Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2014
Don Tuite
Electronic Design
Светодиоды – это горячие штучки, если не из-за фактической температуры, то из-за своего рыночного потенциала. На фоне происходящего во всем мире повсеместного запрета ламп накаливания потенциал светодиодного освещения кажется безграничным (см. Таблицу 1). Однако и эта технология имеет свои недостатки. Как мы можем с уверенностью утверждать, каким будет реальный срок службы светодиода? С чем связана проблема «мерцания»? И о каком таком «увядании» мы вдруг читаем в Wall Street Journal и New York Times?
| Таблица 1. | Ограничения на использование ламп накаливания | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Срок эксплуатации
Сколько времени прослужат светодиоды? Если они установлены правильно и имеют путь для эффективного отвода генерируемого ими тепла, ответом, как правило, будет «долго». На инженерном языке этот же вопрос должен звучать иначе: через какое время световая отдача светодиода упадет до определенной доли от своего первоначального значения (Рисунок 1)? Но все же, и это не совсем верно. Процедура, предназначенная для оценки «номинального срока службы» похожа на ту, которая применяется для обычных ламп накаливания и флуоресцентных ламп, и все еще находится в стадии разработки.
 |
|
| Рисунок 1. | Набор светодиодных ламп Philips, таких, как показана на этой фотографии, успешно прошел 18-месячные полевые, лабораторные и технические испытания, чтобы соответствовать жестким требованиям конкурса L Prize Департамента энергетики США. Как ни странно, до недавнего времени светодиодная промышленность не имела процедуры экстраполяции тестовых данных, чтобы определить фактические значения срока службы в конкретных продуктах. |
В августе 2011 года Светотехническим обществом Северной Америки (IESNA) был выпущен стандарт ТМ-21-11: «Прогнозирование долговременной стабильности светового потока светодиодных источников света» [1]. Документ описывает, как интерпретировать данные, полученные в результате измерений, и как экстраполировать их.
Тем не менее, ТМ-21 применяется только к конкретным компонентам источника света (блок, модуль, массив), а не всего светильника целиком. Весь светильник представляет собой сложную систему с множеством других компонентов, таких как драйверы, оптика, цепи управления температурным режимом и корпуса, которые могут повлиять на срок службы. Выход из строя любого из этих элементов может означать конец срока эксплуатации светильника, даже если светодиоды не исчерпали свой ресурс. Любое более или менее правдоподобное прогнозирование должно учитывать все эти составляющие, а не просто сосредотачиваться на светодиодах.
Для оценки ламп накаливания или люминесцентных ламп берется большая статистически значимая выборка, работающая до тех пор, пока не откажет половина первоначального количества. Этот момент, в терминах времени наработки, определяет номинальный срок службы ламп [2]. Однако подобный подход неприменим к светодиодам, которые, как правило, не выходят из строя внезапно. Вместо этого, их светоотдача медленно уменьшается с течением времени.
Кроме того, само определение светодиода, как прибора с большим сроком службы, означает, что получение реальных данных о долговременной надежности в течение ограниченного времени наблюдения становится сложной задачей. Более того, световой поток и срок эксплуатации отдельных светодиодов, как правило, сильно зависят от того, каким током они управляются и какому нагреву подвергаются в светильнике, где они установлены.
Срок стабильности светового потока и номинальный срок службы
Прежде чем объяснять, как применяется ТМ-21, будет полезно определить различие между понятиями срока эксплуатации, который рассматривается в ТМ-21, и номинальным сроком службы, основанном на методике, не столь основательной, как ТМ-21. Опять же, номинальный срок службы используется для оценки обычных ламп.
Концептуально значение стабильности светового потока (Lp), основанное на тестовых данных, полученных по методике, описанной в ТМ-21, указывает на количество часов работы, в течение которых светодиодный источник света будет поддерживать определенный процент (р) своей начальной светоотдачи. Например, L70 будет означать количество часов, в течение которых световой поток светодиода упадет до 70% от первоначального уровня.
В последние годы индустрия стала использовать процедуру тестирования, описанную IESNA как LM-80-8, и ориентированную на измерения Lp светодиодных сборок, линеек или модулей, управляемых вспомогательными драйверами. [3] В процедуре LM-80 светодиоды управляются внешним источником тока. Во время работы контролируется температура их корпуса, измерения проводятся при комнатной температуре.
Практически устройства испытываются при трех температурах корпусов: 55 °С, 85 °С и при какой-либо другой температуре, выбранной производителем. Температура воздуха должна поддерживаться с точностью ±5 °С, а температура корпуса – с точностью ±2 °С. Относительная влажность должна быть менее 65%.
В таких условиях приборы выдерживаются в течение, как минимум, 6000 часов (примерно 38 недель). Данные собирают каждые 1000 часов. В накопленных данных содержатся интенсивность светового потока, изменения в цветности (цвет), а также любые случаи катастрофических отказов (выгорания).
Спецификация «B» добавляет целевой статистический доверительный интервал. Так, B50 показывает, что не более чем у 50% образцов светодиодных устройств ожидается падение стабильности светового потока на выходе ниже ожидаемого уровня. B10 будет означать, что в течение данного времени встретится не более 10% образцов стандарта L.
Ограничения LM-80
LM-80 представляет собой только тестовую процедуру. В методику преднамеренно не включен способ получения из результатов испытаний каких-либо значений Lp для испытуемых устройств. Принятие LM-80 промышленностью не решило проблемы критериев отбраковки или способов графического представления результатов тестов, которые позволили бы людям разобраться в полученных данных. По-прежнему нет рекомендаций по графической экстраполяции данных, необходимой для предсказания значений L70.
Вопросы определения размеров выборок, значений токов, или даже количества драйверов оставались на создателях конкретных тестов. Проблемой являлось даже определение типов светодиодов, к которым применялись эти данные, поскольку не было никаких критериев, указывающих, после каких изменений в конструкции корпуса светодиода потребуется новое тестирование.
Это было особенно важно в связи с постоянной работой промышленности над совершенствованием корпусов для улучшения их тепловых характеристик. Поскольку светодиоды не передают тепло излучением, как лампы накаливания, эффективность корпуса в обеспечении отвода тепла от светодиода к радиаторам и окружающей среде может оказывать существенное влияние на Lp.
Некоторые из этих вопросов рассматривались раньше. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) представило некоторую методику стандартизации тестирования ламп, предназначенных для использования в жилых и нежилых помещениях, внутри и вне помещений. Методика требовала, чтобы тестирование по LM-80 проверилось лабораториями, аккредитованными Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в рамках Национальной программы Добровольной аккредитации лабораторий (NVLAP).
Для каждой комбинации тока и внешней температуры ЕРА требовала ставить на испытания не менее 25 образцов. Чтобы пройти тест, после 6000 часов испытаний значение LM должно были быть лучше 91.8% для продукции, используемой внутри жилых помещений или лучше 94.1% для наружного использования. Это внесло ясность в некоторые моменты, но все ждали появления IESNA ТМ-21.
Описание TM-21
Новый документ определяет, как именно экстраполировать данные об изменении светового потока, полученные по методике LM-80-08 (Рисунок 2). Вот как это работает:
- Для каждого устройства в наборе данных измеренный световой поток изначально нормирован на значение «1».
- В каждой точке, где измеряется световой поток, нормированные данные для всех устройств усредняются. (Другими словами, результаты показывают среднее поведение всей совокупности устройств).
- Все данные, полученные в течение первой 1000 часов, испытаний отбрасываются.
- Если тест останавливается после 6000 часов, значения данных средней стабильности светового потока от 1000 часов до 6000 часов пригодны к простой экспоненциальной экстраполяции с аппроксимацией по методу наименьших квадратов.
- Если тест выполняется от 6000 до 10000 часов, для экстраполяции используются только данные последних 5000 часов.
- Для тестов продолжительностью более 10,000 часов используются данные за последние 50% от общего времени тестирования. Однако если последние 50% от общего времени тестирования не являются целым кратным 1000 часов, берут более 50% от общего времени, пока время не будет кратно 1000 часов. «Шесть крат» – правило призванное ограничить длину предсказаний стабильности светового потока.
 |
|
| Рисунок 2. | Процесс экстраполяции, описанный в IES ТМ-21-11 «Проектирование долговременной стабильности светового потока светодиодных источников света», обеспечивает переход от результатов испытаний по LM-80 к прогнозированию стабильности светового потока. |
Те, кому это описание показалось слишком кратким, чтобы разобраться во всем, не должны волноваться. EPA создала Energy Star ТМ-21 калькулятор. [4] Он позволяет пользователям запрашивать от производителей светодиодов наборы данных по LM-80 и интерполировать их (например) от контрольных значений при 55 °С и 85 °С для получения значения деградации интенсивности светового потока при 75 °С.
Номинальный срок службы
Лучшим источником информации для понимания различий между сроком стабильности светового потока по ТМ-21 и номинальным сроком службы является статья Цзяньчжун Цзяо (Jianzhong Jiao) из Osram Opto Semiconductors, опубликованная в журнале LEDs Magazine [5].
Чтобы объяснить разницу, Цзяо отсылает читателей к стандарту ANSI/IES RP-16, описывающему процесс последовательного определения значения срока службы обычных типов ламп. В RP-16 номинальный срок службы обозначается Bp и выражается в часах, где р – процент. Таким образом, B50 от 1000 часов означает, что 50% исследованных экземпляров отработали 1000 часов без сбоев.
Параметр B50 также известен как номинальной средний срок службы изделия. Например, если изделие имеет номинальный срок службы B10 от 1000 часов, 10% из тестируемых продуктов не прошли тест в течение 1000 часов, но могут быть легко отнесены к изделиям с номинальным сроком службы В50 от 1000 часов. «В то время как Bp является статистической мерой, Lp является определенной мерой долговечности», – говорит Цзяо.
К тому же, определение Bp требует большого и статистически значимого размера выборки, в то время как в отношении стабильности светового потока Lp подобных требований нет. Загвоздка, по словам Цзяо, заключается в том что, если для прогнозирования стабильности светового потока по ТМ-21 использовать тестовые данные по LM-80, размер выборки будет непредсказуемо влиять на прогноз. Следовательно, меньшая выборка приведет к более коротким прогнозируемым срокам, чтобы увеличить статистическую достоверность.
С учетом этой оговорки, первое, что должно быть определено, чтобы обеспечить разумную основу для оценки срока службы светодиода – это понятие «отказа» светодиода, который потерял яркость, но не сгорел.
Например, Цзяо говорит: «Отказ может быть определен как снижение светового потока светодиода до 70% от начальной величины или ниже (в том числе, и до нуля). Другими словами, если в течение заданного периода времени светодиод производит недостаточно света или не производит вообще, он считается вышедшим из строя».
Это позволит объединить новые статистические измерения с измерениями долговечности. Цзяо предполагает, что это будет значение BpLp. Если заявленное значение B50L70 светодиодного источника света равно 30,000 часов, «то 50% из исследованных образцов должны иметь срок стабильности светового потока 30,000 часов», – говорит Цзяо.
В поддержку сказанного, Цзяо рекомендует интегрировать статистические измерения отказов с измерениями стабильности светового потока во время испытания срока эксплуатации. Это потребует достаточно большого, статистически значимого размера выборки светодиодов, а также дополнительного отслеживания и фиксации поведения образцов. Ключевым моментом является длительность тестирования.
Вместо остановки теста в некотором произвольном, кратном 1000 часов месте, «когда у 50% испытуемых образцов световой поток станет равным 70% от начального значения, включая образцы, которые не производят свет, тогда и будет получен B50L70 (в часах)», – говорит Цзяо.
Цзяо признает практическую проблему, связанную с этим методом. Ожидаемое значение B50L70 – порядка 30,000 часов, так что действительно нужен способ прогнозирования, основанный на более коротком периоде тестирования. К счастью, производители светодиодов уже осознали бóльшую часть из перечисленных проблем. Они взяли на вооружение два подхода.
При одном из подходов испытания по методике LM-80 осуществляются на больших выборках с регистрацией как изменений светового потока, так и отказов. Затем данные загружаются в математическую модель со статистически-значимым диапазоном. Анализируя кривую прогнозирования стабильности светового потока совместно с соответствующим интервалом выборочного распределения, можно прогнозировать B50L70.
С другой стороны, производители всегда проводили тесты на реальные отказы (свет гаснет) отдельно от официальных испытаний по LM-80. Ранние отказы – фундаментальная проблема производственного процесса, управление которым является ключом к прибыли.
Что необходимо, так это найти такой способ объединения данных из обоих типов тестирования, что бы все согласились с результатом. Тогда на основе ТМ-21 можно установить прогноз стабильности светового потока, и данные, собранные в ходе ускоренного теста на отказ могут быть использованы в моделировании с другим математическим выражением, с номинальным сроком службы, спрогнозированным на математическом сочетании обеих моделей.
Это рекомендации Цзяо и компании OSRAM. Прежде, чем отрасль установит рекомендации для стандартной практики, возможно, потребуется, чтобы и интеграторы светодиодной продукции запрашивали больше информации о результатах тестирования и моделирования от производителей в отношении статистических отказов светодиодных источников света.
Мерцание
Световой поток устройств, питающихся переменным током, может мерцать с удвоенной промышленной частотой, на гармониках этой частоты, а иногда и на основной частоте. В лампах накаливания из-за их тепловой инерции мерцание обычно не наблюдается.
Тем не менее, мерцание можно наблюдать у люминесцентных ламп, люминесцентных ламп с холодным катодом (CCFL) и у светодиодной подсветки видеодисплеев. Медицинские исследования ассоциируют мерцание с симптомами мигрени и эпилепсии у части населения.
Для светодиодов, решение этого вопроса заключается в фильтрации выходных каскадов схем драйверов. Скотт Браун (Scott Brown), старший вице-президент по маркетингу компании iWatt, верит, что будущие европейские нормы могут стать частью IEC 61000-3-2 – европейского стандарта коррекции коэффициента мощности в AC/DC источниках питания.
Браун соглашается с Мэттом Рейнольдсом (Matt Reynolds), менеджером по приложениям для твердотельного освещения компании Texas Instruments, и Сурешом Харихараном (Suresh Hariharan), техническим директором Maxim Integrated Products, в том, что за этим вопросом стоит что-то серьезное, и все же, проблему можно (и нужно) решать ценой небольшого увеличения стоимости.
Харихаран считает, что мерцание возникает из-за устаревших тиристорных диммеров, и для регулировки светового потока устройства нужно заставить светодиодные драйверы превратить свои рубленые волны переменного тока в импульсно-модулированный постоянный ток. Правильно спроектированный драйвер с диммером, и с этим согласны все три компании, должен состоять из трех каскадов: каскада AC/DC преобразования и двух каскадов постоянного тока, последний из которых осуществляет импульсную модуляцию тока для управления светоотдачей.
«Правильное проектирование» также требует коррекции коэффициента мощности в каскаде AC/DC преобразования для защиты силовой сети от гармоник промышленной частоты. [6] Однако не все совместимые с диммерами драйверы обеспечивают хороший коэффициент мощности, – считает Харихаран.
Светодиодные «лампочки» выпускают многие компании по всему миру. Электроника драйвера помещается в основание лампы, так что никто не знает, что там внутри. И кто сможет что-либо сказать, если компания, занимающаяся плагиатом, захочет сэкономить несколько центов на комплектующих и использует более дешевую микросхему драйвера?
Хотя дешевые драйверы необязательно становятся источниками мерцания, поскольку зачастую проблема начинается с симистора диммера, спрятанного в стене здания. Если симистор включается не в той же точке первой полуволны переменного напряжения, в которой он это делает во время второй полуволны, возникает серия гармоник, что (помимо всего прочего) выглядит как мерцание на частоте промышленной сети.
Что с этим делать, зависит от конструкции драйвера. Но окончательное решение, считает Харихаран, в более дорогостоящих схемах питания постоянного тока. Стимулирование этого требует введения стандартов. Таковыми могут быть МЭК в Европе или IEEE в Северной Америке.
Появление IEEE
Именно здесь выходит на сцену стандарт IEEE PAR 1789. Организацией выпущен документ под шифром P1789 с рабочим названием «Методические рекомендации по модуляции тока светодиодов повышенной яркости для снижения риска здоровью пользователей».
Первый результат усилий рабочей группы был вынесен на общественное обсуждение. [7] Разработчики не торопились, и их отчета ждали более года. Но это не означает, что документ неинтересен. Вместе с подробными ссылками он содержит обобщение многочисленных исследований влияния мерцания на людей, подвергающихся ему через флуоресцентное освещение.
Например, согласно данным рабочей группы, светочувствительная эпилепсия встречается чаще, чем можно было подумать, затрагивая каждого «из примерно 4000 человек». Факторы, совокупность которых может влиять на вероятность приступов, включают частоту мерцания в диапазоне от 3 до 65 Гц, а особенно, в диапазоне от 15 до 20 Гц. Вот почему частота промышленной сети (50 или 60 Гц, в зависимости от страны) так важна, и почему столь большое значение имеет асимметричное поведение внешнего тиристорного контроллера.
«Сильные красные мерцания и попеременные красные и синие вспышки могут быть особенно опасными, – отмечает группа. – Яркие мерцания могут быть более опасными, когда глаза закрыты, отчасти потому, что тогда стимулируется вся сетчатка».
Увядание
«Увяданием» назвали происходящее в светодиодах явление, когда увеличение протекающего тока сопровождается увеличением светового потока лишь до определенного предела, за которым световой поток с увеличением тока свой линейный рост прекращает (Рисунок 3). Это явление всегда было труднообъяснимым.
 |
|
| Рисунок 3. | Световой поток обычных светодиодов с ростом тока не увеличивается линейно. Что-то происходит с рекомбинацией электронно-дырочных пар, которая обычно приводит к испусканию фотона. Лучшим кандидатом для объяснения в настоящее время считается явление, называемое оже-рекомбинацией, в которой вместо фотона генерируется электрон. В качестве возможного решения этой проблемы, по меньшей мере одна компания решила использовать GaN-на-GaN. |
Квантовый процесс, при котором генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар вызывают излучение фотонов, не всегда проходит гладко. После того, как ток достигает определенной величины, в результате рекомбинации вместо фотона, по-видимому, появляется еще один электрон.
Специализирующиеся на полупроводниках физики, работая со светодиодами, внимательно изучили несколько подозрительных процессов, полагая, что это может помочь им найти средство борьбы с увяданием. Главным кандидатом на сегодняшний день является оже-рекомбинация, названная в честь Пьера Виктора Оже (Pierre Victor Auger), французского физика двадцатого века.
Проблема увядания вышел на передний план, когда светодиодная стартап-компания Soraa, основанная изобретателем синего лазера и синего светодиода Сюдзи Накамурой (Shuji Nakamura), представила GaN-on-GaN (нитрид галлиевые) светодиоды на выставке Strategies in Light. Согласно Soraa, плотность дислокаций в их материале для светодиодов в 1000 меньше, чем в обычном карбиде кремния. Кроме того, их светодиоды, не проявляя увядания, могут работать в намного более жестких режимах (250 А/см2), чем традиционные светодиоды.
Одновременно Soraa, вместо того, чтобы публиковаться в отраслевой прессе или выпускать пресс-релизы с информацией о доступности продукции или ее цене, начала массированное наступление при поддержке деловых СМИ, включая The New York Times и The Wall Street Journal. GaN-on-GaN воспринимается серьезно, учитывая портфолио интеллектуальной собственности и команду специалистов Soraa, но рассуждать о том, какую нишу займет эта технология в светотехническом спектре, пока рано.
Ссылки
- IES TM-21-11: “Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources”
- Don Tuite, “High Brightness White LEDS Light The Way To Greener Illumination”
- Another test, LM-79, is an approved method for taking electrical and photometric measurements of solid-state lighting (SSL) products. It covers total flux, electrical power, efficacy, chromaticity, and intensity distribution and applies to LED-based products that incorporate control electronics and heatsinks, including integrated LED products and complete luminaires, but not to bare LED packages and modules, nor to fixtures designed for LED products but sold without a light source. Unlike traditional photometric evaluation, which involves separate testing of lamps and luminaires, LM-79 tests the complete LED luminaire because of the critical interactive thermal effects. While LM-79 doesn’t address product reliability or life, it does provide for the important calculation of complete luminaire initial efficacy.
- The EPA’s Energy Star TM-21 calculator can be downloaded at energystar.gov/TM-21calculator.
- “Understanding the Difference between Led Rated Life and Lumen-Maintenance Life”
- Jianzhing Jiao, “What’s The Difference Between Reactive Power Factor And AC-DC Supply Power Factor?”
- “A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker”
