I test standardizzati per i LED si estendono agli apparecchi di illuminazione
I LED sono straordinariamente durevoli e raramente si guastano in modo catastrofico. Una modalità di guasto più probabile si attenua finché l'emissione luminosa non diventa inadatta allo scopo previsto. Il declino della luminosità e il cambiamento di colore sono molto graduali e sono possibili "durate" potenziali dei LED (il punto in cui il dispositivo non è più adatto allo scopo) superiori a 50.000 ore.
I test standardizzati consentono ai produttori di LED di fornire agli ingegneri dell'illuminazione stime quantitative della durata dei loro prodotti senza che le aziende debbano sottoporsi al processo impraticabilmente lungo di testare i chip fino al guasto.
Il LED stesso non è che una piccola parte di un apparecchio di illuminazione-allo stato solido. Una volta incorporato in un apparecchio, il mantenimento del lume e del colore del LED può essere influenzato da fattori quali calore, fluttuazioni dell'alimentazione e stress meccanico che non erano presenti durante il test originale. Tuttavia, gli ingegneri dell'illuminazione non disponevano di un metodo standardizzato per testare quanto grave potesse essere l'effetto di questi fattori e, di conseguenza, non avevano modo di migliorare la progettazione degli apparecchi per massimizzare la durata del prodotto.
La combinazione di una procedura di test standardizzata e un metodo per utilizzare i dati del test per prevedere la durata degli apparecchi è stata ora sviluppata dal Comitato per le procedure di test della Illuminated Engineering Society of North America (IESNA) ed è in fase di approvazione finale. Questo articolo spiega come funziona il metodo di test e predittivo e come consentirà ai lighting designer di migliorare la longevità dei loro apparecchi.
Test dei LED
Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, la durata dell’illuminazione è correlata alle condizioni operative (ad esempio, temperatura ambiente e ciclo di lavoro), ma in genere un utente potrebbe aspettarsi che una lampadina a incandescenza duri 1.000 ore e una alogena il doppio di quella durata. Nel caso dei tubi fluorescenti, la tecnologia del reattore influenza fortemente la durata del prodotto; con una zavorra economica, il tubo può durare 20.000 ore, aumentando fino a 30.000 per i tipi più costosi.
Naturalmente anche i LED si guastano. A volte questo fallimento è catastrofico; ad esempio, la resina epossidica utilizzata per incapsulare lo stampo può surriscaldarsi ed espandersi, esercitando pressione sulle connessioni incollate del dispositivo finché non cedono. Le scariche elettrostatiche (ESD) possono causare il guasto immediato della giunzione del semiconduttore del LED. Un'altra causa di guasti catastrofici è la formazione di baffi metallici, soprattutto in ambienti umidi o dove il LED è sottoposto a stress meccanico, che collegano i conduttori provocando un cortocircuito.
Tuttavia, a condizione che i LED siano alimentati e mantenuti freddi secondo le raccomandazioni del produttore, i dispositivi tendono ad essere notevolmente durevoli e solo una piccola percentuale di essi effettivamente si guasta in modo catastrofico. Un risultato più probabile è che il LED si affievolisca gradualmente fino a quando la sua emissione luminosa diventa insufficiente per lo scopo per il quale è stato previsto (definito dal settore dell'illuminazione come meno del 70% della sua emissione quando nuovo o "L"70").
Ciò è in contrasto con l’illuminazione tradizionale che ha molte più probabilità di guastarsi in modo catastrofico. (L'illuminazione tradizionale può diminuire la luminosità del 20-30% nel corso della sua vita, ma gli apparecchi di solito si spengono molto prima che il consumatore se ne accorga (Figura 1).
Figura 1: Curve di mantenimento del flusso luminoso per illuminazione tradizionale e LED. Si noti la tendenza dell'illuminazione tradizionale a guastarsi in modo catastrofico prima che si noti il degrado del flusso luminoso.
La combinazione di un numero relativamente basso di guasti catastrofici e di un calo estremamente graduale dell'emissione luminosa fa sì che la durata potenziale dei LED superiore a 40.000, 50.000 o addirittura 60.000 ore non sia un'aspettativa irragionevole.
Tuttavia, in un ambiente commerciale, non ci si può aspettare che i produttori sottopongano i loro LED a un test della durata di sei anni per dimostrare le loro dichiarazioni di longevità. Invece, per determinare la durata di un test, viene utilizzato un test più breve, combinato con un’estrapolazione standardizzata delle tendenze derivate dai dati del test.Il LED durerà. I principali produttori di LED sottopongono regolarmente i loro prodotti al test, sviluppato da IESNA e denominato LM-80, "Metodo approvato per il test del mantenimento del flusso luminoso delle sorgenti luminose a LED".
Due laboratori con sede negli Stati Uniti, il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e il National Institute of Standards and Technology (NIST), insieme a un gruppo di sei produttori di LED (tra cui OSRAM e Cree), hanno prodotto un memorandum tecnico (TM-21, "Proiezione del mantenimento del flusso luminoso a lungo termine delle sorgenti luminose a LED") per definire un algoritmo di estrapolazione per i test di mantenimento del flusso luminoso utilizzando i dati di LM-80.
L'algoritmo ignora i dati delle prime 1.000 ore, ma li utilizza dalle ultime 5.000 ore del test (o dal 50% finale dei dati nel caso di test superiori a 10.000 ore (Figura 2)). I dati vengono quindi inseriti in un modello di estrapolazione esponenziale utilizzando il metodo della curva dei minimi{9}quadrati. La l70l’estrapolazione è quindi il minore tra i L risultanti70tempo o sei volte il tempo di prova LM-80. Ad esempio, con 6.000 ore di dati di test LM-80, quindi L70= 36.000 ore. Con 10.000 ore di dati di test LM-80, allora L70= 60.000 ore.1(Vedi l'articolo di TechZone "Determinazione della durata nominale dei LED: una sfida difficile.")
Figura 2: esempio di dati di test LM-80 utilizzati per L70estrapolazione.
I LED commerciali vantano un impressionante L70risultati. Philips Lumileds afferma che il suo LED bianco LUXEON Rebel, un dispositivo da 105 lm/W (a 350 mA) che offre una luminosità massima di 226 lm (a 1 A), supera i requisiti di mantenimento del flusso luminoso Energy Star con un L70cifra superiore a 36.000 ore (Figura 3).
Figura 3: Risultati per LUXEON Rebel LED di Philips Lumileds utilizzando la procedura di test LM-80 e l'algoritmo di estrapolazione TM-21.
Cree e OSRAM affermano che i loro dispositivi ad alta-potenza come XLamp XM-L2 del primo, un chip da 153 lm/W (a 700 mA), e OSLON SSL del secondo, un chip da 125 lm/W (a 350 mA), consentono ai produttori di apparecchi che li utilizzano di superare gli standard Energy Star.
Limitato ai LED
Il problema con gli attuali metodi di test è che mettono alla prova solo la longevità del LED stesso. Si tratta di dati utili, ma quando il chip è incorporato in un dispositivo c'è molto di più che può andare storto. L'alimentatore è un potenziale punto debole, ma forse ancora più importante è l'efficacia della gestione termica del prodotto perché il calore in eccesso è riconosciuto come il "killer" numero uno dei LED.
Secondo Cree, "la maggior parte dei meccanismi di guasto dei LED dipendono dalla temperatura-. Temperature di giunzione elevate causano una riduzione dell'emissione luminosa e un degrado accelerato del chip".2
La causa principale dello sbiadimento in un LED è dovuta al degrado della struttura interna dello stampo stesso, e questo degrado è aggravato dalle alte temperature. In breve, l'efficienza quantistica interna, una misura del numero di ricombinazioni di elettroni-lacuna nella giunzione di tipo n-/tipo p- del chip che danno come risultato un fotone emesso di una lunghezza d'onda visibile, diminuisce man mano che le dislocazioni nella struttura cristallina del chip si moltiplicano. Questo perché le dislocazioni incoraggiano la ricombinazione non-radiativa e, come suggerisce il nome, la combinazione non-radiativa non dà come risultato un fotone emesso.
Produttori di chip LEDlavorare duro per ridurre il numero di difetti nei dispositivi nuovi, ma i processi di produzione dei semiconduttori non sono perfetti e ci saranno sempre dei difetti. Tuttavia, il fattore più importante sotto il controllo del progettista che influenza la longevità riducendo la moltiplicazione delle dislocazioni è la temperatura di giunzione. (Vedi l'articolo di TechZone "Capire la causa dello sbiadimento dei LED-ad alta luminosità.")
Un nuovo test per gli apparecchi di illuminazione a LED
Poiché le tradizionali alternative di illuminazione sono prodotti maturi, per questi prodotti sono disponibili dati più completi sulla durata di vita e i consumatori sono ansiosi di vedere come si confrontano i LED. La buona notizia è che le luci allo stato solido-probabilmente brilleranno in un confronto di questo tipo. La cattiva notizia è che i produttori si trovano ad affrontare lo stesso problema che hanno dovuto affrontare con i chip stessi; testare fino al fallimento richiede così tanto tempo che è poco pratico.
Per ora, i produttori di sostituti "drop{0}}" dell'illuminazione tradizionale fanno del loro meglio per fornire informazioni sulle prestazioni a lungo termine-del loro prodotto in base ai dati relativi ai LED che costituiscono il cuore dei loro prodotti. Durante l'utilizzo di tali dati di test per determinare la durata di unIlluminazione a LEDè un buon inizio, fornirà solo un'approssimazione a causa di altri fattori che possono ridurne la durata.
LED Dynamics ha introdotto quello che sostiene sia il primo sostituto del tubo fluorescente T8 basato su LED-disponibile in commercio. Il dispositivo offre fino a 1.900 lm con un'efficacia di 94 lm/W con un indice di resa cromatica (CRI) di 85. Chiamato EverLED-VE, l'apparecchio è disponibile con temperature di colore standard di 4.000 e 5.000 K. La scheda tecnica di LEDdynamics afferma che EverLED-VE ha una durata nominale di 10 anni e i consumatori dovrebbero aspettarsi un guasto pari allo zero% rispetto alla durata nominale.
Allo stesso modo, ROHM Semiconductor offre una soluzione- sostitutiva per le lampadine a incandescenza, la R-B15L1 (Figura 4). La lampadina produce 550 lm con un consumo di 8 W (per un'efficacia di 69 lm/W). L'R-B15L1 funziona direttamente da 100 VACinput e ROHM dichiara una "durata" di 40.000 ore.
Figura 4: R-B15L1 di ROHM offre una durata dichiarata di 40.000 ore.
Ciò che serve veramente è un metodo di test-standard del settore per quantificare la durata di qualsiasi apparecchio di illuminazione a LED. IESNA ha risposto a questa richiesta adottando un approccio simile a quello utilizzato per testare i LED autonomi. La procedura di test risultante, LM-84 "Test di mantenimento del lume e del colore di lampade a LED, motori e apparecchi di illuminazione," è nella fase finale di approvazione da parte del comitato IESNA.
Il documento descrive le procedure necessarie per ottenere misurazioni uniformi e riproducibili del mantenimento del lumen e del colore in condizioni operative standard con una temperatura ambiente di 25 ±5 gradi e un ciclo di illuminazione di 11 ore acceso e 1 ora spento.
Tuttavia, l'LM-84 non racconterà l'intera storia. Come la sua controparte LM-80, LM-84 fornisce solo dati sul mantenimento del colore e della luminosità dell'apparecchio per un periodo relativamente breve. Sfortunatamente, non fornisce indicazioni né fornisce alcuna raccomandazione riguardante stime predittive o estrapolazioni per il mantenimento dei lumen o del colore oltre i limiti delle misurazioni effettive.
In sintonia con la necessità di fare previsioni su quanto tempo un apparecchio di illuminazione a LED sarà effettivamente adatto allo scopo, IESNA sta progredendo verso un approccio che combinerà i dati di test LM-84 sugli apparecchi di illuminazione con un nuovo documento TM-28 che standardizza i metodi per proiettare i dati misurati su periodi (molto) più lunghi. L'approccio è parallelo al modo in cui LM-80 e TM-21 vengono utilizzati per effettuare previsioni in modalità autonomaLume LEDe mantenimento del colore.
È probabile che i principi di base della TM-28 siano gli stessi della TM-21. La proiezione si baserà sui dati medi dei test, scontando le unità testate che smettono di funzionare durante il test; la base matematica utilizzata in TM-28 non si discosterà da TM-21 e la lunghezza della proiezione deve basarsi su una dimensione del campione e un livello di confidenza che abbiano senso pratico.
Uno dei problemi che il comitato deve affrontare è la scarsità di dati. Quando il TM-21 è stato sviluppato per i LED, c'erano almeno 40 serie di tali dati, alcuni per LED testati per oltre 10.000 ore, che potevano essere utilizzati per valutare le basi matematiche del TM-21. I dati comparabili sui test degli apparecchi di illuminazione a LED non sono in gran parte disponibili.
Una soluzione allo studio è quella di rispecchiare i requisiti dell'LM-80 per 6.000 ore (o più) di test e utilizzare lo stesso algoritmo per la proiezione del mantenimento del colore e della luminosità. Ciò lascia aperta la questione se i dati delle lampade LED testate con meno di 6.000 ore possano ancora essere utilizzati per fare proiezioni. L'industria è desiderosa di ridurre i tempi e i costi di tali test e esiste un precedente: Energy Star consente di utilizzare i dati dei test delle lampade LED su 3.000 ore per la prequalificazione.
Il gruppo di lavoro TM-28 ha confrontato i dati di test LM-80 di 3.000 e 6.000 ore per i LED e ha concluso che esiste una correlazione sufficiente tra i due per fare proiezioni sensate sulla durata di vita dai dati di 3.000 ore. Gli algoritmi utilizzati per proiettare da questi dati sono simili a quelli descritti in TM-21, ma a causa della durata più breve del test, verrà aggiunto un utilizzo più condizionato del metodo di proiezione.3
Qual è il futuro dei test sull'illuminazione-allo stato solido?
Una volta pubblicati, i documenti LM-84 e TM-28 verranno utilizzati insieme per gli apparecchi di illuminazione a LED nello stesso modo in cui LM-80 e TM-21 sono stati utilizzati per i LED autonomi. I nuovi documenti consentiranno al settore dell’illuminazione a stato solido di adottare un approccio standardizzato per definire il colore e il mantenimento del flusso luminoso dei propri prodotti, aiutando i consumatori a stabilire come l’illuminazione a LED si confronta con l’illuminazione tradizionale.
Tuttavia, perchéIlluminazione a LEDè un settore tutt'altro che--maturo, c'è ancora molto lavoro da fare. Altri standard e metodi di prova si concentrano su tipi e caratteristiche di prodotti specifici. Il documento SSL 7A-2013 della National Electrical Manufacturers Association (NEMA) con sede negli Stati Uniti, "Dimmer-a taglio di fase per illuminazione-allo stato solido: compatibilità di base," risolve un problema chiave per l'illuminazione-allo stato solido fornendo requisiti di compatibilità per l'uso di prodotti LED dimmerabili e dimmer a taglio di fase-in avanti (il tipo più comune).4
Anche IESNA rimane impegnata. Il prossimo sarà probabilmente l'LM-85 "Metodo approvato IES per le misurazioni elettriche e fotometriche dei LED ad alta-potenza," che riguarda le misurazioni per LED ad alta-potenza che richiedono un dissipatore di calore per il normale funzionamento e include LED bianchi e LED a-colore singolo. Poi c'è TM-26 "Proiezione della durata nominale dei pacchetti LED," che utilizzerà il TM-21 L70informazioni sul mantenimento dei lumen un ulteriore passo avanti aumentando le dimensioni del campione e includendo guasti catastrofici nel calcolo per arrivare a una definizione effettiva di "durata nominale dei LED" piuttosto che semplicemente "durata di mantenimento dei lumen".
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