It will have happened to anyone to buy LED bulbs for their car, but also for their home, and to see them broken, turned off, after a few hours of operation. In this article I will briefly analyze the causes of the breakage and suggest solutions.
But why don't LED bulbs last the promised 10000-30000 hours?
I really tried several LED bulbs and I realized that, if the bulbs do not last long, the main problem is a incorrect design of the same. 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!
For those who have time and desire to study a datasheet (technical sheet) of an LED, you can follow this 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.
Operating parameters of the LEDs
The parameters to be taken into account are as follows:
- Forward voltage (VF): indicates the voltage that develops at the ends of the LED when it is crossed by current. In the datasheet you can see that it is between 3.7V and 4.2V.
- Forward current (IF): the current that the LED must travel to turn it on. The datasheet suggests a current of 20mA, which must never exceed 30mA.
- Junction temperature (Tj): the maximum internal operating temperature (maximum junction temperature), which must never be higher than +110°C in our example LED.
- 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).
Calculation of thermal dissipation
So, having determined that our sample LED can be fine, we must adjust the current so that the heat dissipation is correct.
If traveled by the recommended current of 20mA (= 0.02A), our LED will have a voltage drop of about 3.7V.
Therefore the power dissipated is:
Watts = Volts * Amps = 3.7 * 0.02 = 0.074W
At this power, the temperature of the led junction (the internal temperature of the led) will increase by:
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.
Since the maximum junction temperature (Tj) is 110°C, this means that 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, which for our application is perfect.
Unfortunately, designers may decide to increase the operating current of the LED (IF), in order to make it brighter. Or they could choose a less performing LED and increase the operating current (IF) in addition to the maximum value, making the LED heat up disproportionately and reducing its life in a sensitive way.
Or they may choose a current regulator that is too delicate. The current regulator is used to impose the operating current (IF) on the LED, but, if the regulator is poorly designed (even for the components of the regulator there are datasheets and calculations must be made!), it could be damaged before the LED itself. In case the current regulator is damaged, the LED bulb would no longer work despite having correctly designed the heat dissipation of the LEDs with the above formulas.
Other design errors
Normally LED bulbs consist of multiple LEDs. The way of connecting them also affects the life of the lamp.
In the diagrams above we can find some connections that I have personally verified in some LED bulbs.
LED design error #1
Nell'Example 1, who designed the LED lamp, believed that the LEDs were light bulbs and connected them in series without a current regulator (without resistor).
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...
LED design error #2
Nell'Example 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.
The voltage at the ends of the three LEDs is:
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
It will then find a resistor with a value similar to that of calculation, but that is actually existing on the market: 47ohm.
Too bad that, when the engine of our car or motorcycle is turned on, the voltage at the ends of the battery can exceed 14V! Making simple calculations, always using Ohm's first law:
IF = (Vbatt - Vled) / R = (14 - 11,1) / 47 = 0,062A
The IF current is now 62mA, capable of destroying the LED as it is too high, because it is higher than the maximum IF.
Even assuming we calculate the resistance value (R) for a voltage of 14V and not 12V (and therefore about 145ohm), we would have another problem: the brightness of the motor-off LED would be too low, as the IF current would be about 6mA, well below the 20mA we need.
L'unica soluzione è do not put three LEDs in series (if these have a high VF voltage like the one in our practical example), but put the LEDs in series two by two!
LED design error #3
Infine abbiamo l'example number 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.
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 of our example LED, we note that there is a relationship between VF (LED operating voltage) and IF (LED operating current). We find it in the graph of Fig. 4 on page 3. In short, we note that even a difference of 0.1V, of operating voltage tolerance (VF) between one LED and another, can cause different absorptions (IF) even of different 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.
Correct design of LED bulbs
After seeing what not to do to design an LED lamp, let's now see some examples of a well-designed light bulb. Taking advantage of the techniques and schemes that I will provide, it will also be possible to correct poorly designed bulbs, or take advantage of the LEDs of non-working bulbs to make other, better lamps.
Remember that the LEDs must be driven in current (the IF current previously described) and not in voltage. The VF voltage will develop when the LED is crossed by the IF current. For low power lamps, the IF operating current, of a few tens of mA, can be conveniently generated by a resistor (indicated with R in theExample 2 of the correct schemes above).
Also from example no. 2, it is clear that the maximum number of LEDs that I recommend connecting in series under a single resistance is two. This applies to white LEDs with high brightness, not excluding that there are different LEDs, which have lower operating voltages (VF) and therefore allow them to be connected even in series of three or four (for 12V power supplies).
Qualora si abbiano i datasheet dei LED da utilizzare, consiglio di ripercorrere i calcoli riportati all'inizio del presente articolo.
If the technical data of the LED is not available?
If, on the other hand, the technical data of the LED are not available, in a prudential way I would not travel more than 15-20mA on the series of the two LEDs (and in any case on the single LED, since the current that runs through the series of the two LEDs is equal to the current that runs through each LED of the series). I therefore recommend starting with a resistor (R) of 470ohm (1/4W of power) for the series of two LEDs. In the case of a single LED, I recommend starting with a 560ohm (1/4W) resistor. The values of the resistors are already calculated assuming a supply voltage of 14V and a voltage drop of about 3V LED.
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.
During the test, you need to be sure that the LEDs do not dissipate too much heat: paying attention not to get burned, it must be possible to hold a finger on the LEDs, feeling only a feeling of lukewarm. LEDs do not have to be absolutely hot.
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'Example 3.
Polarity of LED bulbs
Finally, for completeness of information, remember that LEDs work in one direction only, correctly connecting the + and - poles. In case of polarity reversal, the bulbs do not turn on.
E' possibile danneggiare le lampadine a LED collegandole al contrario?
If I said no, I would be lying. Carefully reading the datasheet of the LED taken as an example, we find another parameter that many overlook: the maximum reverse voltage, reverse voltage (VR). This is the maximum voltage that the LED can withstand when connected with the inverted poles. We can note that, in our example LED, the maximum reverse voltage VR = 5V. Therefore it is actually possible to burn an LED by reversing the polarity, because we could apply higher inverse voltages to it.
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.
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!
In the next articles, I will also indicate solutions for avoid flickering of the LEDs in case of PWM power supplies (present in modern cars).
Per evitare l'errore della centralina (which some call canbus error), which could indicate that the lamp is damaged, if it is replaced with an LED bulb, I wrote this article.