Полезный срок службы: стандарт LM-80, стабильность светового потока и срок службы светодиодных световых приборов

Так же как и в случае фотометрических измерений, таких как измерение светового потока и световой отдачи, расчеты срока службы для светодиодных и традиционных источников света существенно отличаются друг от друга. Чтобы правильно сравнить их, необходимо понимать эти различия и проанализировать приводимые справочные значения.

Испытание осветительного прибора на срок службы на первый взгляд может показаться простым, а именно: включить и выяснить, сколько времени он будет работать. Но измерения и оценка не являются простой задачей, особенно для светодиодных источников света. Современные методы испытаний традиционных источников света (ламп накаливания, люминесцентных ламп, разрядных ламп высокого давления, натриевых ламп низкого давления и т. д.) тщательно проработаны и хорошо понятны. Метод испытания на срок службы для светодиодных источников света является сравнительно новым и, соответственно, менее понятным.

В данном разделе объясняется, как интерпретировать расчеты полезного срока службы для отдельных и встроенных в световые приборы светодиодных источников света, а также предлагается метод для выполнения

правильных сравнений традиционных осветительных приборов со светодиодными.

Номинальный срок службы традиционных источников света

Время работы традиционных источников света обычно выражается номинальным сроком службы - средним временем выхода из строя статистически обоснованной выборки ламп.

В утвержденных методах испытания на срок службы традиционных источников света требуется измерить и указать значение номинального срока службы лампы. Эти методы опубликованы Светотехническим обществом (IES) в различных официальных изданиях. Например, стандарт LM-65-01 определяет процедуры испытаний для определения срока службы компактных люминесцентных ламп (КАЛ), a LM-49-0I - процедуры испытаний для определения срока службы ламп накаливания. LM-65-01 и LM-49-0I были разработаны и начали использоваться в 2001 году, и заменили старые стандарты, опубликованные соответственно в 1991 ив 1994 году.

Оба этих стандарта устанавливают условия испытаний, размеры выборки и методы обработки данных, полученных при испытаниях, для получения номинальных значений срока службы. Для КАЛ стандарт LM-65 определяет статистически обоснованный размер выборки образцов, которые должны испытываться при температуре окружающей среды 25 °С с циклом длительностью три часа во включенном состоянии и 20 минут в выключенном состоянии (так как срок службы КАЛ зависит от количества ее включений и выключений). Время, через которое половина ламп выходит из строя,является номинальным средним сроком службы лампы.

Для ламп накаливания стандарт LM-49 определяет статистически обоснованный размер выборки образцов, которые должны испытываться в указанном производителем диапазоне рабочих температур и напряжений. Лампы могут охлаждаться до температуры окружающей среды один раз в сутки (обычно на время от 15 до 30 минут). Так же как для КЛЛ, номинальным средним сроком службы лампы является время, по истечении которого половина ламп продолжает работать.

Стабильность светового потока и его спад во времени

В сентябре 2008 года IES выпустила стандарт Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources (Измерение стабильности светового потока светодиодных источников света), публикация IES LM-80-08. Стандарт LM-80 - это «светодиодный» аналог LM-65, LM-49 и других стандартов на испытания традиционных источники света, но принципиально отличается от них, что иногда сбивает с толку.

Вместо измерения номинального срока службы лампы стандарт LM-80 предписывает измерять, насколько снижается световой поток

светодиодного источника через определенное количество часов его работы. Это значение описывает термин «спад светового потока».

Обратным по отношению к спаду светового потока является понятие стабильности светового потока. Термин «стабильность светового потока» является промышленным стандартом для обозначения доли светового потока, сохраняемой источником света в течение указанного времени, выраженной в процентах от исходного светового потока».

Стабильность светового потока - это ставший промышленным стандартом термин, означающий процент исходного светового потока, который источник света сохраняет в течение определенного времени.

Световой поток, излучаемый всеми электрическими источниками света, с течением времени снижается, в частности, приложения к стандартам LM-65 и LM-49 посвящены спаду светового потока ламп накаливания и КАЛ с течением времени. В случае ламп накаливания спад светового потока вызван уменьшением диаметра нити накала и осаждением частиц испаренного вольфрама на внутренних стенках колбы. Лампы накаливания обычно теряют 10-15% своего исходного светового потока в течение среднего срока службы, равного I 000 часов. В люминесцентных лампах

Центр международной торговли в г. Аас-Вегас, штат Невада. Здесь используется более 8 000 футов (2438,4 м) линейных светодиодных светильников eW Cove Powercore производства компании Philips Color Kinetics для освещения атриума в здании С, имеющего сложную геометрию. Светодиодные световые карнизы отраженного света в таких зданиях имеют преимущества над аналогичной подсветкой с использованием традиционных источников света. Полезный срок их службы до 70 000 часов и очень низкая степень отказов: светодиодные светильники для световых карнизов гарантируют надежное освещение в течение многих лет без образования темных пятен, возникающих из-за выхода из строя ламп, которые могут портить элегантный вид подсвечиваемого объекта.

спад светового потока вызван фотохимической деструкцией люминофор-ного покрытия и стеклянной трубки, а также осаждением светопоглощающего материала на внутренних стенках трубки. В высококачественных люминесцентных лампах, в которых используются редкоземельные люминофоры, теряется лишь 5-10% исходного светового потока после 20 000 часов работы. Потеря светового потока в КАЛ больше, но большинство правильно сконструированных ламп теряют не более 20% своего исходного светового потока после 10 000 часов работы.

В светодиодных источниках света к факторам, влияющим на спад светового потока, относятся ток возбуждения и тепло, генерируемое в устройстве (на р-n переходе), которые вызывают деградацию материала светодиода. В некоторых белых светодиодах может происходить деградация люминофорного покрытия подобно тому, как это происходит в люминесцентных лампах. Некоторые светодиоды могут также терять световой поток из-за помутнения или появления темных пятен в герметике, покрывающем светодиодный кристалл.

Характеристики стабильности светового потока имеют вид Lp, где L -это исходный световой поток источника света, р - это выраженный в процентах остаточный световой поток после определенного количества часов работы. Например, L97 показывает, как долго источник света сохраняет 97% (или теряет 3%) своего исходного светового потока, L44 показывает, как долго источник света сохраняет 44% (или теряет 56%) своего исходного светового потока, и т. д.

Так как качественные светодиодные источники света могут излучать полезный свет в течение десятков тысяч часов и так как они редко полностью выходят из строя, то понятие «стабильности светового потока» часто используется вместо понятия номинального срока службы светодиода. Измерение номинального срока службы светодиодных источников света (среднее время до выхода из строя для статически обоснованной выборки) потребует непрерывной работы источников света до тех пор, пока они не перестанут излучать свет, и этот процесс может занять много лет. Так как светодиодные источники света продолжают излучать свет даже после того, как их первоначальный световой поток уменьшиться на 50% или больше, светотехническим консультантам и проектировщикам нужно знать, как долго светодиодные световые приборы будут сохранять достаточно высокий процент первоначального светового потока, а не сколько времени пройдет до выхода источника света из строя.

Определение полезного срока службы светодиодных источников света

Общество твердотельных осветительных систем и технологий (Alliance for Solid State Illumination Systems and Technologies - ASSIST) - группа под руководством исследовательского центра по вопросам освещения,

входящего в состав Политехнического института Ренселаер в г. Троя, штат Нью-Йорк, - выпустила серию рекомендаций по определению понятия «полезного срока службы» светодиодных источников света. ASSIST определяет «полезный срок службы» как промежуток времени, в течение которого источник света обеспечивает минимально допустимый уровень света для данного применения.

Светодиодные источники света продолжают излучать свет даже после того, как их исходный световой поток снижается на 50% или больше. Поэтому специалистам, выбирающим конкретную марку систем освещения, необходимо знать, как долго светодиодный источник света будет сохранять достаточно высокий процент исходного светового потока, а не среднее время до выхода из строя источника света.

Исследования, выполненные ASSIST, показывают, что изменение уровня освещенности в обычном офисе обычно остается незаметным, пока он остается на уровне выше 70% своего исходного значения, особенно в тех случаях, когда уровень освещенности изменяется постепенно. Поэтому для применений, связанных с общим освещением, ASSIST рекомендует определять полезный срок службы как промежуток времени, в течение которого исходный световой поток источника света снижается до 70% исходного значения (L70). Для декоративного и акцентного освещения ASSIST рекомендует определять полезный срок службы как промежуток времени, в течение которого исходный световой поток источника света снижается до 50% исходного значения (L50).

L70 и L50 широко используются в работе со светодиодным освещением как два важных пороговых значения полезного срока службы и применяются в широком диапазоне областей применения освещения.

Несовпадение оценок стабильности светового потока

Существует несовпадение между результатами испытаний, полученными согласно стандарту LM-80 и порогами L70 и L50, которые определяют полезный срок службы изделия. Недостаток, который можно назвать нестыковкой оценок стабильности светового потока, является источником многих неприятностей для свето-технических консультантов, проектировщиков и других специалистов, занимающихся вопросами освещения, которым требуется знать, как долго система освещения будет обеспечивать эффективное освещение для конкретной области применения.

Это очень важно, чтобы правильно сравнить традиционные и светодиодные световые приборы, а также для правильного определения затрат на их установку, обслуживание и замену. Ниже подробнее об этом.

Стандарт LM-80 предписывает испытания светодиодных источников света в течение 6 000 часов и рекомендует испытания в течение 10 000 часов. Эти испытания должны выполняться при трех разных температурах р-n-перехода (55 °С, 85 °С и при третьей температуре, которая должна определяться производителем) так, чтобы пользователи могли видеть, как температура влияет на световой поток. Стандарт также определяет

Стабильность светового потока светодиодных и традиционных источников света

Если светодиодный источник света правильно сконструирован и правильно запитывается,то его полезный срок службы может значительно превышать номинальные сроки службы традиционных источников света.

В представленной ниже таблице приведены данные для сравнения диапазонов полезного срока службы светодиодных источников света с диапазонами номинальных сроков службы традиционных источников света.

К сожалению, стандарт LM-80 не содержит рекомендаций относительно того, как экстраполировать данные измерений для получения значений L70 или L50. Этот метод (IES Technical Memorandum ТМ-21) в настоящее время находится на стадии разработки. До тех пор, пока документ ТМ-21 не будет опубликован, единственным способом, с помощью которого производитель светодиодного источника света может доказать, что указанные им значения параметров L70 и L50 соответствуют LM-80, является испытание светодиодных источников света до тех моментов, пока они не достигнут этих пороговых значений. Так как типичное значение L70 составляет 50 000 часов, такое испытание должно продолжаться более пяти лет! Это не только непрактично, но и с учетом быстрого развития светодиодных технологий приведет к тому, что испытываемые светодиоды устареют к моменту окончания испытания.

На практике ведущие производители светодиодных источников света испытывают свои изделия согласно стандарту LM-80 в течение минимум 6 000 или 10 000 часов, а затем применяют свои собственные методы экстраполяции для получения значений параметров L70 и L50. Так как эти методы являются интеллектуальной собственностью, производители могут даже и не раскрывать математические формулы и вспомогательные данные.

Например, ведущий производитель светодиодных источников света публикует необработанные данные для своих высокоэффективных белых светодиодов в отчете об испытаниях согласно стандарту LM-80. Отчет содержит данные о статистически значимой выборке приборов, каждый из которых испытывался в течение 6 000 часов в соответствии с

Прогноз стабильности светового потока для белого светодиода LXM3-PWxl LUXEON Rebel при следующих условиях:

85 °С,0,35 A (Tj = 98 °С). Нормализовано к 1 после 24 часов работы

Модель долговременного прогнозирования стабильности светового потока, разработанная компанией Philips Lumileds, ведущим производителем светодиодных источников света, базируется на результатах испытаний по стандарту LM- 80. Светодиодные источники света испытываются в течение 6 000 часов, а данные долговременной стабильности светового потока получаются методом экстраполяции.

Другой ведущий производитель светодиодных источников света строит модель стабильности светового потока высокоэффективных белых светодиодов на интерпретации необработанных данных испытаний по стандарту LM-80. Согласно опубликованным им данным, график стабильности светового потока является линейным после первых 5 000 часов работы, поэтому применяется линейная модель с использованием таких переменных, как температура теплоотвода, расположенного внизу светодиода, температура р-п-перехода, температура окружающей среды и ток возбуждения. В то время как сами формулы экстраполяции и необработанные данные не раскрываются, производитель четко объясняет свою методику и предоставляет большое количество графиков, показывающих прогнозируемое значение стабильности светового потока на уровне L70 при разных температурах окружающей среды и разных токах возбуждения.

Независимо от используемого метода экстраполяции, следует помнить о том, что хотя значения L70 и L50 могут базироваться на измерениях по стандарту 1_М-80,сами они не являются данными измерений по LM-80.

Полезный срок службы светодиодных источников света в световых приборах

Слева: светодиодный узел, включающий в себя один светодиодный кристалл, линзу и подложку. Справа: светодиодная матрица (модуль), включающая в себя несколько светодиодных узлов. Стандарт LM-80 применяется только для узлов, модулей и блоков, но не для техники в собранном виде.

Утвержденный метод фотометрических измерений светодиодного оборудования предписывает выполнять испытание светодиодных световых приборов в собранном состоянии (как указано в IES LM-79-08).

В утвержденном методе измерения стабильности светового потока требуется совершенно противоположное:    предписыва

ется выполнять отдельные испытания светодиодных источников света, но не технику в собранном виде. Стандарт LM-80 четко определяет источники света, только как «узлы, блоки, и модули». Это означает, что производители светодиодных световых приборов должны создавать свои собственные методы расчета стабильности светового потока для выпускаемых ими светодиодных световых приборов. Так же как и значения L70 и L50, указываемые производителями светодиодных источников света, значения стабильности светового потока, указываемые производителями светодиодных световых приборов, могут быть получены на основании данных испытаний по стандарту LM-80 и экстраполяции этих данных, но эти значения не являются результатом измерений по стандарту LM-80.

Внешняя температура, температура внутри прибора и ток возбуждения оказывают большое влияние на стабильность светового потока светодиодного источника света, используемого в светодиодном световом приборе, но также на этот параметр могут оказывать влияние различные свойства светового прибора, такие как характеристики линз, цвет корпуса, качество компонентов и конструкция устройств отвода тепла. Такие рабочие факторы, как скачки напряжения, статические заряды, вибрация и проникновение влаги также могут оказывать большое влияние на стабильность светового потока светодиодного прибора. Испытание по стандарту LM-80 для светодиодной светотехники может оказаться слишком сложным и дорогостоящим для производителей, так как они должны будут испытывать все различные варианты выпускаемых ими светодиодных световых приборов, чтобы учесть все факторы и комбинации этих факторов.

Поэтому на практике известные производители светодиодной светотехники гарантируют, что используемые в выпускаемой ими светодиодной осветительной технике токи возбуждения и рабочие температуры (особенно температуры р-п-переходов) находятся в пределах, указанных производителями светодиодных источников света в их отчетах о стабильности светового потока. Производители светотехники затем выполняют свои собственные расчеты для определения полезного срока службы светодиодных источников света, используемых в выпускаемом ими оборудовании, основанные на собственном понимании воздействия конкретных физических факторов.

Полезный срок службы - не одно и то же что полный срок службы светового прибора

Большой срок службы светодиодных источников света позволяет использовать световые приборы белого или изменяемого цвета в тех местах, где замена ламп затруднена или является невозможной. Использование светодиодных светильников для освещения наружных поверхностей уникальных архитектурных сооружений, таких как телевизионная вышка компании CN высотой I 815 футов (553 м) в г. Торонто, Канада, значительно снижает объем и стоимость работ, связанных с обслуживанием системы освещения. Используемые в настоящее время светильники ColorBlast 12 могут воспроизводить миллионы цветовых оттенков при сохранении 50% светового потока в течение 50 000 и более часов работы.

Важно помнить о том, что «полезный срок службы» и «полный срок службы» светового прибора - это два совершенно разных понятия. Полезный срок службы светового прибора зависит от к прогнозируемого значению стабильности светового потока светодиодных источников света, входящих в состав прибора - другими словами, это количество часов, в течение которых светодиодный световой прибор будет обеспечивать достаточное количество света в конкретной области применения.

С другой стороны, срок службы светодиодного светового прибора связан с надежностью компонентов, входящих в его состав, включая электронику, материалы, корпус, провода, разъемы, уплотнители, и т. д. Вся система будет работать ровно столько, сколько проработает входящий в нее критический компонент с самым коротким сроком службы. Таким компонентом может оказаться уплотнителы, оптический элемент, светодиод или что-то другое. С этой точки зрения светодиодный источник света является одним из критических компонентов, хотя именно он является и наиболее надежным компонентом всего светового прибора.

Фото: Джордж Фишер

Известные производители светодиодных световых приборов тратят много времени и сил на разработку и конструирование систем освещения, включая алгоритмы управления,топологию печатных плат, обеспечение качества компонентов, устройства отвода тепла, оптику, механическую конструкцию. Конструкция светодиодных световых приборов затем обычно проверяется с помощью ряда натурных испытаний для подтверждения соответствия требованиям к рассеянию тепла, световому потоку и т. д. Так как все характеристики светодиодного светового прибора являются взаимозависимыми, его эксплуатационные характеристики могут быть определены только с помощью испытания прибора как единой системы.

Сравнение полезного срока службы традиционных ламп и светодиодных световых приборов

Так как все электрические источники света имеют спад светового потока в процессе работы, то должна существовать возможность экстраполировать номинальный срок службы и спад светового потока традиционных источников света до значений L70 и L50. Это позволит консуль-тантам-светотехникам, осуществляющим подбор оборудования, и проектировщикам освещения сравнивать полезный срок службы используемых в светотехнике светодиодных источников света с полезным сроком службы ламп накаливания и люминесцентных ламп.

•    Сравнение с лампой накаливания. Номинальный средний срок службы 60-ваттной лампы накаливания равен I 000 часов. Если предположить, что в течение срока службы лампа накаливания теряет 10%-15% своего светового потока, то лампа выйдет из строя, прежде чем достигнет порога L70. Следовательно, ее номинальный срок службы фактически является ее полезным сроком службы.

•    Сравнение с КЛЛ. Номинальный средний срок службы 18-ватт-ной КАЛ равен 15 000 часов, ее исходный световой поток равен 1250 лм,а расчетный световой поток - I 125 лм, что соответствует снижению светового потока на 10% после 6 000 часов работы. Следовательно, лампа достигнет порога L70 через 18 000 часов работы. Но так как ожидается, что лампа выйдет из строя через 15 000 часов, то ее номинальный срок службы фактически является ее полезным сроком службы.

•    Сравнение с линейной люминесцентной лампой. В настоящее время существуют высокоэффективные люминесцентные лампы с очень длительным номинальным сроком службы. Например, 48-дюй-мовая, 32-ваттная люминесцентная трубкаТ8 со средним номинальным сроком службы 33 000 часов теряет 5% исходного светового потока через 13 200 часов работы, или 40% своего срока службы. При постоянной скорости спада светового потока лампа достигнет порога L70

через 79 200 часов работы. Это значение сопоставимо со значением полезного срока службы многих светодиодных источников света. Ожидается, что лампа выйдет из строя через 33 000 часов, то есть намного раньше, чем она достигнет порога L70. Следовательно, ее номинальный срок службы, а не порог L70, фактически является ее полезным сроком службы.

• Сравнение с разрядной лампой высокого давления. В отличие от люминесцентных ламп и ламп накаливания, оценка номинального срока службы для этих ламп базируется на сохранении работоспособности 67% испытанных ламп (вместо 50% для люминесцентных ламп и ламп накаливания). После 9 600 часов работы лампа сохраняет 90% своего исходного светового поток, что определяет порог L70 на уровне 28 800 часов. В то время как номинальный срок службы лампы и параметр L70 приблизительно совпадающее номинальный срок службы немного меньше. И снова номинальный срок службы этой лампы фактически равен ее полезному сроку службы.

Как показали приведенные выше примеры, для традиционных источников света номинальный срок службы обычно эквивалентен полезному сроку службы, так как традиционные источники света обычно выходят из строя до того, как достигают соответствующих порогов стабильности светового потока. Сравнение значений полезного срока службы светодиодных световых приборов со значениями номинального срока службы обычных ламп позволяет оценить, скольких замен ламп можно избежать при использовании светодиодных источников света вместо традиционных. Эта оценка дает важную информацию для сравнения общих затрат, связанных с системой освещения.

Например, линейный светодиодный светильник для карнизов eW Cove Powercore производства компании Philips Color Kinetics имеет значение L70, равное 60 000 часов. Использование eW Cove Powercore вместо люминесцентного светильника с лампой Т8, рассмотренной в приведенном выше примере, позволяет избежать двух замен ламп, или четырех замен ламп при использовании этих светильников вместо тех, что на основе КАЛ, или 60 замен ламп при использовании вместо ламп накаливания. Светодиодный светильник Philips Gardco Radiant LED, потребляющий столько же электроэнергии и излучающий такой же световой поток, что и натриевая лампа высокого давления для уличного освещения, указанная в приведенном выше примере, имеет значение L70, лежащее в диапазоне от 50 000 до 100 000 часов в зависимости от температуры окружающей среды и тока возбуждения. В этом случае светодиодная альтернатива имеет полезный срок службы, превосходящий полезный срок службы газоразрядной лампы высокого давления в 2-4 раза.

Достоверность информации

К сожалению, иногда не совсем ясно как прогнозируются значения стабильности светового потока, выполняемые производителями светодиодных источников света и светильников. Как специалисты, осуществляющие подбор светового оборудования, и проектировщики освещения могут проверить, являются ли значения, указываемые производителями, достоверными и точными?

Прежде всего, специалистам, выбирающим марку товара, и разработчикам проектов освещения следует искать производителя с хорошей репутацией, а также убедиться, что он предоставляет полный набор опубликованных технических характеристик, фотометрических данных и другую техническую информацию. Однако, следует помнить о том, что специалисты по освещению не могут просто запросить у производителя светодиодных световых приборов данные по стандарту LM-80. Как было указано выше, данными по стандарту LM-80 обязаны обладать только производители светодиодных источников света, причем эти данные относятся к времени работы, значительно меньшему, чем принятые пороговые значения срока службы.

Однако, пользователи могут повысить свое доверие к цифрам, которые указывают производители светодиодных световых приборов, убедившись в том, что:

•    Светодиодные источники света, используемые в светотехнике, испытывались в соответствии со стандартом LM-80.

•    Производитель светодиодного источника света использует правильный метод прогнозирования значений сохранения светового потока L70 и L50 на основании результатов испытания по стандарту LM-80.

•    Производитель светодиодных световых приборов выполняет свои собственные измерения температуры р-n-перехода, тока возбуждения и других важных параметров, и получает значения L70 и L50 методом экстраполяции данных LM-80, представленных производителем светодиодного источника света.

•    Фотометрические данные, указанные производителем светодиодных световых приборов, основаны на результатах испытаний, выполненных в соответствии со стандартом LM-79 независимой испытательной лабораторией, связанной с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).

Ведущие производители светодиодной светотехники разрабатывают продукцию с гарантией высокой надежности и долговечности. Хотя световые приборы все же иногда выходят из строя, правильно сконструированное светодиодное оборудование может надежно работать в течение многих тысяч часов до тех пор, пока находящиеся внутри него

светодиодные источники света не достигнут конца своего полезного срока службы.