Cum înțelegem durata de viată a unui corp de iluminat cu LED?

LED contra aparat de iluminat! – Partea I

autor prof. dr.ing. Stelian MAtei- ELECTROMAGNETICA

Preambul
Adevărata fiabilitate și durata de viață a sistemelor de iluminat cu LED a rămas, în general, necunoscută. Ca urmare, valorile de menținere a fluxului luminos pentru struc turile LED individuale sunt utilizate pe scară largă ca un garant în exprimarea duratei de viață a unui sistem de iluminat cu LED-uri. Acest lucru este incorect, deoarece menținerea fluxului luminos este doar o componentă a fiabilității unui aparat/sistem de iluminat și, de asemenea, nu se referă la întreaga sursă/suprafață emisivă de lumină.
De multe ori, durata de viață a unui corp de iluminat corect proiectat și fabricat nu este determinată de deprecierea fluxului luminos a LED-urilor. Pentru mulți producători care specifică durata de viață a corpului de iluminat utilizând menținerea fluxului luminos al LED-urilor, justificarea este atribuită prin disponibilitatea acestor valori și deci nu va fi necesară dezvoltarea de date reale ale corpului de iluminat. În multe cazuri, nici furnizorii de produse și nici clienții nu sunt conștienți de această diferență, probabil cauza fiind că problema nu a fost suficient studiată și comunicată. Pentru producătorii și proiectanții din comunitatea iluminatului cu LED, va fi necesară o legătură cât mai strânsă pentru a înțelege și eventual rezolva problemele legate de durata de viața reală și fiabilitate.

Standarde de referinta
Durata de viață nominală a unei lămpi sau a unui emițător de lumină este definită în ANSI/IES RP-16, ca „durata de viață atribuită unei lămpi până la defectare” și este o caracteristică esențială de fiabilitate. Aceasta este de obicei o estimare, reprezentând determinarea statistică a duratei medii de funcționare exprimată în ore fără oprire.                                                                                                                                                      Durata de viață nominală în ore a unei lămpi cu LED sau a unei surse de lumină, specificată de producător, se aplică în anumite condiții de funcționare și pentru criterii de defec tare definite. Măsura statistică pentru durata de viață nominală este desemnată prin BP și este măsurată în ore, unde P este exprimat în procente (Exemplu B50>50000 ore înseamnă că 50% dintre produsele testate au depășit 50000 de ore fără defectare. B50 este de asemenea cunoscut ca durata de viața medie a produselor).
Durata de viață nominală însă este diferită de durata de menținere a fluxului luminos a unei surse de lumină LED și re prezintă o caracteristică solicitată de producătorii de corpuri de iluminat dar și de utilizatorii finali la fel de importantă.
Industria SSL are acum o metodă standard de obținere a informațiilor de menținere a fluxului luminos pe termen lung atât pentru emițătoare LED dar și pentru aparate de iluminat cu LED,  după finalizarea memorandumului tehnic IES TM-21-11, în care se prezintă o metodă de proiecție a deprecierii fluxului bazată pe date obținute conform LM-80-08, permite extrapolarea duratei de viață a LED-urilor singulare peste 6000 de ore.

Pentru sisteme de iluminat și lămpi cu LED sunt aplicabile însă alte norme, respectiv IES TM-28-14 care prezintă metoda de estimare a deprecierii lumenului bazată pe date conform LM-84-14 !

„Măsurarea menținerii fluxului luminos și a culorii pentru lămpi, emițătoare și aparate cu LED” (Fig. 1). Această metodă nu furnizează însă recomandări și ghidare cu privire la numărul obiectelor supuse testării dar
menționează ca metodă de testare metoda specificată în LM 79-08. În schimb în TM-28-14 este însă recomandat numărul minim al obiectelor supuse testării, 3 în cazul disponibilității rezultatelor după minim 6000 ore și 5 în cazul disponibilității datelor pentru maxim 6000 ore dar nu mai puțin de 3000 ore.
Evident și procedura de calcul este diferită pentru cele două cazuri și sunt menționate ca Metoda 1 „Directă” și, respectiv, Metoda 2 „Combinată”. De remarcat că în timp ce TM21-11 se referă la un număr minim de structuri semiconductoare LED (surse de lumină), TM 28-14 se referă la aparate/sisteme de iluminat.

Procesul de estimare
Normele IESNA limitează proiecția menținerii fluxului luminos atât pentru surse de lumina dar și pentru aparate cu LED, la maxim de 6 ori mai mult decât perioada de testare LM-80 și respectiv LM-84. Această perioadă de testare este în mod obișnuit de 6.000 de ore, 10.000 de ore și, ocazional, 12.000 de ore, ceea ce se traduce printr-o proiecție maximă a deprecierii fluxului la 36.000, 60.000 sau 72.000 de ore. Prin urmare, datele de menținere a fluxului raportate, sunt adesea L70 sau 70% la > 36.000 de ore. Acest lucru înseamnă că LED-urile vor emite cel puțin 70% din fluxul inițial al luminii după 36.000 de ore de funcționare. Acest prag de 70% a fost preluat din standardele aplicabile surselor de lumină în general. Extrapolarea menținerii fluxului dincolo de cele 6000 de ore se face după o procedură matematică specificată
atât în TM-21 pentru emițătoare LED și în TM-28 pentru aparatele de iluminat cu LED.
Procesul de estimare a menținerii fluxului luminos dincolo de durata testării practice constă din două etape.

Prima etapă constă din determinarea curbei celei mai potrivite care se suprapune cel mai aproape peste setul de puncte rezultat din măsurători. A doua etapă consta din calculul numărului de ore estimat dincolo de timpul de testare la o degradare de 70% (sau altă valoare) utilizând elementele matematice obținute din prima etapă. Setul de măsurători se extrage din raportul LM-80 sau LM-84 al cărui conținut este următorul:
1 – Numărul de surse sau aparate LED testate
2 – Descrierea sumară a acestora
3 – Descrierea echipamentul auxiliar utilizat
4 – Ciclul de operare
5 – Condițiile ambiente ce includ mișcarea aerului, temperatura și umiditatea
6 – Poziția obiectului de testat
7 – Temperatura la punctul de testare în cazul emițătoarelor LED
8 – Parametrii electrici – Fluxul luminos inițial
9 – Variația fluxului luminos
10 – Variația coordonatelor cromatice pe durata testării
11 – Observații legate de defectare
12 – Incertitudinea de măsurare.

În prima etapă procedura matematică utilizată la extrapolare poartă denumirea de metoda „celor mai mici pătrate” a valorilor medii și este aplicabilă următoarei ecuații:

F(t)=B  .  e  exp (-alfa . t)

unde:
t – timpul de operare
F(t) – fluxul luminos normalizat la timpul t
B – constanta derivată din potrivirea curbei peste
seturile de valori
alfa – rata de descreștere/regresie derivată prin potrivirea
curbei peste valori.
Metoda celor mai mici pătrate este cea mai uzuală metodă de aproximare a unei dependențe y=y(x), de date tabelare, printr-o funcție analitică, care se numește funcție (de obicei polinomială) de regresie (Fig 2).

 

Fig. 2 Reprezentarea grafică a valorilor din tabel – Interpolare. Minimizarea sumei pătratelor abaterilor ale punctelor de pe curbă – Aproximare

 

De aceea, metoda celor mai mici pătrate se mai numește și regresie, și are o largă aplicabilitate în estimare, statistică și prelucrarea datelor.

 

Fig. 3 Rezultatele testării conform LM-80 și reprezentarea grafică a extrapolării datelor
după TM-21


Suma pătratelor abaterilor este folosită în locul valorilor absolute compensate, deoarece acest lucru permite ca acestea să fie tratate ca o cantitate continuă diferențiată.
În continuare, la etapa a doua se estimează degradarea fluxului luminos la 70% după ecuația următoare:

L  70 = ln(B/0.7)/alfa

și următoarea ecuație pentru o
degradare de 50%:

L 70  = ln(B/0.5)/alfa

Multitudinea de puncte de date din raportul LM80 sunt însă incorect publicate/preluate de producătorii de corpuri de iluminat ca durată a menținerii fluxului luminos sau a duratei de viață a aparatului (Fig. 3).
La nivel de sistem, aparat sau lampă LED, rezultatele sunt însă obținute și raportate în conformitate cu LM-84-14. Una din diferențele majore constă în faptul că temperatura de testare este cea ambiantă de laborator 25°C±5°C sau specificată de producător, unde mișcarea aerului este restricționată la o valoare minimă (deci permis). În acest context, pot apărea diferențe mari între estimarea degradării unei singure structuri LED conform LM-80 și rezultatele estimate după LM-84 pentru lămpi sau aparate. Când sunt integrate într-un sistem, testarea acestui ansamblu cu LED se face în conformitate cu LM-82-12 unde condițiile de mediu sunt altele decât cele specificate în LM-80.
Producătorii de aparate de ilu minat însă, se lovesc de probleme legate de dezvoltarea foarte rapidă a tehnologiei LED și a timpilor lungi de testare specifici aparatelor/sistemelor cu LED (cerințe conform IEC 62722-2-1). Ca urmare devine o justificare pentru aceștia să utilizeze datele conform LM-80 aferente sursei LED pentru a permite aplicarea lor practică în caietului de sarcini unde se menționează durata de viată.
Presupunând că un sistem de iluminat funcționează 12 ore / zi, 5 zile / săptămână, acest lucru se va traduce în 3.120 de ore pe an, ceea ce înseamnă 60.000 ore adică mai mult de 19 ani (Tabel 1).
Pe baza acestor cifre, durata de viață utilă a LED-urilor va depăși cu mult ciclul de reproiectare pentru multe aplicații. În plus, eficiența tehnologiei cu LED-uri se îmbunătățește continuu, iar actualizarea tehnologică se produce în medie la fiecare 6-8 luni. Acest lucru înseamnă că LED-urile utilizate astăzi sunt mai puțin eficiente decât cele care vor fi folosite în câteva luni sau ani.

Tabel 1

Echivalent durată de viață în ani

Durata                  12ore x 5 zile/săpt          18ore x 6 zile/săpt       24ore x 7 zile/săpt

10,000 ore           3.2 ani                                   1.8 ani                               1.1 ani

60,000 ore           19.2 ani                                 10.7 ani                             6.8 ani

200,000 ore         64.1 ani                              35.6 ani                              22.8 ani

 

Share