Quando un faro da lavoro a LED si guasta presto, raramente i LED sono i primi a cedere. A cedere è il faro che li circonda: calore che non viene smaltito, un giunto di saldatura che si crepa, un faro collegato al contrario, una lente che ingiallisce. Ognuno di questi problemi di solito risale a un punto in cui il faro è stato reso più economico.
Questa guida esamina sette di questi punti, che cosa provoca ciascuno in esercizio e come costruiamo i nostri fari per ridurne la probabilità. È scritta per ingegneri e buyer che confrontano fornitori, perché quasi nessuna di queste scelte si vede su una scheda tecnica o in una foto.
Perché è il calore a decidere quanto dura un faro da lavoro a LED
Un LED trasforma parte della potenza in luce e gran parte del resto in calore alla giunzione, il punto all'interno del chip in cui si produce la luce. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti lo dice chiaramente: il calore alla giunzione è la causa principale del decadimento del flusso luminoso e, mentre un breve periodo ad alta temperatura è reversibile, il funzionamento continuo ad alta temperatura provoca una perdita permanente di flusso luminoso.
Quel calore deve passare dal LED al circuito stampato, attraversare uno strato di materiale di interfaccia termica e arrivare all'alloggiamento, che lo cede all'aria. Tre dei sette risparmi descritti di seguito si trovano su questo percorso. Ciascuno aggiunge resistenza al flusso di calore, così il LED lavora più caldo di quanto previsto dal progetto, cala di luminosità più in fretta e, nelle posizioni più sfavorevoli del faro, si brucia.
1. L'alloggiamento: lega di magnesio e pareti troppo sottili
L'alloggiamento di un faro è anche il suo dissipatore. L'alluminio pressofuso A380 conduce il calore a 96 W/m·K. Le due leghe di magnesio più usate per la pressofusione conducono molto meno: AZ91D a 51 W/m·K e AM60B a 61, secondo i dati pubblicati sulle leghe. Il magnesio è circa un terzo più leggero e si cola in pareti sottili, il che abbassa il costo del materiale, ma un alloggiamento in queste leghe allontana il calore dai LED più lentamente della stessa forma in alluminio. La scelta della lega conta: alcune leghe di magnesio, come l'AM20 con 94 W/m·K, si avvicinano all'alluminio, ed è per questo che conviene chiedere la designazione della lega per nome.
| Lega | Tipo | Conducibilità termica (W/m·K) | Densità (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| A380 | Alluminio pressofuso | 96 | 2.74 |
| AM60B | Magnesio pressofuso | 61 | 1.80 |
| AZ91D | Magnesio pressofuso | 51 | 1.81 |
Lo spessore delle pareti funziona allo stesso modo. Una base e alette più sottili contengono meno metallo per distribuire il calore, quindi la zona sotto ciascun LED si scalda di più.
Come li costruiamo noi: i nostri alloggiamenti sono in lega di alluminio pressofusa con il dissipatore ricavato di fusione, e l'alloggiamento è dimensionato sulla potenza di ciascun modello invece di essere condiviso tra potenze diverse.
2. Il circuito stampato: troppo sottile, con uno strato isolante scadente
I fari da lavoro a LED montano i LED su circuiti stampati a nucleo metallico: un sottile circuito in rame, uno strato isolante e una base in alluminio. Lo strato isolante è il collo di bottiglia. La guida alla progettazione delle schede di Cree osserva che le prestazioni termiche calano bruscamente quando quello strato conduce meno di circa 2 W/m·K, e mostra che lo stesso materiale può essere dichiarato a 2.2 W/m·K con il metodo di prova normalizzato oppure a oltre 30 con uno non normalizzato. Un valore sulla scheda tecnica di un circuito è confrontabile solo se si sa come è stato misurato.
Una base in alluminio più sottile distribuisce meno il calore prima che raggiunga l'alloggiamento, e questo concentra il calore sotto i LED.
Come li costruiamo noi: il circuito stampato e il suo spessore sono scelti in base alla potenza di ciascun modello, non in base al prezzo più basso.
3. La pasta termica: irregolare o del tipo sbagliato
Tra il circuito stampato e l'alloggiamento resta sempre un'intercapedine, per quanto piane sembrino le due superfici. L'aria in quell'intercapedine conduce circa 0.024 W/m·K, quindi un materiale di interfaccia termica, di solito una pasta o un pad, la riempie con circa 0.1–10 W/m·K. La guida alla gestione termica di Cree riassume la regola con «thin to win» (più è sottile, meglio è): lo strato deve essere sottile, uniforme e completo. Se è troppo spesso aggiunge resistenza; i punti scoperti lasciano aria; alcuni materiali vengono espulsi dal giunto (effetto pump-out) con i ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento e lasciano dei vuoti.
La pasta applicata a mano, o un composto più economico a bassa conducibilità, produce esattamente questi difetti. Il faro supera un test rapido in fabbrica e lavora caldo sul campo.
Come li costruiamo noi: la pasta viene applicata in uno strato uniforme su tutto il circuito stampato, con un composto scelto per la sua conducibilità termica e non per il prezzo.
4. La saldatura: rifusione poco controllata
I LED e i componenti del driver vengono saldati in un forno di rifusione che segue un profilo di temperatura definito. Se la temperatura di picco è troppo bassa o la lega saldante resta fusa troppo poco, il risultato è una saldatura fredda che sembra buona e conduce, ma è debole. Su un veicolo quel giunto subisce poi due tipi di sollecitazione: i cicli termici, che affaticano un po' la saldatura a ogni riscaldamento e raffreddamento, e le vibrazioni, che flettono la scheda finché un giunto indebolito si crepa. Il faro comincia a sfarfallare e poi si spegne, spesso solo quando la macchina è in funzione.
Come li costruiamo noi: la nostra linea SMT lavora con un profilo di rifusione controllato, e ogni progetto viene provato sulla nostra tavola vibrante secondo il profilo di vibrazione del cliente e sottoposto a cicli di shock termico prima della produzione. Prima della spedizione, ogni faro viene acceso per un test di burn-in con alimentazione alternata a 12 V e 24 V. Per come si esprimono i valori di vibrazione, vedete resistenza alle vibrazioni.
5. Inversione di polarità: nessuna protezione quando i cavi vengono scambiati
I fari da lavoro vengono spesso cablati sul campo, su macchine in cui entrambi i cavi sono neri o il codice colore è sbiadito. Un faro senza protezione contro l'inversione di polarità può danneggiarsi la prima volta che positivo e negativo vengono scambiati. Nemmeno il lato veicolo è tenero: la ISO 16750-2, la norma sui carichi elettrici dei veicoli stradali, prevede prove di tensione inversa e di load dump, la sovratensione che si genera quando una batteria si scollega mentre l'alternatore sta caricando.
Come li costruiamo noi: i nostri driver includono la protezione contro l'inversione di polarità, e i nostri fari da lavoro funzionano a 9–32 V DC, così un solo articolo copre macchine a 12 V e a 24 V.
6. La lente: plastica che ingiallisce
Il policarbonato è robusto, ed è per questo che si usa per le lenti dei fari da lavoro, ma il policarbonato non stabilizzato ingiallisce sotto i raggi ultravioletti, trasmette meno luce e diventa più fragile. I produttori di resina vendono gradi stabilizzati UV e rivestimenti proprio per questo motivo. Una lente più economica il giorno della consegna sembra identica e, dopo un periodo all'aperto, lascia passare sensibilmente meno luce. Approfondimenti sui materiali delle lenti in Polycarbonate Lens.
Come li costruiamo noi: la maggior parte delle nostre lenti è in policarbonato anti-UV, alcuni modelli hanno una lente con superficie indurita e alcuni usano invece il vetro.
7. Le guarnizioni: silicone che rilascia vapori e appanna la lente
Un faro da lavoro è sigillato per tenere fuori l'acqua, e così trattiene all'interno anche tutto ciò che i materiali interni rilasciano. Colle, guarnizioni, O-ring e resine di incapsulamento possono rilasciare composti volatili quando si scaldano. In un faro chiuso questi composti condensano sulla superficie interna della lente formando una patina che sembra sporco, e possono anche essere assorbiti dal silicone dei LED stessi e scolorirlo. La nota di compatibilità chimica di Cree mostra un apparecchio quasi sigillato la cui luce era visibilmente ingiallita dopo meno di 100 ore, e un gruppo di prova sigillato che ha perso il 90% del flusso luminoso dopo 450 ore, mentre un gruppo con involucro ventilato ha recuperato quasi tutto il flusso perso entro 24 ore.
La tenuta resta necessaria. Il punto è usare materiali di tenuta che non rilascino vapori alla temperatura di esercizio del faro e provare il faro finito a caldo.
Come li costruiamo noi: i materiali di tenuta sono scelti tenendo conto del rilascio di vapori, il driver è resinato e il faro sigillato supera le nostre prove di immersione in acqua, getto ad alta pressione e shock termico. Il confronto tra i gradi IP di tenuta è trattato in IP69K vs IP68.
Sette risparmi, che cosa provocano e che cosa chiedere
| Dove si risparmia | Che cosa provoca | Che cosa chiedere al fornitore |
|---|---|---|
| Alloggiamento in lega di magnesio, pareti sottili | LED troppo caldi, calo di luminosità più rapido, alcuni LED si bruciano | Designazione della lega dell'alloggiamento e spessore delle pareti |
| Circuito sottile, strato isolante scadente | Calore intrappolato sotto i LED | Tipo di circuito stampato e come è stata misurata la conducibilità dello strato isolante |
| Pasta termica irregolare o di bassa qualità | Punti caldi, calo di luminosità più rapido | Materiale di interfaccia termica e modalità di applicazione |
| Rifusione poco controllata | Sfarfallio, poi guasto sotto vibrazione | Controllo del profilo di rifusione, prove di vibrazione e di shock termico |
| Nessuna protezione contro l'inversione di polarità | Faro distrutto se collegato al contrario | La protezione contro l'inversione di polarità è integrata? |
| Lente non stabilizzata | Ingiallimento, meno luce | Materiale della lente e stabilizzazione UV |
| Materiali di tenuta che rilasciano vapori | Patina all'interno della lente, scolorimento dei LED | Materiali di tenuta e prove a caldo del faro sigillato |
Le domande da fare a qualsiasi fornitore
La tabella copre i sette risparmi. Vale la pena fare altre tre domande a chi produce i vostri fari, perché dipendono dal modello e dal programma:
Il faro ha uno sfiato o una membrana di ventilazione, e come viene gestita la condensa?
Il driver riduce la potenza se il faro si surriscalda?
Quali prove sui transitori, come il load dump, ha superato il faro, e secondo quale norma?
Quali specifiche si possono confrontare tra fornitori è spiegato in fari LED per macchine pesanti. Per la gamma, vedete fari da lavoro a LED.
Se un faro che usate oggi continua a guastarsi in uno di questi modi, inviateci il modello, la macchina e una descrizione del guasto. Vi diremo quale dei sette punti è la causa probabile e che cosa cambieremmo.
Domande frequenti
Che cosa fa bruciare rapidamente i fari da lavoro a LED?
Di solito il calore. Se l'alloggiamento, il circuito stampato o la pasta termica non riescono a portare via il calore dai LED, questi lavorano più caldi del previsto, calano di luminosità più in fretta e, nelle posizioni peggiori, si bruciano. Una saldatura scadente e l'assenza di protezione contro l'inversione di polarità causano i guasti improvvisi.
Perché il mio faro da lavoro a LED sfarfalla quando la macchina è in funzione?
Uno sfarfallio che compare con le vibrazioni del motore indica spesso un giunto di saldatura crepato o un collegamento allentato all'interno del faro. I cicli termici indeboliscono la saldatura nel tempo, e le vibrazioni aprono la crepa.
Perché c'è una patina all'interno del mio faro da lavoro a LED?
O l'umidità ha superato una guarnizione, oppure i materiali all'interno del faro hanno rilasciato vapori che si sono condensati sulla lente. Il calore favorisce il rilascio di vapori, quindi il fenomeno compare soprattutto nei fari che lavorano caldi.
Collegare al contrario un faro da lavoro a LED può danneggiarlo?
Sì, se il faro non ha la protezione contro l'inversione di polarità. Chiedete al fornitore se il driver è protetto prima che le squadre montino i fari sul campo.
