Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 7 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Управление высоковольтными светодиодами

Высоковольтные светодиоды повышенной яркости позволяют создавать высокоэффективные системы освещения, однако их применение связано с преодолением ряда технических проблем. В статье рассмотрена простая и компактная система управления высоковольтными светодиодами на базе корректора коэффициента мощности (ККМ), которая обеспечивает конкурентоспособное решение для систем освещения.

Обратноходовые драйверы светодиодов

В статье рассмотрены особенности применения обратноходовой топологии преобразователей при построении высокоэффективных драйверов светодиодов для систем освещения.

Управление освещением по линиям электропередачи

Темпы внедрения светодиодных осветительных приборов впечатляют. Однако по мере их использования на крупных объектах все более актуальной становится проблема управления системами освещения. В настоящей статье предложены методы интеллектуального управления большими светотехническими системами, например, уличным освещением и освещением в офисах. Эти методы позволяют увеличить эффективность светотехнических приборов и снизить расходы на электроэнергию.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

19 января

Определение срока службы светодиодов

Обычно производители светодиодов указывают, что срок службы их продукции составляет 50–100 тыс. ч. Однако не существует достоверной методики, позволяющей проверить эти цифры. В статье описывается новый метод прогнозирования снижения светоотдачи све­тодиодов, который позволяет оценивать их срок службы после эксплуатации 6 тыс. ч. Объясняется, как и когда следует применять экстраполяцию снижения светоотдачи для получения корректных и обоснованных ре­зультатов оценки срока службы светодиодных устройств.



В

августе 2011 г. Светотехническое инженерное общество (США) (Illuminating Engineering Society (IES)) опубликовало документ TM-21 — «Метод оценки срока службы светодиодных (LED) источников света по снижению их светоотдачи». TM-21 является методом прогнозирования снижения светоотдачи LED, LED-матриц и LED-модулей, основанный на данных, собранных в соответствии с методикой LM-80. Предполагается, что TM-21 станет стандартным методом прогнозирования срока службы  LED-продукции в условиях реальных рабочих температур.

Почему ТМ-21 и почему теперь?

Долговечность светодиодных устройств ни у кого сомнений не вызывает. Однако, когда производители заявляют слишком большой срок службы светодиодов, то в этом присутствует маленькая хитрость. Ведь до сих пор практически невозможно было измерить или оценить реальную долговечность LED, чтобы предоставить потребителям гарантии технологической надежности изготавливаемой продукции, обеспечивающей больший срок службы по сравнению с традиционными световыми устройствами. Всем очевидно, что комплексная надежность светодиодных осветительных устройств зависит от надежности компонентов, входящих в их состав (драйверов, линз и т.д.), что следует учитывать при оценке срока службы всего устройства.
Срок полезного использования световых устройств, изготовленных по традиционным технологиям, оценивается по времени выхода из строя нити накала или катода. Большинство таких ламп демонстрируют до отказа приемлемые значения светового выхода, что показано на рисунке 1 сплошными линиями, поэтому для них довольно просто определить момент необходимости замены.
Однако в светодиодах (пунктирная линия на рисунке 1) нет нити накала, перегорание которой означает конец срока службы. Более того, стремительное развитие технологий и желание побыстрее вывести новую продукцию на рынок не оставляют возможности протестировать заявленный срок службы (35 и даже 100 тыс. ч). В результате, в светотехнической индустрии принято определять срок полезного использования светодиодов по моменту времени, когда они перестают обеспечивать заданный уровень светового выхода. И, наконец, срок службы и характеристики LED-устройств во многом зависят от организации отвода тепла от диода. Именно поэтому необходимо проводить тестирование LED при разных температурах. Исходя из данных измерений реальной рабочей температуры после установки LED в светильник, можно будет оценить снижение его светоотдачи в процессе эксплуатации.

 

Рис. 1. Снижение светоотдачи в процессе эксплуатации и поведение при выходе из строя ламп накаливания (INC), флуоресцентных ламп (FL), высокоинтенсивных газоразрядных ламп (HID) и LED-ламп (масштаб не соблюден, приведен вид типовых кривых)


Технический процедурный комитет (Technical Procedures Committee (TPC)) IES, обслуживающий светотехническую индустрию, постоянно ведет разработку соответствующих методов тестирования, используемых для оценки срока службы LED-устройств. Первоначально требовалось оценить снижение светоотдачи в процессе эксплуатации LED-компонентов: диодов, модулей и матриц, для чего была разработана методика LM-80. Важно отметить, что в соответствии с LM-80, снижение светоотдачи определяется как минимум 6 тыс. ч (но рекомендуется проводить тестирование в течение 10 тыс. ч и более).
После появления ТМ-21 методику LM-80 перестали использовать только для оценки снижения светоотдачи. Рабочая группа (WG) ТМ-21 входит в состав IES TPC. Она была сформирована специально для разработки метода прогнозирования срока службы LED-устройств по данным о снижении их светоотдачи. WG более трех лет занималась поиском лучшего решения поставленной задачи. Оценивались различные способы прогнозирования, анализировались разные математические и инженерно-технические модели, на базе которых можно было бы реализовать эффективный метод прогнозирования ухудшения светового выхода.
WG проанализировала более  40 наборов данных (20 из которых были получены в ходе тестирования, проводимого в течение 10 тыс. ч и более), собранных четырьмя основными производителями LED, использующими методику LM-80-08.

Анализ данных тестирования, проводимого производителями LED

Проведенный анализ показал, что снижение светоотдачи LED происходит, в основном, после 6 тыс. ч эксплуатации, и не существует надежных и непротиворечивых способов предсказания поведения LED-устройств после прохождения этого рубежа. Чтобы при экстраполяции ослабления светового выхода получить достоверные статистические данные, не всегда достаточно информации, полученной в ходе тестирования за 10 тыс. ч, поэтому время тестирования иногда приходится увеличивать до 35 тыс. ч.
Следует также отметить, что производители LED-устройств понимают, что снижение светоотдачи, не связанное с самим диодом, проявляется, как правило, раньше 6 тыс. ч рубежа, а не позже. Исходя из этого, WG приняла решение при проведении экстраполяции ухудшения светового выхода исключать данные, полученные в начале эксплуатации устройства, поскольку они формируют на кривой «горб», вызванный некоторым увеличением светоотдачи в начале работы и последующим ее естественным снижением. Это позволяет  получить более корректное представление кривой ухудшения светоотдачи (см. рис. 2 и 3).

 

Рис. 2. Данные, исключающие начало тестирования по методике LМ-80, обеспечивают получение более корректной оценки периода относительной стабильности светового выхода LED-устройства

Рис. 3. Данный рисунок, как и рисунок 2, иллюстрирует тот факт, что исключение из рассмотрения начальных данных позволяет более корректно оценить период стабильности светового потока LED-устройства

 

Подробнее о TM-21

TM-21 не определяет срок службы или время до отказа традиционными способами, какие обычно используются при тестировании других световых источников. На базе данных, полученных в ходе тестирования по методике LM-80, TM-21 прогнозирует световой выход LED-источника света (диода/матрицы/модуля). На основании этого прогноза оценивается снижение светоотдачи источника в процессе эксплуатации, и по нему можно предсказать срок службы всей системы.
Однако важно отметить, что TM-21не является самодостаточным инструментом оценки срока службы LED-устройств. TM-21 использует данные, полученные в ходе тестирования по методике LM-80, в течение 6 тыс. ч с шагом 1 тыс. ч. WG TM-21 решила, что более длинные потоки данных и данные, собираемые с меньшими интервалами времени (менее 1 тыс. ч), улучшают качество прогнозирования. При этом предложена следующая методология: сначала полученные данные нормализуются к 1 (100%) на момент 0 ч, а затем усредняются в каждой точке по всем замерам для каждой тестовой температуры.
TM-21 рекомендует также использовать для проведения тестирования выборку из 20 диодов/матриц/модулей. Это количество определено на основе оценки достоверности результатов, полученных с разными размерами выборок. Оценка показала, что  использование большего числа выборок (30) не приводит к существенному улучшению достоверности, а меньшее число выборок (10) — значительно ее снижает, что ведет к ухудшению оценки.

Как это работает?

Как уже отмечалось, наибольший интерес представляют данные, полученные ближе к концу интервала тестирования, лучше характеризующие кривую спада световой отдачи. Поэтому TM-21 строит аппроксимационную кривую по данным, собранным за последние 5 тыс. ч тестирования, проводимого по методике LM-80 в течение 6–10 тыс. ч. При сборе данных более чем за 10 тыс. ч TM-21 использует вторую половину данных.
Далее используется экспоненциальная аппроксимация по методу наименьших квадратов:

 

,

 

где t — время работы (ч); Ф(t) — усредненный нормализованный выходной световой поток в момент времени t; В — константа, полученная при аппроксимации кривой методом наименьших квадратов; α — коэффициент спада кривой, полученный при аппроксимации кривой методом наименьших квадратов.
Прогнозируемый интервал стабильности светового выхода определяется как:

 

,

где Lp — продолжительность периода стабильности светового выхода (ч); р — заданный процент от исходного светового выхода.
Такая аппроксимация может быть проведена для любого, заданного пользователем, значения светового выхода (например, L70 или L50).
В процессе тестирования по методике LM-80 фиксируется момент времени, когда достигается заданный уровень светового выхода. В процессе разработки метода выяснилось, что ограничение сбора данных 6 тыс. ч может привести к получению неправдоподобных и недостоверных результатов, например, ровных или возрастающих кривых. Очевидно, что необходимо выбирать разумные интервалы сбора данных. Чтобы получить достоверные  результаты прогнозирования, WG рекомендовала следующие пределы экстраполяции:
– для выборки размером 20 единиц, максимальное время прогнозирования = 6 × продолжительность тестирования;
– для выборки размером 10 единиц, максимальное время прогнозирования = 5,5 × продолжительность тестирования.
Документ TM-21 регламентирует также проведение интерполяции по данным тестирования, полученным при разных температурах, что позволяет моделировать реальный спад светоотдачи LED при его установке в светильник (ведь это неминуемо влечет за собой  изменение теплового режима). По измеренной реальной температуре эксплуатации проводится интерполяция кривой спада светоотдачи с помощью кривых, полученных в ходе тестирования по методике LM-80 при разных тестовых температурах(55, 85°C и других температурах, заданных производителем). Для этого используется уравнение Аррениуса, позволяющее определить температурную зависимость скорости спада светового выхода LED.

 

Таблица 1. Параметры интерполяции при использовании данных, полученных в ходе 10 тыс. ч тестирования по методике LM-80, при температуре Ts,i, равной 70˚C

Ts,1, (0C)

55

Ts,1, (K)

328.15

a1

1.684E-06

B1

0.9639

Ts,2, (0C)

85

Ts,2, (K)

358.15

a2

3.354E-06

B2

0.9525

Ea/kB

2699

A

6.283E-03

B0

9.582E-01

Ts,i, (0C)

70

Ts,i, (K)

343.15

ai

2.413E-06

Прогнозируемое L70(Dk)

130,131

Опубликованное L70(Dk)

>60,000


В таблице 1 приведен пример экстраполяции для измеренной температуры внутри устройства 70˚C, а на рисунке 4 результаты экстраполяции представлены графически. Проводить экстраполяцию при температурах, выходящих за пределы температурных границ, определенных методикой LM-80, не рекомендуется.

 

Рис. 4. Результат интерполяции при температуре 70˚C по кривым спада световой отдачи, полученным в ходе тестирования при разных температурах


ТМ-21 регламентирует универсальную форму представления результатов прогнозирования в виде:

Lp (Dk),

где p — заданный процент от исходной световой отдачи; D — полная продолжительность тестирования (ч), деленная на 1000 и округленная.
Например:
– L70 (6000) = 34 тыс. ч экстраполяции на базе 6 тыс. ч тестирования;
– L70 (10000) = 51 тыс. ч экстраполяции на базе 10 тыс. ч тестирования.
L70 (6000) > 36 тыс. ч экстраполяции на базе 6 тыс. ч тестирования (здесь применено правило определения периода прогнозирования в виде шестикратного увеличения периода тестирования). L70 (4000) = 4400 часов экстраполяции (здесь  заданное значение  было достигнуто в ходе тестирования).
Методология, представленная в документе TM-21 в виде формул и процедур, может быть преобразована в электронные таблицы или другие форматы, пригодные для программной обработки. Чтобы исключить неправильное использование данной методологии в компьютерных программах, TM-21 содержит ряд примеров, позволяющих пользователям проверить свои результаты.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Эрик Ричман (Eric Richman), старший научный сотрудник, Pacific Northwest National Laboratories (PNNL)



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты