Durata de viață a corpurilor de iluminat cu led

Durata de viață a corpurilor de iluminat cu led

 

Prof. Dr. Eng. S. Matei – Electromagnetica SA

Una dintre cele mai importante caracteristici ale LED-urilor utilizate în iluminat este reprezentată de durata de viață. Această caracteristică, ce definește capabilitatea de a produce lumină pe o durată cât mai lungă de funcționare, și deci reducerea ciclului de defectare, se exprimă în ore de funcționare și este mult mai lungă în comparație cea a cu majorității surselor de iluminat convenționale. Pentru sistemele de iluminat cu LED sfârșitul duratei de viață nu se manifestă prin întreruperea funcționării ci prin degradarea treptată a fluxului luminos. Articolul de față își propune să contribuie la clarificarea acestui aspect precum și  legătura cu garanția aparatelor sau a echipamentelor de iluminat cu LED  specificată de fabricanții de corpuri sau soluții de iluminat cu LED.

Introducere

Degradarea luminoasă sau, mai degrabă, menținerea fluxului luminos, reprezintă raportul dintre fluxul luminos la un moment dat, de-a lungul ciclului de exploatare, al unei lămpi sau a unui aparat de iluminat, și fluxul său luminos inițial, cu condiția ca lampa sau aparatul să funcționeze în aceleași condiții specificate. Această scădere a fluxului luminos este cauzată în principal de încălzirea excesivă a LED-urilor, respectiv o temperatură ridicată a joncțiunilor (Fig 1). În practică, limita temperaturii joncțiunii utilizată de producătorii de corpuri de iluminat este de 85°C, temperatură la care sunt specificate și caracteristicile acestor LED-uri. Temperatura de funcționare poate fi mai ridicată, dar procesul de degradare este în acest caz accelerat.

Fig 1. Fotografia termica a unei matrice LED denumita Chip On Board, COB

În cazul concret al unui aparat de iluminat cu LED, simpla determinare a scăderii nivelului de iluminare (în lux, lx) după un interval de timp (exprimat în %/ore) nu poate însă furniza corect informațiile despre degradarea fluxului luminos (în lumen, lm), de altfel exprimat tot în %/ore. Între cele două cantități există diferențe esențiale: absența reflexiilor cauzate de elementele componente ale spațiului, influența temperaturii ambiante la măsurarea iluminării (în lux). Specificarea degradării fluxului luminos reprezintă deci o măsură a gradului de stress termic al LED-urilor din aparatul de iluminat. Prin urmare, cu cât temperatura joncțiunii este mai ridicată, cu atât degradarea luminoasă este mai rapidă.

Temperatura joncțiunii

În acest moment durata de viață este specificată de producătorii de corpuri de iluminat în diferite formate ca în Fig 2.

Formatul LxxB/Fxx descris în această figură (L80B10, 60000 ore), adoptat de cei mai mulți producători, în concordanță cu standardele în vigoare, unde L reprezintă procente din fluxul luminos inițial (80% în acest caz) după 60000 ore de funcționare cumulate.

Fig. 2. Exemple ale modului de specificare a duratei de viata

O metodă convenabilă pentru a observa gradul de stress termic al unui corp de iluminat cu LED, este de a măsura variația de putere, după aproximativ 45 min de la conectare. Această variație va fi cauzată în principal de scăderea tensiunii directe (pe LED-uri) odată cu creșterea temperaturii joncțiunii. O asemenea joncțiune semiconductoare are un factor negativ de variație a tensiunii directe cu temperatura. Spre exemplu, pentru o diodă cu Si, acest coeficient, K, are valoarea de -2.2mV/°C iar pentru mai multe diode în serie, acesta va multiplicat cu numărul de diode (spre exemplu pentru zece diode în serie coeficientul K va fi 10 x -2.2mV/°C, adică -22mV/°C).

În cazul unui corp de iluminat cu mai multe LED-uri în serie, cu un factor de variație al tensiunii directe K de -30mV/°C și o variație a tensiunii pe LED-uri de 3V la un curent de 2A, atunci: ΔPLED=3V x 2A=6W, reprezintă variația de putere pe LED-uri.

Această variație de putere se va reflecta într-o variație de putere de intrare în aceeași măsură, bineînțeles dacă sursa de alimentare nu prezintă probleme de stabilitate.

Această variație de putere pe LED-uri este deci efectul variației tensiunii directe cu temperatura, conform factorului K. În acest caz, variația de temperatură se poate calcula astfel: ΔT=ΔV/K=3V/(0.03V/°C)=100°C ce reprezintă variația temperaturii pe joncțiune.

În acest caz, la un ambient de 25°C, temperatura joncțiunii va fi deci 125°C. O asemenea temperatură nu este însă recomandată în funcționare, deoarece se află la limita condiției de funcționare ăi va accelera degradarea luminoasă.

Durata de viață

În urma emiterii Standardului de performanțe ale corpurilor de iluminat cu LED, IEC/EN 62722, durata de viață a corpurilor de iluminat cu LED a devenit un atribut important în competiția din piața de iluminat. În acest Standard, caracteristicile și metodele de determinare a duratei de viață pentru corpuri de iluminat,  sunt relatate la Standardul pentru LED-uri și/sau module LED, respectiv IEC/EN 62717, cu unele amendamente. Asta presupune deci ca producătorul de corpuri de iluminat să transfere caracteristicile de menținere a fluxului luminos ale aparatului către modulul LED sau sursa emisivă cu LED, dacă nu există o altă apreciere. În acest caz, se va declara că reprezintă durata de viață a sursei emisive de lumină, alături de cea a sursei de alimentare/driver. Asta înseamnă că nu există o singură reprezentare a duratei de viață a aparatului de iluminat sau a sistemului și deci o interpretare a combinației celor două a lor, în cazul în care există o diferență între cele două.

Fiabilitatea și durata de viață a sistemelor de iluminat SSL cu LED nu este în general cunoscută și nici nu există o metodă pentru a fi determinată ca în cazul LED-urilor sau modulelor. Practica de a transmite valoarea de menținere a fluxului luminos a LED-urilor, ca substitut al duratei de viață a unui sistem de iluminat cu LED-uri este incorectă, deoarece reprezintă evaluarea fiabilității unei singure componente a sistemului. În consecință, durata de viață a unui corp de iluminat, chiar dacă este bine conceput și fabricat, nu poate fi determinată doar de deprecierea luminoasă a LED-urilor. Pentru mulți producători de aparate de iluminat cu LED însă, utilizarea menținerii fluxului luminos al LED-urilor (după LM80),  pentru estimarea duratei de viață a corpului de iluminat poate fi atribuită doar prin disponibilitatea imediată a acestor valori. Aceste valori însă nu furnizează date reale despre corpul de iluminat. În cele mai multe cazuri, nici furnizorii de produse și nici clienții nu sunt conștienți de aceste diferențe, în parte pentru că această problemă nu a fost explorată și comunicată suficient.

Ca urmare, componente LED de calitate, încorporate în produse slab proiectate și/sau construite, pot transforma corpul de iluminat dintr-un obiect „longeviv” într-unul de tip „trăiește intens, mori tânăr”. Declarația duratei de viață a LED-urilor este adesea prezentată în termeni de ore și/sau ani, fără alte date înregistrate sau în suportul acestora. Garanțiile, de asemenea, pot fi denaturate din cauza lipsei de date, fiind transferate în sarcina și deci la riscul producătorului. Declarația de „100 000 ore de viață pentru un corp de iluminat cu LED-uri” a făcut loc treptat conștientizării faptului că există puțină coerență și foarte puține date publicate, dar și ca urmare a dificultăților/realităților în jurul așa-numitei „durate de viață” a corpului de iluminat. Situația este diferită pentru componentele LED, pentru care există date după mii de ore de funcționare precum și standardizarea metodei de estimare (Fig. 3).

Fig. 3. Instalatie pentru masurarea temperaturii jonctiunii LED

In loc de concluzie

Cum abordăm? Nu există încă un protocol acceptat pentru măsurarea și caracterizarea duratei de viață. În parte, acest lucru se datorează costurilor, legate de un număr echitabil de mostre de produs ce urmează a fi testate pentru a obține rezultate concludente, de asemenea, într-o mare măsură, ca urmare a accentului pus de industrie inițial pe deprecierea luminoasă. Aceste produse cu LED-uri au fost descrise până nu de mult, ca fiind „diferite” de tehnologiile convenționale, deprecierea luminoasă producându-se treptat până la dispariție. Așa cum s-a dovedit însă din comportamentul acestor „sisteme” cu LED-uri, a devenit evident că viața unui corp de iluminat poate fi considerabil mai scurtă față de ceea ce este menționat prin durata deprecierii luminii, deși în general, este mult mai lungă decât în multe soluții actuale de iluminat.

Abordarea acestor aspecte va fi o încercare de a clarifica înțelegerea generală a fiabilității și a modului în care aceasta se referă la durata de viață; explorarea metodelor de estimare și caracterizare a duratei de viață; separarea tipurilor de defecte și moduri de defectare; analiza diferențelor dintre sistemele reparabile și non-reparabile; revizuirea definiției duratei de viață a produsului. Este important ca această temă să mențină comunitatea SSL în contact și, chiar mai mult, să fie posibilă o cooperare, pentru obținerea de date cât și stabilirea de bune practici, astfel încât durata de viață să poată fi precis și simplu descrisă.

Share