Quando um farol de trabalho LED falha cedo, raramente os LEDs são os primeiros a ceder. O que falha é o farol em volta deles: calor que não é dissipado, uma junta de solda que trinca, um farol ligado invertido, uma lente que amarela. Cada um desses problemas costuma ter origem em um ponto onde o farol foi barateado.
Este guia percorre sete desses pontos, o que cada um causa em operação e como fabricamos nossos faróis para reduzir a chance de isso acontecer. Ele foi escrito para engenheiros e compradores que comparam fornecedores, porque quase nenhuma dessas escolhas aparece em uma ficha técnica ou em uma foto.
Por que o calor decide quanto tempo dura um farol de trabalho LED
Um LED converte parte da potência em luz e a maior parte do restante em calor na junção, o ponto dentro do chip onde a luz é produzida. O Departamento de Energia dos EUA é direto: o calor na junção é a principal causa da depreciação do fluxo luminoso e, embora um curto período em alta temperatura possa ser revertido, a operação contínua em alta temperatura causa uma perda permanente de fluxo luminoso.
Esse calor precisa sair do LED, passar pela placa de circuito, atravessar uma camada de material de interface térmica e chegar à carcaça, que o transfere para o ar. Três das sete economias abaixo ficam nesse caminho. Cada uma acrescenta resistência ao fluxo de calor, então o LED trabalha mais quente do que o projetado, perde brilho mais rápido e, nas posições mais desfavoráveis do farol, queima.
1. A carcaça: liga de magnésio e paredes finas demais
A carcaça de um farol também é o seu dissipador de calor. O alumínio injetado A380 conduz calor a 96 W/m·K. As duas ligas de magnésio mais usadas em fundição sob pressão conduzem bem menos: AZ91D a 51 W/m·K e AM60B a 61, segundo dados publicados das ligas. O magnésio é cerca de um terço mais leve e pode ser fundido com paredes finas, o que reduz o custo de material, mas uma carcaça nessas ligas afasta o calor dos LEDs mais devagar do que o mesmo formato em alumínio. A escolha da liga faz diferença: algumas ligas de magnésio, como a AM20 com 94 W/m·K, chegam perto do alumínio, e é por isso que vale pedir a designação da liga pelo nome.
| Liga | Tipo | Condutividade térmica (W/m·K) | Densidade (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| A380 | Alumínio injetado | 96 | 2.74 |
| AM60B | Magnésio injetado | 61 | 1.80 |
| AZ91D | Magnésio injetado | 51 | 1.81 |
A espessura de parede funciona do mesmo jeito. Uma base e aletas mais finas têm menos metal para espalhar o calor, então a área sob cada LED fica mais quente.
Como nós fabricamos: nossas carcaças são de liga de alumínio injetada com o dissipador fundido na própria peça, e a carcaça é dimensionada para a potência de cada modelo, em vez de ser compartilhada entre potências diferentes.
2. A placa de circuito: fina demais e com uma camada isolante fraca
Os faróis de trabalho LED montam os LEDs em placas de núcleo metálico: um circuito fino de cobre, uma camada isolante e uma base de alumínio. A camada isolante é o gargalo. O guia de projeto de placas da Cree observa que o desempenho térmico cai bruscamente quando essa camada conduz menos de cerca de 2 W/m·K, e mostra que o mesmo material pode ser anunciado com 2.2 W/m·K pelo método de ensaio padronizado ou acima de 30 por um método não padronizado. Um valor na ficha técnica de uma placa só é comparável se você souber como ele foi medido.
Uma base de alumínio mais fina espalha menos o calor antes que ele chegue à carcaça, o que concentra o calor sob os LEDs.
Como nós fabricamos: a placa e sua espessura são escolhidas de acordo com a potência de cada modelo, não pelo menor preço de placa.
3. A pasta térmica: irregular ou do tipo errado
Entre a placa e a carcaça sempre existe uma folga, por mais planas que as duas superfícies pareçam. O ar nessa folga conduz cerca de 0.024 W/m·K, por isso um material de interface térmica, normalmente uma pasta ou um pad, preenche esse espaço com algo entre 0.1 e 10 W/m·K. O guia de gerenciamento térmico da Cree resume a regra como "thin to win" (quanto mais fina, melhor): a camada precisa ser fina, uniforme e completa. Grossa demais, ela acrescenta resistência; falhas de cobertura deixam ar; e alguns materiais são expulsos da junta (efeito pump-out) com os ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento, deixando vazios para trás.
Pasta aplicada à mão, ou um composto mais barato de baixa condutividade, produz exatamente esses defeitos. O farol passa em um teste rápido na fábrica e trabalha quente em campo.
Como nós fabricamos: a pasta é aplicada em uma camada uniforme sobre toda a placa, com um composto escolhido pela condutividade térmica e não pelo preço.
4. A soldagem: controle de refusão ruim
Os LEDs e os componentes do driver de LED são soldados em um forno de refusão que segue um perfil de temperatura definido. Se a temperatura de pico for baixa demais ou a solda ficar fundida por pouco tempo, o resultado é uma solda fria, que parece boa e conduz, mas é fraca. Em um veículo, essa junta passa depois por dois tipos de esforço: a ciclagem térmica, que fadiga um pouco a solda a cada aquecimento e resfriamento, e a vibração, que flexiona a placa até que uma junta enfraquecida trinque. O farol começa a piscar e depois apaga, muitas vezes só quando a máquina está funcionando.
Como nós fabricamos: nossa linha SMT trabalha com um perfil de refusão controlado, e cada projeto passa por nossa própria mesa de vibração no perfil de vibração do cliente e por ciclos de choque térmico antes da produção. Antes do embarque, cada farol é ligado para um teste de burn-in com alimentação alternada de 12 V e 24 V. Para entender como os índices de vibração são expressos, veja índice de vibração.
5. Inversão de polaridade: nenhuma proteção quando os fios são trocados
Faróis de trabalho costumam ser instalados em campo, em máquinas onde os dois fios são pretos ou o código de cores já apagou. Um farol sem proteção contra inversão de polaridade pode ser danificado na primeira vez que positivo e negativo forem trocados. O lado do veículo também não é gentil: a ISO 16750-2, a norma sobre cargas elétricas em veículos rodoviários, inclui itens de ensaio para tensão invertida e para load dump (descarga de carga), o surto de tensão que ocorre quando uma bateria se desconecta enquanto o alternador está carregando.
Como nós fabricamos: nossos drivers de LED incluem proteção contra inversão de polaridade, e nossos faróis de trabalho funcionam em 9–32 V CC, então um único item atende máquinas de 12 V e de 24 V.
6. A lente: plástico que amarela
O policarbonato é resistente, por isso é usado nas lentes de faróis de trabalho, mas o policarbonato sem estabilização amarela sob a luz ultravioleta, transmite menos luz e fica mais quebradiço. Os fabricantes de resina vendem graus estabilizados contra UV e revestimentos exatamente por esse motivo. Uma lente mais barata parece igual no dia da entrega e, depois de um tempo ao ar livre, deixa passar visivelmente menos luz. Mais sobre materiais de lente em Polycarbonate Lens.
Como nós fabricamos: a maioria das nossas lentes é de policarbonato anti-UV, alguns modelos têm lente com superfície endurecida e alguns usam vidro no lugar.
7. As vedações: silicone que libera gases e embaça a lente
Um farol de trabalho é vedado para manter a água do lado de fora, o que também mantém dentro tudo o que os materiais internos liberam. Colas, gaxetas, anéis O-ring e compostos de encapsulamento podem liberar compostos voláteis quando esquentam. Em um farol fechado, esses compostos se condensam na face interna da lente como uma névoa que parece sujeira, e também podem ser absorvidos pelo próprio silicone dos LEDs e descolori-lo. A nota de compatibilidade química da Cree mostra uma luminária quase vedada cuja luz havia amarelado visivelmente em menos de 100 horas, e um grupo de teste vedado que perdeu 90% do fluxo luminoso após 450 horas, enquanto um grupo cujo invólucro era ventilado recuperou quase todo o fluxo perdido em 24 horas.
A vedação continua necessária. O ponto é usar materiais de vedação que não liberem gases na temperatura de operação do farol e testar o farol pronto a quente.
Como nós fabricamos: os materiais de vedação são escolhidos levando em conta a liberação de gases, o driver de LED é encapsulado e o farol vedado passa pelos nossos ensaios de imersão em água, jato de alta pressão e choque térmico. A comparação entre os graus IP de vedação está em IP69K vs IP68.
Sete economias, o que causam e o que perguntar
| Onde se economiza | O que causa | O que perguntar ao fornecedor |
|---|---|---|
| Carcaça em liga de magnésio, paredes finas | LEDs quentes, perda de brilho mais rápida, alguns LEDs queimam | Designação da liga da carcaça e espessura de parede |
| Placa fina, camada isolante fraca | Calor preso sob os LEDs | Tipo de placa e como a condutividade da camada isolante foi medida |
| Pasta térmica irregular ou de baixa qualidade | Pontos quentes, perda de brilho mais rápida | Material de interface térmica e como é aplicado |
| Controle de refusão ruim | Cintilação e depois falha sob vibração | Controle do perfil de refusão, ensaios de vibração e de choque térmico |
| Sem proteção contra inversão de polaridade | Farol destruído quando ligado invertido | A proteção contra inversão de polaridade é integrada? |
| Lente sem estabilização | Amarelamento, menos luz | Material da lente e estabilização UV |
| Materiais de vedação que liberam gases | Névoa dentro da lente, descoloração dos LEDs | Materiais de vedação e teste a quente do farol vedado |
Perguntas para fazer a qualquer fornecedor
A tabela cobre as sete economias. Vale fazer mais três perguntas a quem fabrica os seus faróis, porque elas dependem do modelo e do programa:
O farol tem respiro ou membrana de ventilação, e como a condensação é tratada?
O driver de LED reduz a potência se o farol superaquecer?
Em quais ensaios de transientes, como o load dump, o farol foi aprovado, e segundo qual norma?
O que dá para comparar entre fornecedores está em luzes LED para máquinas pesadas. Para ver a linha, acesse faróis de trabalho LED.
Se um farol que você usa hoje continua falhando de uma dessas formas, envie para nós o modelo, a máquina e uma descrição da falha. Diremos qual dos sete pontos é a causa provável e o que mudaríamos.
Perguntas frequentes
O que faz os faróis de trabalho LED queimarem rápido?
Geralmente, o calor. Se a carcaça, a placa ou a pasta térmica não conseguem levar o calor embora dos LEDs, eles trabalham mais quentes do que o projetado, perdem brilho mais rápido e, nas piores posições, queimam. Solda malfeita e a falta de proteção contra inversão de polaridade causam as falhas repentinas.
Por que meu farol de trabalho LED pisca quando a máquina está funcionando?
Uma cintilação que aparece com a vibração do motor muitas vezes indica uma junta de solda trincada ou uma conexão frouxa dentro do farol. A ciclagem térmica enfraquece a solda com o tempo, e a vibração abre a trinca.
Por que há uma névoa dentro do meu farol de trabalho LED?
Ou a umidade passou por uma vedação, ou materiais dentro do farol liberaram gases que se condensaram na lente. O calor acelera a liberação de gases, por isso ela aparece mais em faróis que trabalham quentes.
Ligar um farol de trabalho LED invertido pode danificá-lo?
Pode, se o farol não tiver proteção contra inversão de polaridade. Pergunte ao fornecedor se o driver de LED é protegido antes que as equipes instalem os faróis em campo.
