Las pruebas estandarizadas para LED se extienden a los accesorios de iluminación
Los LED son notablemente duraderos y rara vez fallan catastróficamente. Un modo de falla más probable es el desvanecimiento hasta que la salida de luz deja de ser adecuada para el propósito previsto. La disminución de la luminosidad y el cambio de color es muy gradual, y es posible que la "vida útil" potencial del LED (el punto en el que el dispositivo ya no es apto para su uso) supere las 50.000 horas.
Las pruebas estandarizadas permiten a los fabricantes de LED proporcionar a los ingenieros de iluminación estimaciones cuantitativas de la vida útil de sus productos sin que las empresas tengan que pasar por el proceso imprácticamente largo de probar los chips hasta que fallen.
El LED en sí no es más que una pequeña parte de un dispositivo de iluminación de estado sólido-. Una vez incorporado a un dispositivo, el mantenimiento del lumen y del color del LED puede verse afectado por factores como el calor, las fluctuaciones del suministro de energía y el estrés mecánico que no estuvieron presentes durante la prueba original. Sin embargo, los ingenieros de iluminación no tenían una forma estandarizada de probar qué tan severo podría ser el efecto de estos factores y, en consecuencia, no tenían forma de mejorar el diseño de sus luminarias para maximizar la vida útil del producto.
La combinación de un procedimiento de prueba estandarizado y un método para utilizar los datos de la prueba para predecir la vida útil del dispositivo ha sido desarrollada por el Comité de Procedimientos de Prueba de la Sociedad de Ingeniería Iluminada de América del Norte (IESNA) y se encuentra en la etapa de aprobación final. Este artículo explica cómo funciona el método predictivo y de prueba y cómo permitirá a los diseñadores de iluminación mejorar la longevidad de sus luminarias.
Prueba de LED
Según el Departamento de Energía de EE. UU., la vida útil de la iluminación está relacionada con las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, temperatura ambiente y ciclo de trabajo), pero normalmente un usuario podría esperar que una bombilla incandescente dure 1.000 horas y una halógena el doble. En el caso de los tubos fluorescentes, la tecnología del balastro influye mucho en la vida útil del producto; con lastre barato, el tubo puede durar 20.000 horas y 30.000 para los tipos más caros.
Por supuesto, los LED también fallan. A veces este fracaso es catastrófico; por ejemplo, la resina epoxi utilizada para encapsular la matriz puede sobrecalentarse y expandirse, ejerciendo presión sobre las conexiones unidas del dispositivo hasta que cedan. La descarga electrostática (ESD) puede causar una falla inmediata de la unión semiconductora del LED. Otra causa de falla catastrófica es la formación de bigotes metálicos, particularmente en ambientes húmedos o donde el LED está sujeto a tensión mecánica, que unen los conductores provocando un cortocircuito.
Sin embargo, siempre que los LED se enciendan y se mantengan fríos de acuerdo con las recomendaciones del fabricante, los dispositivos tienden a ser notablemente duraderos y sólo un pequeño porcentaje de ellos fallan catastróficamente. Un resultado más probable es que el LED se apague gradualmente hasta que su salida de luz sea insuficiente para el propósito para el que fue diseñado (definido por la industria de la iluminación como menos del 70 por ciento de su salida cuando es nuevo o "L").70").
Esto contrasta con la iluminación tradicional, que tiene muchas más probabilidades de fallar catastróficamente. (La iluminación tradicional puede disminuir su brillo entre un 20 y un 30 por ciento durante su vida útil, pero las luminarias generalmente se apagan mucho antes de que el consumidor se dé cuenta (Figura 1).)
Figura 1: Curvas de mantenimiento de lúmenes para iluminación tradicional y LED. Tenga en cuenta la tendencia de la iluminación tradicional a fallar catastróficamente antes de que se note la degradación del lumen.
La combinación de relativamente pocas fallas catastróficas y una disminución extremadamente gradual en la producción de luz significa que la vida útil potencial de los LED superiores a 40.000, 50.000 o incluso 60.000 horas no es una expectativa descabellada.
Sin embargo, en un entorno comercial, no se puede esperar que los fabricantes sometan sus LED a una prueba que dure casi seis años para demostrar sus afirmaciones de longevidad. En cambio, se utiliza una prueba más corta, combinada con una extrapolación estandarizada de tendencias derivadas de los datos de la prueba, para determinar cuánto tiempo dura unaEl LED durará. Los principales fabricantes de LED someten periódicamente sus productos a la prueba, desarrollada por IESNA y denominada LM-80, "Método aprobado para pruebas de mantenimiento de lúmenes de fuentes de luz LED".
Dos laboratorios con sede en EE. UU., el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), junto con un grupo de seis fabricantes de LED (incluidos OSRAM y Cree), han elaborado un Memorando Técnico (TM-21, "Proyección del mantenimiento del lúmen a largo plazo de fuentes de luz LED") para definir un algoritmo de extrapolación para las pruebas de mantenimiento del lumen utilizando los datos del LM-80.
El algoritmo ignora los datos de las primeras 1000 horas, pero los utiliza de las últimas 5000 horas de la prueba (o el 50 por ciento final de los datos en el caso de pruebas de más de 10 000 horas (Figura 2)). Luego, los datos se ajustan a un modelo de extrapolación exponencial utilizando un método de curva de mínimos-cuadrados. la l70la extrapolación es entonces el menor de los L resultantes70o seis veces el tiempo de prueba del LM-80. Por ejemplo, con 6.000 horas de datos de prueba del LM-80, entonces L70= 36,000 horas. Con 10.000 horas de datos de prueba del LM-80, entonces L70= 60,000 horas.1(Consulte el artículo de TechZone "Determinar la vida nominal del LED: un desafío complicado.")
Figura 2: Ejemplo de datos de prueba LM-80 utilizados para L70extrapolación.
Los LED comerciales cuentan con una impresionante L70resultados. Philips Lumileds dice que su LED blanco LUXEON Rebel, un dispositivo de 105 lm/W (a 350 mA) que ofrece una luminosidad máxima de 226 lm (a 1 A), supera los requisitos de mantenimiento de lúmenes Energy Star con una L70cifra superior a las 36.000 horas (Figura 3).
Figura 3: Resultados del LED LUXEON Rebel de Philips Lumileds utilizando el procedimiento de prueba LM-80 y el algoritmo de extrapolación TM-21.
Cree y OSRAM dicen que sus dispositivos de alta-potencia, como el XLamp XM-L2 del primero, un chip de 153 lm/W (a 700 mA), y el OSLON SSL del segundo, un chip de 125 lm/W (a 350 mA), permiten a los fabricantes de dispositivos que los utilizan superar los estándares Energy Star.
Limitado a LED
El problema con los métodos de prueba actuales es que sólo prueban la longevidad del propio LED. Son datos útiles, pero cuando el chip se incorpora a un dispositivo hay muchas más cosas que pueden salir mal. La fuente de alimentación es una debilidad potencial, pero quizás más importante sea la eficacia de la gestión térmica del producto porque el exceso de calor es reconocido como el "asesino" número uno de los LED.
Según Cree, "la mayoría de los mecanismos de fallo de los LED dependen-de la temperatura. Las temperaturas elevadas de las uniones provocan una reducción de la salida de luz y una degradación acelerada del chip".2
La causa principal del desvanecimiento de un LED se debe a la degradación de la estructura interna del propio troquel, y esta degradación se ve agravada por las altas temperaturas. En resumen, la eficiencia cuántica interna, una medida del número de recombinaciones de huecos de electrones-en la unión tipo n-/tipo p- del chip que dan como resultado un fotón emitido de una longitud de onda visible, disminuye a medida que se multiplican las dislocaciones en la estructura cristalina del chip. Esto se debe a que las dislocaciones fomentan la recombinación no-radiativa y, como sugiere el nombre, la combinación no-radiativa no da como resultado un fotón emitido.
Fabricantes de chips LEDTrabajamos duro para reducir la cantidad de defectos en los dispositivos cuando son nuevos, pero los procesos de fabricación de semiconductores no son perfectos y siempre habrá algunas fallas. Sin embargo, el factor más importante bajo el control del ingeniero de diseño que influye en la longevidad al reducir la multiplicación de dislocaciones es la temperatura de la unión. (Consulte el artículo de TechZone "Comprender la causa del desvanecimiento en los LED de alto-brillo.")
Una nueva prueba para luminarias LED
Debido a que las alternativas de iluminación tradicionales son productos maduros, se dispone de datos más completos sobre la vida útil de estos productos y los consumidores están interesados en ver cómo se comparan los LED. La buena noticia es que es probable que las luces-estado sólido brillen intensamente en tal comparación. La mala noticia es que los fabricantes enfrentan el mismo problema que enfrentaron con los propios chips; probar hasta el fallo lleva tanto tiempo que no es práctico.
Por ahora, los fabricantes de reemplazos inmediatos para la iluminación tradicional hacen todo lo posible para proporcionar información sobre el rendimiento a largo plazo-de su producto basándose en los datos de los LED que se encuentran en el centro de sus productos. Al utilizar dichos datos de prueba para determinar la vida útil de uniluminación LEDEl aparato es un buen comienzo, sólo proporcionará una aproximación debido a los otros factores que pueden acortar la vida útil del aparato.
LED Dynamics ha presentado lo que afirma es el primer sustituto de tubo fluorescente T8 basado en LED-disponible en el mercado-. El dispositivo ofrece hasta 1900 lm con una eficacia de 94 lm/W con un índice de reproducción cromática (CRI) de 85. Llamado EverLED-VE, el dispositivo está disponible en temperaturas de color estándar de 4000 y 5000 K. La hoja de datos de LEDdynamics dice que EverLED-VE tiene una vida útil nominal de 10 años y los consumidores deben esperar un cero por ciento de falla en la vida útil nominal.
De manera similar, ROHM Semiconductor ofrece un reemplazo inmediato para las bombillas incandescentes, la R-B15L1 (Figura 4). La bombilla produce 550 lm con un consumo de energía de 8 W (para una eficacia de 69 lm/W). El R-B15L1 funciona directamente desde una fuente de alimentación de 100 V.C.A.entrada, y ROHM afirma una "vida útil" de 40.000 horas.
Figura 4: El R-B15L1 de ROHM ofrece una vida útil declarada de 40.000 horas.
Lo que realmente se necesita es un método de prueba-estándar de la industria para cuantificar la vida útil de cualquier dispositivo de iluminación LED. IESNA ha respondido a esta demanda adoptando un enfoque similar al utilizado para probar LED independientes. El procedimiento de prueba resultante, LM-84 "Lámparas LED, motores y luminarias Prueba de mantenimiento de lúmenes y colores," se encuentra en su etapa final de aprobación con el comité del IESNA.
El documento describe los procedimientos necesarios para obtener mediciones de mantenimiento de color y lúmenes uniformes y reproducibles en condiciones operativas estándar de una temperatura ambiente de 25 ±5 grados y un ciclo de iluminación de 11 horas encendidas y 1 hora apagadas.
Sin embargo, el LM-84 no contará toda la historia. Al igual que su homólogo LM-80, el LM-84 sólo proporciona datos sobre qué tan bien se mantiene el color y la luminosidad del dispositivo durante un período relativamente corto. Desafortunadamente, no proporciona orientación ni hace ninguna recomendación con respecto a estimaciones predictivas o extrapolaciones para el mantenimiento del lumen o del color más allá de los límites de las mediciones reales.
Simpatizando con la necesidad de hacer predicciones sobre cuánto tiempo un dispositivo de iluminación LED será realmente adecuado para su propósito, IESNA está avanzando hacia un enfoque que combinará los datos de prueba LM-84 en dispositivos de iluminación con un nuevo documento TM-28 que estandariza métodos para proyectar los datos medidos durante períodos (mucho) más largos. El enfoque es paralelo a la forma en que se utilizan el LM-80 y el TM-21 para predecirlúmenes LEDy mantenimiento del color.
Es probable que los principios básicos del TM-28 sean los mismos que los del TM-21. La proyección se basará en datos promedio de prueba, descontando las unidades probadas que dejan de funcionar durante la prueba; la base matemática utilizada en TM-28 no se desviará de la de TM-21, y la longitud de la proyección debe basarse en un tamaño de muestra y un nivel de confianza que tenga sentido práctico.
Un problema que enfrenta el comité es la escasez de datos. Cuando se desarrolló el TM-21 para LED, había al menos 40 conjuntos de datos de este tipo, algunos para LED que habían sido probados durante más de 10.000 horas, que podrían usarse para evaluar la base matemática del TM-21. En gran medida no se dispone de datos comparables sobre pruebas de luminarias LED.
Una solución que se está considerando es reflejar el requisito del LM-80 durante 6000 horas (o más) de pruebas y utilizar el mismo algoritmo para la proyección de mantenimiento del color y la luminosidad. Eso deja abierto el interrogante de si los datos de las lámparas LED que se están probando con menos de 6.000 horas todavía se pueden utilizar para hacer proyecciones. La industria está interesada en reducir el tiempo y el costo de dichas pruebas y existe un precedente: Energy Star permite que los datos de pruebas de lámparas LED de 3.000 horas se utilicen para la precalificación.
El grupo de trabajo TM-28 comparó los datos de prueba del LM-80 de 3000 y 6000 horas para LED y concluyó que existe suficiente correlación entre los dos para hacer proyecciones sensatas de vida útil a partir de datos de 3000 horas. Los algoritmos utilizados para proyectar a partir de estos datos son similares a los descritos en TM-21, pero debido a la duración más corta de la prueba, se agregará un uso más condicional del método de proyección.3
¿Qué sigue para las pruebas de iluminación de estado sólido-?
Una vez publicados, los documentos LM-84 y TM-28 se usarán juntos para dispositivos de iluminación LED de la misma manera que LM-80 y TM-21 se usaron para LED independientes. Los nuevos documentos permitirán a la industria de la iluminación de estado sólido adoptar un enfoque estandarizado para definir el color y el mantenimiento del lumen de sus productos, ayudando a los consumidores a establecer cómo se compara la iluminación LED con la iluminación tradicional.
Sin embargo, porqueiluminación LEDes una industria que está lejos-de-madurar, aún queda mucho trabajo por hacer. Otras normas y métodos de prueba se centran en tipos y características de productos específicos. El documento SSL 7A-2013 de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) con sede en EE. UU., "Atenuación de corte-de fase para iluminación-de estado sólido: compatibilidad básica," aborda un tema clave para la iluminación-de estado sólido al proporcionar requisitos de compatibilidad para el uso de productos LED regulables y atenuadores de fase-de corte directo (el tipo más común).4
El IESNA también sigue ocupado. Es probable que el siguiente sea el LM-85 "Método aprobado por el IES para mediciones eléctricas y fotométricas de LED de alta-potencia," que aborda las mediciones de LED de alta-potencia que requieren un disipador de calor para su funcionamiento normal, e incluye LED blancos así como LED de un solo-color. Luego está el TM-26 "Proyección de la vida nominal de los paquetes LED," que tomará el TM-21 L70La información de mantenimiento de lúmenes va un paso más allá al aumentar el tamaño de la muestra e incluir fallas catastróficas en el cálculo para llegar a una definición real de "vida nominal del LED" en lugar de solo "vida de mantenimiento de lúmenes".
https://www.benweilight.com/lighting-tubo-bombilla/18w-3000k-6ft-led-tube.html
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