Standardisierte Tests für LEDs erstrecken sich auch auf Beleuchtungskörper
LEDs sind bemerkenswert langlebig und fallen selten katastrophal aus. Ein wahrscheinlicherer Fehlermodus ist das Verblassen, bis die Lichtleistung nicht mehr für den beabsichtigten Zweck geeignet ist. Der Rückgang der Leuchtkraft und die Änderung der Farbe erfolgen sehr allmählich, und eine potenzielle LED-„Lebensdauer“ (der Punkt, an dem das Gerät nicht mehr zweckdienlich ist) von mehr als 50.000 Stunden ist möglich.
Standardisierte Tests ermöglichen es LED-Herstellern, Lichtingenieuren quantitative Schätzungen der Lebensdauer ihrer Produkte zu liefern, ohne dass die Unternehmen den unpraktisch langwierigen Prozess durchlaufen müssen, bei dem die Chips bis zum Ausfall getestet werden.
Die LED selbst ist nur ein kleiner Teil einer Festkörperbeleuchtung. Sobald die LED in eine Leuchte eingebaut ist, können Faktoren wie Hitze, Schwankungen der Stromversorgung und mechanische Beanspruchung, die beim ursprünglichen Test nicht vorhanden waren, die Lichtstärke und die Farberhaltung der LED beeinträchtigen. Den Beleuchtungsingenieuren stand jedoch keine standardisierte Möglichkeit zur Verfügung, um zu testen, wie schwerwiegend die Auswirkungen dieser Faktoren sein könnten, und folglich auch keine Möglichkeit, das Leuchtendesign zu verbessern, um die Lebensdauer des Produkts zu maximieren.
Die Kombination aus einem standardisierten Testverfahren und einer Methode zur Verwendung der Testdaten zur Vorhersage der Lebensdauer von Vorrichtungen wurde jetzt vom Testing Procedures Committee der Illuminated Engineering Society of North America (IESNA) entwickelt und befindet sich in der endgültigen Genehmigungsphase. In diesem Artikel wird erklärt, wie die Test- und Vorhersagemethode funktioniert und wie sie es Lichtdesignern ermöglicht, die Langlebigkeit ihrer Leuchten zu verbessern.
LEDs testen
Nach Angaben des US-Energieministeriums hängt die Lebensdauer der Beleuchtung von den Betriebsbedingungen ab (z. B. Umgebungstemperatur und Arbeitszyklus), aber normalerweise kann ein Benutzer davon ausgehen, dass eine Glühlampe 1.000 Stunden und eine Halogenlampe doppelt so lange hält. Bei Leuchtstoffröhren hat die Vorschaltgerätetechnologie großen Einfluss auf die Lebensdauer des Produkts; Mit billigem Vorschaltgerät hält die Röhre möglicherweise 20.000 Stunden, bei teureren Typen sogar 30.000 Stunden.
Natürlich fallen auch LEDs aus. Manchmal ist dieser Fehler katastrophal; Beispielsweise kann das zum Einkapseln des Chips verwendete Epoxidharz überhitzen und sich ausdehnen, wodurch Druck auf die Klebeverbindungen des Geräts ausgeübt wird, bis diese nachgeben. Elektrostatische Entladung (ESD) kann zum sofortigen Ausfall des Halbleiterübergangs der LED führen. Eine weitere Ursache für einen katastrophalen Ausfall ist die Bildung von Metallwhiskern, insbesondere in feuchten Umgebungen oder dort, wo die LED mechanischer Belastung ausgesetzt ist, die Leiter überbrücken und einen Kurzschluss verursachen.
Vorausgesetzt, die LEDs werden jedoch gemäß den Empfehlungen des Herstellers betrieben und kühl gehalten, sind die Geräte in der Regel bemerkenswert langlebig und nur ein kleiner Prozentsatz von ihnen fällt tatsächlich katastrophal aus. Ein wahrscheinlicheres Ergebnis ist, dass die LED allmählich verblasst, bis ihre Lichtleistung nicht mehr für den Zweck reicht, für den sie gedacht war (von der Beleuchtungsindustrie definiert als weniger als 70 Prozent ihrer Leistung im Neuzustand oder „L“)70").
Dies steht im Gegensatz zur herkömmlichen Beleuchtung, bei der die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Ausfalls viel größer ist. (Herkömmliche Beleuchtung kann im Laufe ihrer Lebensdauer um 20 bis 30 Prozent an Helligkeit verlieren, aber die Leuchten versagen normalerweise lange bevor der Verbraucher es bemerkt (Abbildung 1).)
Abbildung 1: Lumenerhaltungskurven für herkömmliche Beleuchtung und LEDs. Beachten Sie die Tendenz, dass herkömmliche Beleuchtungen katastrophal ausfallen, bevor eine Verschlechterung der Lichtstärke bemerkt wird.
Die Kombination aus relativ wenigen katastrophalen Ausfällen und einem extrem allmählichen Rückgang der Lichtleistung bedeutet, dass potenzielle LED-Lebensdauern von mehr als 40.000, 50.000 oder sogar 60.000 Stunden keine unangemessene Erwartung sind.
Allerdings kann man im kommerziellen Umfeld von den Herstellern nicht erwarten, dass sie ihre LEDs einem Test über einen Zeitraum von maximal sechs Jahren unterziehen, um ihre Langlebigkeitsansprüche nachzuweisen. Stattdessen wird ein kürzerer Test in Kombination mit einer standardisierten Extrapolation von aus den Testdaten abgeleiteten Trends verwendet, um zu bestimmen, wie lange ein Test dauertLED hält. Die großen LED-Hersteller unterziehen ihre Produkte regelmäßig dem von IESNA entwickelten und als LM-80 bezeichneten Test.Zugelassene Methode zur Lumenerhaltungsprüfung von LED-Lichtquellen".
Zwei in den USA ansässige Labore, das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und das National Institute of Standards and Technology (NIST), haben zusammen mit einer Gruppe von sechs LED-Herstellern (darunter OSRAM und Cree) ein technisches Memorandum (TM-21) erstellt.Projizieren der langfristigen Lumenerhaltung von LED-Lichtquellen"), um einen Extrapolationsalgorithmus für Lumenerhaltungstests unter Verwendung der Daten von LM-80 zu definieren.
Der Algorithmus ignoriert die Daten der ersten 1.000 Stunden, verwendet jedoch die Daten der letzten 5.000 Stunden des Tests (oder die letzten 50 Prozent der Daten bei Tests mit einer Dauer von mehr als 10.000 Stunden (Abbildung 2)). Die Daten werden dann mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate in ein exponentielles Extrapolationsmodell eingepasst. Der L70Die Extrapolation ist dann der niedrigere der resultierenden L70Zeit oder das Sechsfache der LM-80-Testzeit. Wenn beispielsweise 6.000 Stunden LM-80-Testdaten vorliegen, dann ist L70= 36.000 Stunden. Mit 10.000 Stunden LM-80-Testdaten, dann L70= 60.000 Stunden.1(Siehe den TechZone-Artikel „Bestimmen der LED-Nennlebensdauer: Eine knifflige Herausforderung.")
Abbildung 2: Beispiel für LM-80-Testdaten, die für L. verwendet werden70Extrapolation.
Kommerzielle LEDs verfügen über beeindruckende L70Ergebnisse. Laut Philips Lumileds übertrifft die weiße LED LUXEON Rebel, ein Gerät mit 105 lm/W (bei 350 mA) und einer maximalen Leuchtkraft von 226 lm (bei 1 A), die Anforderungen des Energy Star an die Lumenerhaltung mit einem L70Zahl von mehr als 36.000 Stunden (Abbildung 3).
Abbildung 3: Ergebnisse für die LUXEON Rebel LED von Philips Lumileds unter Verwendung des LM-80-Testverfahrens und des TM-21-Extrapolationsalgorithmus.
Cree und OSRAM sagen, dass ihre Hochleistungsgeräte wie der XLamp
Beschränkt auf LEDs
Das Problem bei den aktuellen Testmethoden besteht darin, dass sie nur die Langlebigkeit der LED selbst testen. Das sind nützliche Daten, aber wenn der Chip in eine Vorrichtung eingebaut wird, kann noch viel mehr schiefgehen. Die Stromversorgung ist eine potenzielle Schwachstelle, aber vielleicht noch wichtiger ist die Wirksamkeit des Wärmemanagements des Produkts, da überschüssige Wärme als der „Killer“ Nummer eins bei LEDs gilt.
Laut Cree „sind die meisten LED-Fehlermechanismen temperaturabhängig. Erhöhte Sperrschichttemperaturen führen zu einer Verringerung der Lichtleistung und einer beschleunigten Chip-Verschlechterung.“2
Die Hauptursache für das Ausbleichen einer LED ist die Verschlechterung der inneren Struktur des Chips selbst, und diese Verschlechterung wird durch hohe Temperaturen noch verstärkt. Kurz gesagt, die interne Quanteneffizienz, ein Maß für die Anzahl der Elektron--Loch-Rekombinationen am n-Typ/p{3}}Typ-Übergang des Chips, die zu einem emittierten Photon einer sichtbaren Wellenlänge führen, sinkt, wenn sich Versetzungen in der Kristallstruktur des Chips vervielfachen. Dies liegt daran, dass die Versetzungen eine nicht-strahlende Rekombination fördern und, wie der Name schon sagt, eine nicht-strahlende Kombination nicht zu einem emittierten Photon führt.
Hersteller von LED-Chipsarbeiten hart daran, die Anzahl der Defekte in den Geräten im Neuzustand zu reduzieren, aber die Halbleiterfertigungsprozesse sind nicht perfekt und es wird immer einige Fehler geben. Der wichtigste Faktor unter der Kontrolle des Konstrukteurs, der die Langlebigkeit durch die Verringerung der Vervielfachung von Versetzungen beeinflusst, ist jedoch die Sperrschichttemperatur. (Siehe den TechZone-Artikel „Die Ursache für das Ausbleichen von LEDs mit hoher -Brightness verstehen.")
Ein neuer Test für LED-Leuchten
Da es sich bei den herkömmlichen Beleuchtungsalternativen um ausgereifte Produkte handelt, stehen für diese Produkte umfassendere Daten zur Lebensdauer zur Verfügung und die Verbraucher sind gespannt darauf, wie LEDs im Vergleich abschneiden. Die gute Nachricht ist, dass Festkörperlampen bei einem solchen Vergleich wahrscheinlich hell leuchten werden. Die schlechte Nachricht ist, dass die Hersteller vor dem gleichen Problem stehen wie bei den Chips selbst; Das Testen bis zum Scheitern dauert so lange, dass es unpraktisch ist.
Derzeit tun Hersteller von „Drop-{0}}Ersatzteilen für herkömmliche Beleuchtung ihr Bestes, um Informationen über die langfristige Leistung ihres Produkts bereitzustellen, die auf den Daten der LED(s) basieren, die das Herzstück ihrer Produkte sind. Während solche Testdaten verwendet werden, um die Lebensdauer eines zu bestimmenLED-BeleuchtungDass das Gerät ein guter Anfang ist, wird wegen der anderen Faktoren, die die Lebensdauer des Geräts verkürzen können, nur eine Annäherung liefern.
LED Dynamics hat nach eigenen Angaben den ersten kommerziell erhältlichen Ersatz für T8-Leuchtstoffröhren auf LED-Basis vorgestellt. Das Gerät bietet bis zu 1.900 lm bei einer Effizienz von 94 lm/W und einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 85. Die Leuchte mit der Bezeichnung EverLED-VE ist in den Standardfarbtemperaturen 4.000 und 5.000 K erhältlich. Im Datenblatt von LEDdynamics heißt es, dass EverLED-VE eine Nennlebensdauer von 10 Jahren hat und Verbraucher damit rechnen müssen, dass die Nennlebensdauer bei null Prozent liegt.
Ebenso bietet ROHM Semiconductor einen Drop-{0}}Ersatz für Glühbirnen an, die R-B15L1 (Abbildung 4). Das Leuchtmittel erzeugt 550 lm bei einer Leistungsaufnahme von 8 W (bei einer Effizienz von 69 lm/W). Der R-B15L1 wird direkt mit 100 V betriebenWechselstromInput, und ROHM gibt eine „Lebensdauer“ von 40.000 Stunden an.
Abbildung 4: ROHMs R-B15L1 bietet eine angebliche Lebensdauer von 40.000 Stunden.
Was wirklich benötigt wird, ist eine branchenübliche -Standardtestmethode zur Quantifizierung der Lebensdauer jeder LED-Beleuchtung. IESNA hat auf diese Nachfrage mit einem ähnlichen Ansatz reagiert wie beim Testen eigenständiger LEDs. Das resultierende Testverfahren, LM-84 "Test auf Lumen- und Farberhaltung von LED-Lampen, Motoren und Leuchten,“ befindet sich in der letzten Genehmigungsphase beim IESNA-Komitee.
Das Dokument beschreibt die Verfahren, die erforderlich sind, um unter Standardbetriebsbedingungen mit einer Umgebungstemperatur von 25 ± 5 Grad und einem Beleuchtungszyklus von 11 Stunden an und 1 Stunde aus gleichmäßige und reproduzierbare Lichtstrom- und Farberhaltungsmessungen zu erhalten.
Allerdings wird LM-84 nicht die ganze Geschichte erzählen. Wie sein Gegenstück LM-80 liefert LM-84 nur Daten darüber, wie gut Farbe und Leuchtkraft des Geräts über einen relativ kurzen Zeitraum erhalten bleiben. Leider bietet es keine Anleitung oder Empfehlung zu prädiktiven Schätzungen oder Extrapolationen für die Lumen- oder Farberhaltung über die Grenzen der tatsächlichen Messungen hinaus.
IESNA ist sich der Notwendigkeit bewusst, Vorhersagen darüber zu treffen, wie lange ein LED-Beleuchtungskörper tatsächlich für seinen Zweck geeignet sein wird, und strebt einen Ansatz an, der die LM-84-Testdaten für Beleuchtungskörper mit einem neuen TM-28-Dokument kombiniert, das Methoden zur Projektion der gemessenen Daten über (viel) längere Zeiträume standardisiert. Der Ansatz ähnelt der Art und Weise, wie LM-80 und TM-21 zur eigenständigen Vorhersage verwendet werdenLED-Lumenund Farbpflege.
Die Grundprinzipien von TM-28 sind wahrscheinlich die gleichen wie TM-21. Die Prognose basiert auf durchschnittlichen Testdaten, wobei die getesteten Einheiten, die während des Tests nicht mehr funktionieren, unberücksichtigt bleiben. Die in TM-28 verwendete mathematische Grundlage weicht nicht von TM-21 ab und die Projektionslänge muss auf einer Stichprobengröße und einem Konfidenzniveau basieren, die praktisch sinnvoll sind.
Ein Problem, mit dem das Komitee konfrontiert ist, ist der Mangel an Daten. Als TM-21 für LEDs entwickelt wurde, gab es mindestens 40 Sätze solcher Daten, einige davon für LEDs, die über 10.000 Stunden getestet worden waren, die zur Bewertung der mathematischen Grundlagen von TM-21 verwendet werden konnten. Vergleichbare Testdaten zu LED-Leuchten liegen weitgehend nicht vor.
Eine Lösung, die derzeit in Betracht gezogen wird, besteht darin, die Anforderungen des LM-80 für 6.000 Teststunden (oder mehr) zu erfüllen und denselben Algorithmus für die Farb- und Helligkeitserhaltungsprojektion zu verwenden. Es bleibt jedoch fraglich, ob Daten von LED-Lampen, die mit weniger als 6.000 Stunden getestet wurden, noch für Prognosen verwendet werden können. Die Branche ist bestrebt, den Zeit- und Kostenaufwand für solche Tests zu reduzieren, und es gibt einen Präzedenzfall: Energy Star ermöglicht die Verwendung von 3.000-Stunden-LED-Lampentestdaten für die Vorqualifizierung.
Die TM-28-Arbeitsgruppe hat 3.000- und 6.000-Stunden-LM-80-Testdaten für LEDs verglichen und ist zu dem Schluss gekommen, dass zwischen den beiden eine ausreichende Korrelation besteht, um aus 3.000-Stunden-Daten sinnvolle Lebensdauerprognosen zu erstellen. Die zur Projektion dieser Daten verwendeten Algorithmen ähneln denen, die in TM-21 beschrieben werden, aufgrund der kürzeren Testdauer wird jedoch eine bedingtere Verwendung der Projektionsmethode hinzugefügt.3
Wie geht es weiter mit den Festkörperbeleuchtungstests-?
Nach der Veröffentlichung werden die Dokumente LM-84 und TM-28 zusammen für LED-Beleuchtungskörper verwendet, genauso wie LM-80 und TM-21 für eigenständige LEDs verwendet wurden. Die neuen Dokumente werden es der Festkörperbeleuchtungsindustrie ermöglichen, einen standardisierten Ansatz zur Definition der Farbe und des Lichtstroms ihrer Produkte zu übernehmen und den Verbrauchern dabei zu helfen, herauszufinden, wie LED-Beleuchtung im Vergleich zu herkömmlicher Beleuchtung abschneidet.
Allerdings, weilLED-BeleuchtungDa die Branche noch lange nicht ausgereift ist, gibt es noch viel zu tun. Andere Normen und Prüfmethoden konzentrieren sich auf bestimmte Produkttypen und -eigenschaften. Das in den USA ansässige Dokument SSL 7A-2013 der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) lautet: „Phasenanschnitt-Dimmung für Festkörperbeleuchtung: Grundlegende Kompatibilität„behebt ein zentrales Problem der Festkörperbeleuchtung, indem es Kompatibilitätsanforderungen für die Verwendung von dimmbaren LED-Produkten und Vorwärts-Phasenabschnittsdimmern (dem gebräuchlichsten Typ) bereitstellt.4
Auch IESNA bleibt beschäftigt. Als nächstes kommt wahrscheinlich LM-85.Vom IES zugelassene Methode für die elektrischen und photometrischen Messungen von Hochleistungs-LEDs,“ das sich mit Messungen für Hochleistungs-LEDs befasst, die für den normalen Betrieb einen Kühlkörper benötigen, und sowohl weiße LEDs als auch einfarbige LEDs umfasst. Dann gibt es noch TM-26 „Prognostizierte Nennlebensdauer für LED-Pakete„, das den TM-21 L aufnehmen wird70Die Informationen zur Lichtstromerhaltung gehen einen Schritt weiter, indem wir die Stichprobengröße erhöhen und katastrophale Ausfälle in die Berechnung einbeziehen, um eine tatsächliche Definition der „LED-Nennlebensdauer“ und nicht nur der „Lichtstromerhaltungsdauer“ zu erhalten.
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