interna di quasi 30°C rispetto alla temperatura del suo ambiente (la scatola del cruscotto, oppure l’interno del fanale dell’automobile), sempre che si utilizzi la tecnica di montaggio suggerita nel datasheet.

Essendo la temperatura massima di giunzione (Tj) pari a 110°C, questo significa che il nostro LED non dovrà mai lavorare all’interno di un fanale o di un cruscotto quando la temperatura di questi ultimi sia superiore ad 80°C, che per la nostra applicazione è perfetto.

Purtroppo i progettisti potrebbero decidere di incrementare la corrente operativa del LED (IF), in modo da renderlo più luminoso. Oppure potrebbero scegliere un LED meno performante ed incrementare la corrente operativa (IF) oltre al valore massimo, facendo scaldare il LED in modo spropositato e riducendo la sua durata in maniera sensibile.

Oppure potrebbero scegliere un regolatore di corrente troppo delicato. Il regolatore di corrente serve per imporre al LED la corrente operativa (IF), ma, se il regolatore è progettato male (anche per i componenti del regolatore ci sono dei datasheet e bisogna fare dei calcoli!), potrebbe danneggiarsi prima dello stesso LED. In caso si danneggiasse il regolatore di corrente, la lampadina a LED non funzionerebbe più pur avendo progettato correttamente la dissipazione di calore dei LED con le formule sopra indicate.

Altri errori di progettazione

Normalmente le lampadine a LED sono costituite da più LED. Anche il modo di collegarli influisce sulla durata della lampada.

Lampadine a LED, collegamenti errati, surriscaldamento, parallelo

Negli schemi sopra riportati possiamo trovare alcuni collegamenti che ho personalmente verificato in alcune lampadine a LED.

Nell’esempio n. 1, chi ha progettato la lampada a LED, credeva che i LED fossero delle lampadine e li ha collegati in serie senza regolatore di corrente (senza resistore).

Lampadina a LED difettosa, ambra, arancione, indicatore direzione, freccia, BA15S baionetta, difettosa

Ho personalmente trovato la lampadina (sopra fotografata), assolutamente poco luminosa, in cui mancavano le resistenze di regolazione della corrente dei LED. La lampada scaldava in maniera eccessiva e non sarebbe durata più di un’ora. Purtroppo, anche aggiungendo i resistori opportuni, la lampada risultava troppo poco luminosa per essere montata sulla mia autovettura. Potrò eventualmente utilizzarla in un presepe…

Nell’esempio n. 2, tutto sembrerebbe corretto: i LED sono collegati in serie con un resistore che ne regola la corrente operativa (IF). Peccato che una configurazione del genere, funzioni solo sulla carta e non nella vita reale! Ho personalmente acquistato delle luci copri-manopole della motocicletta che sono durate meno di una stagione. Avevano il problema disegnato nell’esempio n. 2. Dopo averlo riscontrato, l’ho risolto ricollegando i LED come indicherò nei paragrafi successivi.

Vediamo come mai la configurazione dell’esempio n. 2 è errata. Se colleghiamo in serie tre LED, abbiamo una tensione operativa stimata di 3 volte la caduta del singolo LED.
La tensione ai capi dei tre LED è:
Vled = 3 * VF = 3 * 3,7 = 11,1V
Bene, se la tensione della batteria (Vbatt) è di 12V, il nostro “bravo” progettista di lampade a LED low cost calcolerà la resistenza (R) di regolazione della corrente operativa (IF) in questo modo, secondo la prima legge di Ohm:
R = (Vbatt – Vled) / IF = (12 – 11,1) / 0,02 = 45ohm
Troverà quindi un resistore con valore simile a quello di calcolo, ma che sia effettivamente esistente in commercio: 47ohm.
Peccato che, quando il motore della nostra autovettura o della nostra motocicletta è acceso, la tensione ai capi della batteria può superare i 14V! Facendo dei semplici calcoli, sempre usando la prima legge di Ohm:
IF = (Vbatt – Vled) / R = (14 – 11,1) / 47 = 0,062A
La corrente IF è ora di 62mA, in grado di distruggere il LED in quanto troppo alta, perché superiore alla IF massima.
Anche supponendo di calcolare il valore della resistenza (R) per una tensione di 14V e non di 12V (e quindi circa 145ohm), avremmo un altro problema: la luminosità del LED a motore spento sarebbe troppo bassa, in quanto la corrente IF sarebbe di circa di 6mA, ben al di sotto dei 20mA di cui abbiamo bisogno.

L’unica soluzione è non mettere in serie tre LED (se questi hanno una tensione VF alta come quella nel nostro esempio pratico), ma mettere i LED in serie a due a due!

Infine abbiamo l’esempio numero 3. Questa configurazione è, purtroppo, molto comune tra le lampadine a LED che si acquistano a poco prezzo. Non possiamo escludere che i LED, sebbene collegati come nell’esempio n. 3, funzionino. C’è però un problema di bilanciamento delle correnti operative IF.

Lampadine a LED, lampade, luci di posizione T5 W3W T10 W5W funzionanti, resistori

Dobbiamo quindi calcolare il resistore (R) in modo che la corrente generata sia doppia rispetto alla corrente operativa della singola serie di LED, in quanto le serie sono due. Tralasciando i conti (già visti nell’esempio precedente), dovremmo utilizzare un resistore (R) da 150ohm, che assicura una corrente di 40mA complessiva tra le due serie di due LED. Ogni serie dovrebbe assorbire 20mA. Questo è abbastanza vero, ma non del tutto. Se andiamo ad analizzare con attenzione il datasheet del nostro LED di esempio, notiamo che esiste una relazione tra VF (tensione operativa del LED) e IF (corrente operativa del LED). La troviamo nel grafico di Fig. 4 a pagina 3. In breve, notiamo che anche solo una differenza di 0,1V, di tolleranza di tensione operativa (VF) tra un led e un altro, può causare assorbimenti (IF) differenti anche di diversi mA.
Questo comporta che alcuni LED potrebbero assorbire qualche mA in più ed altri di meno. Nel caso in cui la corrente IF di un LED superasse quella massima consentita, oppure con quella corrente in più scaldasse oltre alla temperatura di giunzione (Tj) consentita, il LED potrebbe danneggiarsi. Se il LED è progettato bene, con tutti i conti sopra elencati, molto probabilmente uno sbilanciamento di correnti non causerebbe alcun danno. All’opposto, se il progettista ha calcolato una corrente IF molto vicina (o addirittura superiore) al massimo consentito, anche un piccolo sbilanciamento potrebbe far scaldare il LED in maniera spropositata e danneggiarlo.

Progettazione corretta di lampadine a LED

Dopo aver visto cosa non fare per progettare una lampada a LED, vediamo ora qualche esempio di lampadina progettata bene. Sfruttando le tecniche e gli schemi che fornirò, sarà anche possibile correggere delle lampadine progettate male, oppure sfruttare i LED delle lampadine non funzionanti per realizzare altre lampade, migliori.

Lampadine a LED, collegamenti corretti, parallelo, resistenza, resistore

Ricordo che i LED si devono pilotare in corrente (la corrente IF precedentemente descritta) e non in tensione. La tensione VF si svilupperà quando il LED viene percorso dalla corrente IF. Per lampade di bassa potenza, la corrente operativa IF, di poche decine di mA, può essere comodamente generata da un resistore (indicato con R nell’esempio n. 2 degli schemi corretti sopra riportati).

Sempre dall’esempio n. 2, si evince che il numero massimo di LED che consiglio di collegare in serie sotto una unica resistenza è due. Questo vale per i led bianchi ad alta luminosità, non escludendo che esistano dei LED differenti, che abbiano tensioni operative (VF) più basse e che quindi consentano di essere collegati anche in serie di tre o quattro (per alimentazioni a 12V).

Qualora si abbiano i datasheet dei LED da utilizzare, consiglio di ripercorrere i calcoli riportati all’inizio del presente articolo.

Qualora invece i dati tecnici del LED non siano disponibili, in maniera prudenziale non farei percorrere più di 15-20mA sulla serie dei due LED (e comunque sul LED singolo, dato che la corrente che percorre la serie dei due LED è uguale alla corrente che percorre ciascun LED della serie). Consiglio pertanto di partire con un resistore (R) da 470ohm (1/4W di potenza) per la serie di due led. In caso di LED singolo, consiglio di partire con un resistore da 560ohm (1/4W). I valori dei resistori sono già calcolati supponendo una tensione di alimentazione di 14V ed una caduta di tensione di circa 3V a LED.

Lampadina a LED difettosa, luce di posizione, T10 W5W

Quando viene effettuato il primo montaggio provvisorio, è possibile misurare l’effettiva corrente che percorre i LED per mezzo di un tester. Dopo la misura, sarà possibile decidere di incrementare il valore dei resistori per ridurre l’assorbimento, oppure di ridurre il valore dei resistori per incrementare l’assorbimento dei LED.

Durante la prova, bisogna essere sicuri che i LED non dissipino troppo calore: prestando attenzione a non scottarsi, deve essere possibile tenere un dito sui LED, avvertendo solo una sensazione di tiepido. I LED non devono essere assolutamente caldi.

Per realizzare lampade da più di due LED, sarà necessario realizzare più serie di due LED, con i rispettivi resistori (R) tutti uguali, collegandole poi in parallelo come nell’esempio n. 3.

Polarità delle lampadine a LED

Infine, per completezza di informazioni, ricordo che i LED funzionano in un solo senso, collegando correttamente i poli + e -. In caso di inversione della polarità, le lampadine non si accendono.

E’ possibile danneggiare le lampadine a LED collegandole al contrario?

Se rispondessi di no, mentirei. Leggendo con attenzione il datasheet del LED preso come esempio, troviamo un altro parametro che molti trascurano: la massima tensione inversa, reverse voltage (VR). Questa è la massima tensione che il LED può sopportare quando è collegato con i poli invertiti. Possiamo notare che, nel nostro LED di esempio, la massima tensione inversa VR = 5V. Pertanto è effettivamente possibile bruciare un LED invertendo la polarità, perché potremmo applicargli tensioni inverse di entità superiore.

Questo parametro è da tenere in considerazione se vogliamo montare delle lampade a LED in condizioni particolari, quando è possibile che nel circuito possa venire invertita la polarità alla lampada (ad esempio sulla lampadina spia di ricarica dell’alternatore di alcune auto d’epoca). In questo caso, bisogna installare un diodo (D), tipo 1N4007, internamente alla lampada a LED, dopo il resistore (R), come nell’esempio n. 4 della precedente immagine. Il diodo proteggerà il LED da tensioni inverse: se collegata con polarità invertita, la lampada non si accenderà, ma non si danneggerà.

Lampadine a LED per automobili, retromarcia, luci di posizione, frecce, T20, W21W, BA15S, BAU15S, funzionanti

Per proteggere il LED contro l’inversione di polarità, sono possibili soluzioni con diodo esterno al LED. E se volessimo realizzare una lampada che si accenda anche con polarità invertita? Oppure con corrente alternata? Per le risposte dovrete attendere i prossimi articoli!

Nei prossimi articoli, indicherò anche delle soluzioni per evitare lo sfarfallamento dei LED in caso di alimentazioni PWM (presenti nelle auto moderne).

Per evitare l’errore della centralina (che alcuni chiamano errore canbus), che potrebbe indicare che la lampada è danneggiata, qualora venga sostituita con una lampadina a LED, ho scritto questo articolo.

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