Gestandaardiseerde tests voor LED's strekken zich uit tot verlichtingsarmaturen
LED's zijn opmerkelijk duurzaam en falen zelden catastrofaal. Een meer waarschijnlijke faalmodus vervaagt totdat de lichtopbrengst ongeschikt wordt voor het beoogde doel. De afname van de helderheid en de verandering van kleur is zeer geleidelijk, en een potentiële LED-levensduur (het punt waarop het apparaat niet langer geschikt is voor het beoogde doel) van meer dan 50.000 uur is mogelijk.
Gestandaardiseerde tests stellen LED-fabrikanten in staat verlichtingsingenieurs kwantitatieve schattingen te geven van de levensduur van hun producten zonder dat de bedrijven het onpraktisch langdurige proces van het testen van de chips tot falen moeten doorlopen.
De LED zelf is slechts een klein onderdeel van een solide- verlichtingsarmatuur. Eenmaal in een armatuur geïntegreerd, kunnen het lumen- en kleurbehoud van de LED worden beïnvloed door factoren zoals hitte, schommelingen in de stroomvoorziening en mechanische spanning die tijdens de oorspronkelijke test niet aanwezig waren. Lichtingenieurs hadden echter geen gestandaardiseerde manier om te testen hoe ernstig het effect van deze factoren zou kunnen zijn, en dus ook geen manier om hun armatuurontwerp te verbeteren om de levensduur van het product te maximaliseren.
De combinatie van een gestandaardiseerde testprocedure en een methode om de gegevens uit de test te gebruiken om de levensduur van de armatuur te voorspellen, is nu ontwikkeld door de Testing Procedures Committee van de Illuminating Engineering Society of North America (IESNA) en bevindt zich in de definitieve goedkeuringsfase. In dit artikel wordt uitgelegd hoe de test- en voorspellende methode werkt en hoe lichtontwerpers hiermee de levensduur van hun armaturen kunnen verbeteren.
LED's testen
Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie hangt de levensduur van verlichting samen met de bedrijfsomstandigheden (bijvoorbeeld de omgevingstemperatuur en de inschakelduur), maar normaal gesproken mag een gebruiker verwachten dat een gloeilamp 1000 uur meegaat en een halogeenlamp twee keer zo lang. In het geval van TL-buizen heeft de ballasttechnologie een grote invloed op de levensduur van het product; met goedkope ballast kan de buis 20.000 uur meegaan, oplopend tot 30.000 voor duurdere typen.
Natuurlijk falen LED's ook. Soms is deze mislukking catastrofaal; De epoxyhars die wordt gebruikt om de matrijs in te kapselen, kan bijvoorbeeld oververhitten en uitzetten, waardoor er druk ontstaat op de verbonden verbindingen van het apparaat totdat ze bezwijken. Elektrostatische ontlading (ESD) kan een onmiddellijke uitval van de halfgeleiderovergang van de LED veroorzaken. Een andere oorzaak van catastrofaal falen is de vorming van metalen snorharen, vooral in vochtige omgevingen of waar de LED onderhevig is aan mechanische spanning, waardoor geleiders worden overbrugd die kortsluiting veroorzaken.
Echter, op voorwaarde dat LED's worden aangestuurd en koel gehouden volgens de aanbevelingen van de fabrikant, zijn de apparaten doorgaans opmerkelijk duurzaam en slechts een klein percentage ervan faalt daadwerkelijk op catastrofale wijze. Een meer waarschijnlijke uitkomst is dat de LED geleidelijk zal vervagen totdat de lichtopbrengst onvoldoende wordt voor het doel waarvoor deze bedoeld was (door de verlichtingsindustrie gedefinieerd als minder dan 70 procent van de opbrengst wanneer deze nieuw is of "L70").
Dit in tegenstelling tot traditionele verlichting, die veel vaker catastrofaal uitvalt. (Traditionele verlichting kan tijdens de levensduur met 20 tot 30 procent in helderheid afnemen, maar de armaturen gaan meestal uit voordat de consument het merkt (Figuur 1).)
Figuur 1: Lumenbehoudcurves voor traditionele verlichting en LED's. Let op de neiging van traditionele verlichting om catastrofaal te falen voordat de verslechtering van het lumen wordt opgemerkt.
De combinatie van relatief weinig catastrofale storingen en een uiterst geleidelijke afname van de lichtopbrengst betekent dat een potentiële LED-levensduur van meer dan 40.000, 50.000 of zelfs 60.000 uur geen onredelijke verwachting is.
In een commerciële omgeving kan echter niet van fabrikanten worden verwacht dat ze hun LED's onderwerpen aan een test die maximaal zes jaar duurt om hun beweringen over een lange levensduur te bewijzen. In plaats daarvan wordt een kortere test, gecombineerd met een gestandaardiseerde extrapolatie van trends afgeleid uit de testgegevens, gebruikt om te bepalen hoe lang eenLED gaat mee. De grote LED-fabrikanten onderwerpen hun producten routinematig aan de test, ontwikkeld door IESNA en genaamd LM-80, "Goedgekeurde methode voor het testen van het lumenbehoud van LED-lichtbronnen".
Twee in de VS gevestigde laboratoria, Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en National Institute of Standards and Technology (NIST), samen met een groep van zes LED-fabrikanten (waaronder OSRAM en Cree), hebben een technisch memorandum (TM-21) geproduceerd, "Projecteren van lumenbehoud op lange termijn van LED-lichtbronnen") om een extrapolatie-algoritme te definiëren voor het testen van lumenbehoud met behulp van de gegevens van LM-80.
Het algoritme negeert gegevens van de eerste 1.000 uur, maar gebruikt deze van de laatste 5.000 uur van de test (of de laatste 50 procent van de gegevens in het geval van tests langer dan 10.000 uur (Figuur 2)). De gegevens worden vervolgens in een exponentieel extrapolatiemodel geplaatst met behulp van de kleinste-kwadratencurvemethode. De L70extrapolatie is dan de laagste van de resulterende L70tijd of zes keer de LM-80-testtijd. Met bijvoorbeeld 6.000 uur aan LM-80-testgegevens kan L70= 36.000 uur. Met 10.000 uur aan LM-80-testgegevens kon L70= 60.000 uur.1(Zie het TechZone-artikel "Het bepalen van de levensduur van LED's: een lastige uitdaging.")
Figuur 2: Voorbeeld van LM-80-testgegevens gebruikt voor L70extrapolatie.
Commerciële LED's beschikken over indrukwekkende L70resultaten. Philips Lumileds zegt dat zijn LUXEON Rebel witte LED, een apparaat van 105 lm/W (bij 350 mA) met een maximale lichtsterkte van 226 lm (bij 1 A), de Energy Star-lumenonderhoudsvereisten overtreft met een L70cijfer van ruim 36.000 uur (Figuur 3).
Figuur 3: Resultaten voor de LUXEON Rebel LED van Philips Lumileds met behulp van de LM-80-testprocedure en het TM-21-extrapolatiealgoritme.
Cree en OSRAM zeggen dat hun apparaten met hoog vermogen, zoals de XLamp XM-L2 van eerstgenoemde, een chip van 153 lm/W (bij 700 mA), en de OSLON SSL van laatstgenoemde, een chip van 125 lm/W (bij 350 mA), het voor armatuurfabrikanten mogelijk maken om hiermee de Energy Star-normen te overtreffen.
Beperkt tot LED's
Het probleem met de huidige testmethoden is dat ze alleen de levensduur van de LED zelf testen. Dat zijn nuttige gegevens, maar als de chip in een armatuur wordt verwerkt, kan er nog veel meer misgaan. De stroomvoorziening is een potentiële zwakte, maar wellicht nog belangrijker is de doeltreffendheid van het thermische beheer van het product, omdat overtollige warmte wordt erkend als de grootste 'moordenaar' van LED's.
Volgens Cree "is het merendeel van de LED-foutmechanismen afhankelijk van de temperatuur-. Verhoogde junctietemperaturen veroorzaken een vermindering van de lichtopbrengst en een versnelde chipdegradatie."2
De belangrijkste oorzaak van vervaging bij een LED is te wijten aan degradatie van de interne structuur van de chip zelf, en deze degradatie wordt verergerd door hoge temperaturen. Kortom, de interne kwantumefficiëntie, een maatstaf voor het aantal elektron-gat-recombinaties op de n-type/p--type kruising van de chip die resulteren in een uitgezonden foton met een zichtbare golflengte, daalt naarmate de dislocaties in de kristalstructuur van de chip zich vermenigvuldigen. Dit komt omdat de dislocaties niet-stralingsrecombinatie stimuleren en, zoals de naam al doet vermoeden, niet-stralingscombinatie niet resulteert in een uitgezonden foton.
Fabrikanten van LED-chipswerken hard om het aantal defecten in de nieuwe apparaten te verminderen, maar de productieprocessen voor halfgeleiders zijn niet perfect en er zullen altijd enkele fouten zijn. De belangrijkste factor onder controle van de ontwerpingenieur die de levensduur beïnvloedt door de vermenigvuldiging van dislocaties te verminderen, is echter de junctietemperatuur. (Zie het TechZone-artikel "De oorzaak van vervaging van LED's met hoge-helderheid begrijpen.")
Een nieuwe test voor LED-verlichtingsarmaturen
Omdat de traditionele verlichtingsalternatieven volwassen producten zijn, zijn er uitgebreidere levensduurgegevens beschikbaar voor deze producten en willen consumenten graag zien hoe LED's zich verhouden. Het goede nieuws is dat solide-statuslampjes bij een dergelijke vergelijking waarschijnlijk helder zullen schijnen. Het slechte nieuws is dat fabrikanten met hetzelfde probleem worden geconfronteerd als zij met de chips zelf; testen tot falen duurt zo lang dat het onpraktisch is.
Voorlopig doen fabrikanten van 'drop-'-vervangingen voor traditionele verlichting hun best om informatie te verstrekken over de lange- termijnprestaties van hun product op basis van de gegevens voor de LED('s) die de kern van hun producten vormen. Bij het gebruik van dergelijke testgegevens om de levensduur van eenLED-verlichtingarmatuur is een goed begin; het geeft slechts een indicatie vanwege de andere factoren die de levensduur van het armatuur kunnen verkorten.
LED Dynamics heeft naar eigen zeggen de eerste commercieel-verkrijgbare op LED-gebaseerde T8-fluorescentiebuisvervanger geïntroduceerd. Het apparaat biedt tot 1.900 lm bij een efficiëntie van 94 lm/W met een Color Rendering Index (CRI) van 85. De armatuur, genaamd EverLED-VE, is verkrijgbaar in standaard kleurtemperaturen van 4.000 en 5.000 K. In de datasheet van LEDdynamics staat dat EverLED-VE een geschatte levensduur van 10 jaar heeft en dat consumenten een nul procent uitval van de geschatte levensduur mogen verwachten.
Op dezelfde manier biedt ROHM Semiconductor een lagere-vervanger voor gloeilampen, de R-B15L1 (Afbeelding 4). De lamp produceert 550 lm bij een energieverbruik van 8 W (voor een rendement van 69 lm/W). De R-B15L1 werkt rechtstreeks op 100 VACinput, en ROHM claimt een "levensduur" van 40.000 uur.
Figuur 4: ROHM's R-B15L1 biedt een geclaimde levensduur van 40.000 uur.
Wat echt nodig is, is een industriestandaard-testmethode om de levensduur van elke LED-verlichtingsarmatuur te kwantificeren. IESNA heeft op deze vraag gereageerd door een aanpak te hanteren die vergelijkbaar is met die voor het testen van stand-alone LED's. De resulterende testprocedure, LM-84 "LED-lampen, motoren en armatuur Lumen- en kleurbehoudtest," bevindt zich in de laatste goedkeuringsfase met de IESNA-commissie.
Het document beschrijft de procedures die nodig zijn om uniforme en reproduceerbare lumen- en kleurbehoudmetingen te verkrijgen onder standaard bedrijfsomstandigheden van een omgevingstemperatuur van 25 ± 5 graden en een verlichtingscyclus van 11 uur aan, 1 uur uit.
LM-84 zal echter niet het hele verhaal vertellen. Net als zijn tegenhanger LM-80 levert LM-84 alleen gegevens over hoe goed de kleur en helderheid van het armatuur gedurende een relatief korte periode behouden blijven. Helaas biedt het geen richtlijnen of aanbevelingen met betrekking tot voorspellende schattingen of extrapolatie voor lumen- of kleurbehoud buiten de grenzen van de daadwerkelijke metingen.
Sympathiek voor de noodzaak om voorspellingen te doen over hoe lang een LED-verlichtingsarmatuur daadwerkelijk geschikt zal zijn voor het beoogde doel, evolueert IESNA naar een aanpak die de LM-84-testgegevens over verlichtingsarmaturen zal combineren met een nieuw TM-28-document dat methoden standaardiseert voor het projecteren van de gemeten gegevens over (veel) langere perioden. De aanpak loopt parallel met de manier waarop de LM-80 en TM-21 worden gebruikt om standalone te voorspellenLED-lumenen kleurbehoud.
De basisprincipes van TM-28 zijn waarschijnlijk dezelfde als die van TM-21. De projectie zal gebaseerd zijn op gemiddelde testgegevens, waarbij de geteste eenheden die tijdens de test niet meer werken buiten beschouwing worden gelaten; de wiskundige basis die wordt gebruikt in TM-28 zal niet afwijken van TM-21, en de projectielengte moet gebaseerd zijn op een steekproefgrootte en een betrouwbaarheidsniveau die praktisch zinvol zijn.
Eén probleem waarmee de commissie wordt geconfronteerd, is een gebrek aan gegevens. Toen TM-21 voor LED's werd ontwikkeld, waren er minstens 40 sets van dergelijke gegevens, sommige voor LED's die meer dan 10.000 uur waren getest, die konden worden gebruikt om de wiskundige basis van TM-21 te evalueren. Vergelijkbare testgegevens van LED-armaturen zijn grotendeels niet beschikbaar.
Eén oplossing die wordt overwogen, is om de vereisten van LM-80 voor 6.000 uur (of meer) testen te weerspiegelen en hetzelfde algoritme te gebruiken voor projectie van kleur- en helderheidsbehoud. Dat laat wel de vraag open of gegevens van LED-lampen die worden getest met minder dan 6.000 uur nog steeds kunnen worden gebruikt om projecties te maken. De industrie wil graag de tijd en kosten van dergelijke tests terugdringen en er is een precedent: Energy Star staat toe dat testgegevens van LED-lampen van 3.000 uur worden gebruikt voor prekwalificatie.
De TM-28-werkgroep heeft LM-80-testgegevens van 3.000 en 6.000 uur voor LED's vergeleken en geconcludeerd dat er voldoende correlatie tussen de twee bestaat om verstandige levensduurprojecties te maken op basis van gegevens van 3.000 uur. De algoritmen die worden gebruikt om uit deze gegevens te projecteren zijn vergelijkbaar met die beschreven in TM-21, maar vanwege de kortere testduur zal er meer voorwaardelijk gebruik van de projectiemethode worden toegevoegd.3
Wat is de toekomst voor solid{0}}verlichtingstests?
Eenmaal gepubliceerd zullen de documenten LM-84 en TM-28 samen worden gebruikt voor LED-verlichtingsarmaturen op dezelfde manier als LM-80 en TM-21 zijn gebruikt voor zelfstandige LED's. De nieuwe documenten zullen de solid-state verlichtingsindustrie in staat stellen een gestandaardiseerde aanpak te hanteren om de kleur en het lumenbehoud van hun producten te definiëren, waardoor consumenten kunnen vaststellen hoe LED-verlichting zich verhoudt tot traditionele verlichting.
Echter, omdatLED-verlichtingis een nog-nog-volwassen sector, er is nog meer werk aan de winkel. Andere normen en testmethoden richten zich op specifieke productsoorten en kenmerken. Het in de VS gevestigde National Electrical Manufacturers Association (NEMA) SSL 7A-2013-document: "Fase-Cut-dimmen voor solide-Staatsverlichting: basiscompatibiliteit," behandelt een belangrijk probleem voor solid{0}}verlichting door compatibiliteitsvereisten te bieden voor het gebruik van dimbare LED-producten en voorwaartse fase-afsnijdingsdimmers (het meest voorkomende type).4
IESNA blijft ook druk. De volgende is waarschijnlijk LM-85 "Door het IES goedgekeurde methode voor de elektrische en fotometrische metingen van hoogvermogen-LED's", waarin metingen worden gedaan voor LED's met hoog-vermogen die een koellichaam nodig hebben voor normale werking, en die zowel witte LED's als enkel-kleurige LED's omvat. Dan is er nog TM-26 "Projecteren van de nominale levensduur voor LED-pakketten”, waarvoor de TM-21 L70informatie over lumenbehoud een stap verder door de steekproefomvang te vergroten en catastrofale fouten in de berekening op te nemen om tot een daadwerkelijke definitie te komen van "Geschatte LED-levensduur" in plaats van alleen maar "lumenbehoudlevensduur".
https://www.benweilight.com/lighting-buis-lamp/18w-3000k-6ft-led-tube.html
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefoon: +86 0755 27186329
Mobiel(+86)18673599565
WhatsApp:19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype: benweilight88
Web:www.benweilight.com
