Les tests standardisés pour les LED s'étendent aux luminaires
Les LED sont remarquablement durables et tombent rarement en panne de manière catastrophique. Un mode de défaillance plus probable est la disparition jusqu'à ce que la puissance lumineuse devienne impropre à l'usage prévu. La baisse de luminosité et le changement de couleur sont très progressifs, et des « durées de vie » potentielles des LED (le moment où l'appareil n'est plus adapté à son usage) supérieures à 50 000 heures sont possibles.
Les tests standardisés permettent aux fabricants de LED de fournir aux ingénieurs d'éclairage des estimations quantitatives de la durée de vie de leurs produits sans que les entreprises aient à passer par le processus trop long et peu pratique de tester les puces jusqu'à la défaillance.
La LED elle-même n'est qu'une petite partie d'un luminaire-à semi-conducteurs. Une fois incorporée dans un luminaire, le maintien de la lumière et de la couleur de la LED peut être affecté par des facteurs tels que la chaleur, les fluctuations de l'alimentation électrique et les contraintes mécaniques qui n'étaient pas présentes lors du test d'origine. Cependant, les ingénieurs d'éclairage ne disposaient d'aucun moyen standardisé pour tester la gravité de l'effet de ces facteurs et, par conséquent, d'aucun moyen d'améliorer la conception de leurs luminaires pour maximiser la durée de vie du produit.
La combinaison d'une procédure de test standardisée et d'une méthode permettant d'utiliser les données du test pour prédire la durée de vie des luminaires a maintenant été développée par le comité des procédures de test de l'Illuminated Engineering Society of North America (IESNA) et est en phase d'approbation finale. Cet article explique le fonctionnement de la méthode de test et prédictive et comment elle permettra aux concepteurs lumière d'améliorer la longévité de leurs luminaires.
Test des LED
Selon le ministère américain de l'Énergie, la durée de vie de l'éclairage est liée aux conditions de fonctionnement (par exemple, la température ambiante et le cycle de service), mais un utilisateur peut généralement s'attendre à ce qu'une ampoule à incandescence dure 1 000 heures et une ampoule halogène deux fois plus longtemps. Dans le cas des tubes fluorescents, la technologie du ballast influence fortement la durée de vie du produit ; avec un ballast bon marché, le tube peut durer 20 000 heures, voire 30 000 pour les types plus chers.
Bien sûr, les LED tombent également en panne. Parfois cet échec est catastrophique ; par exemple, la résine époxy utilisée pour encapsuler la puce peut surchauffer et se dilater, exerçant une pression sur les connexions collées du dispositif jusqu'à ce qu'elles cèdent. Les décharges électrostatiques (ESD) peuvent provoquer une défaillance immédiate de la jonction semi-conductrice de la LED. Une autre cause de défaillance catastrophique est la formation de moustaches métalliques, en particulier dans les environnements humides ou lorsque la LED est soumise à des contraintes mécaniques, qui pontent les conducteurs et provoquent un court-circuit.
Cependant, à condition que les LED soient alimentées et refroidies conformément aux recommandations du fabricant, les appareils ont tendance à être remarquablement durables et seul un petit pourcentage d'entre eux tombent en panne de manière catastrophique. Un résultat plus probable est que la LED s'estompe progressivement jusqu'à ce que sa puissance lumineuse devienne insuffisante pour l'usage pour lequel elle est destinée (définie par l'industrie de l'éclairage comme moins de 70 pour cent de sa puissance lorsqu'elle est neuve ou "L70").
Cela contraste avec l’éclairage traditionnel qui est beaucoup plus susceptible de tomber en panne de manière catastrophique. (L'éclairage traditionnel peut diminuer sa luminosité de 20 à 30 % au cours de sa durée de vie, mais les luminaires meurent généralement bien avant que le consommateur ne s'en aperçoive (Figure 1).)
Figure 1 : Courbes de maintien du flux lumineux pour l'éclairage traditionnel et les LED. Notez la tendance de l’éclairage traditionnel à échouer de manière catastrophique avant que la dégradation du flux lumineux ne soit remarquée.
La combinaison de relativement peu de pannes catastrophiques et d'une diminution extrêmement progressive du rendement lumineux signifie que des durées de vie potentielles des LED supérieures à 40 000, 50 000, voire 60 000 heures ne sont pas une attente déraisonnable.
Cependant, dans un environnement commercial, on ne peut pas s'attendre à ce que les fabricants soumettent leurs LED à un test d'une durée de six ans afin de prouver leurs allégations de longévité. Au lieu de cela, un test plus court, combiné à une extrapolation standardisée des tendances dérivées des données de test, est utilisé pour déterminer la durée pendant laquelle unLa LED durera. Les principaux fabricants de LED soumettent régulièrement leurs produits au test développé par l'IESNA et baptisé LM-80, "Méthode approuvée pour les tests de maintenance du flux lumineux des sources lumineuses LED".
Deux laboratoires basés aux États-Unis, le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et le National Institute of Standards and Technology (NIST), ainsi qu'un groupe de six fabricants de LED (dont OSRAM et Cree), ont produit un mémorandum technique (TM-21, "Projection du maintien du flux lumineux à long terme des sources lumineuses LED") pour définir un algorithme d'extrapolation pour les tests de maintien de la lumière en utilisant les données du LM-80.
L'algorithme ignore les données des 1 000 premières heures, mais les utilise des 5 000 dernières heures du test (ou des 50 % des données finales dans le cas de tests de plus de 10 000 heures (Figure 2)). Les données sont ensuite insérées dans un modèle d'extrapolation exponentielle à l'aide d'une méthode de courbe des moindres -carrés. Le L70l'extrapolation est alors le plus faible des L résultants70Temps ou six fois le temps de test LM-80. Par exemple, avec 6 000 heures de données de test LM-80, alors L70= 36 000 heures. Avec 10 000 heures de données de test LM-80, alors L70= 60 000 heures.1(Voir l'article TechZone"Déterminer la durée de vie nominale des LED : un défi délicat.")
Figure 2 : Exemple de données de test LM-80 utilisées pour L70extrapolation.
Les LED commerciales affichent un L impressionnant70résultats. Philips Lumileds affirme que sa LED blanche LUXEON Rebel, un appareil de 105 lm/W (à 350 mA) offrant une luminosité maximale de 226 lm (à 1 A), dépasse les exigences de maintenance des lumens d'Energy Star avec un L70chiffre supérieur à 36 000 heures (Figure 3).
Figure 3 : Résultats pour la LED LUXEON Rebel de Philips Lumileds à l'aide de la procédure de test LM-80 et de l'algorithme d'extrapolation TM-21.
Cree et OSRAM affirment que leurs appareils à haute-puissance, comme le XLamp XM-L2 du premier, une puce de 153 lm/W (à 700 mA), et l'OSLON SSL du second, une puce de 125 lm/W (à 350 mA), permettent aux fabricants de luminaires qui les utilisent de dépasser les normes Energy Star.
Limité aux LED
Le problème avec les méthodes de test actuelles est qu’elles testent uniquement la longévité de la LED elle-même. Ce sont des données utiles, mais lorsque la puce est intégrée à un appareil, de nombreuses autres erreurs peuvent se produire. L'alimentation électrique est une faiblesse potentielle, mais l'efficacité de la gestion thermique du produit est peut-être plus importante, car l'excès de chaleur est reconnu comme le principal « tueur » des LED.
Selon Cree, "la majorité des mécanismes de défaillance des LED dépendent de la température-. Des températures de jonction élevées entraînent une réduction du flux lumineux et une dégradation accélérée des puces."2
La principale cause de la décoloration d’une LED est due à la dégradation de la structure interne de la puce elle-même, et cette dégradation est aggravée par les températures élevées. En bref, l'efficacité quantique interne, une mesure du nombre de recombinaisons d'électrons-trous au niveau de la jonction de type n-/p-de la puce qui aboutissent à un photon émis d'une longueur d'onde visible, diminue à mesure que les dislocations dans la structure cristalline de la puce se multiplient. En effet, les dislocations encouragent une recombinaison non-radiative et, comme son nom l'indique, une combinaison non-radiative n'entraîne pas d'émission de photon.
Fabricants de puces LEDNous travaillons dur pour réduire le nombre de défauts dans les appareils neufs, mais les processus de fabrication des semi-conducteurs ne sont pas parfaits et il y aura toujours des défauts. Cependant, le facteur le plus important sous le contrôle de l'ingénieur concepteur et qui influence la longévité en réduisant la multiplication des dislocations est la température de jonction. (Voir l'article TechZone"Comprendre la cause de l'atténuation des LED à haute luminosité-.")
Un nouveau test pour les luminaires LED
Étant donné que les alternatives d'éclairage traditionnelles sont des produits matures, des données de durée de vie plus complètes sont disponibles pour ces produits et les consommateurs sont impatients de voir comment les LED se comparent. La bonne nouvelle est que les lampes à semi-conducteurs-sont susceptibles de briller dans une telle comparaison. La mauvaise nouvelle est que les fabricants sont confrontés au même problème que celui auquel ils ont été confrontés avec les puces eux-mêmes ; les tests jusqu’à l’échec prennent tellement de temps que cela n’est pas pratique.
Pour l'instant, les fabricants de produits de remplacement « immédiats » pour l'éclairage traditionnel font de leur mieux pour fournir des informations sur les performances à long terme de leur produit, en fonction des données relatives aux LED au cœur de leurs produits. En utilisant ces données de test pour déterminer la durée de vie d'unÉclairage LEDLe luminaire est un bon début, il ne fournira qu'une approximation en raison des autres facteurs qui peuvent raccourcir la durée de vie du luminaire.
LED Dynamics a présenté ce qu'elle prétend être le premier remplacement de tube fluorescent T8 à base de LED-disponible dans le commerce. L'appareil offre jusqu'à 1 900 lm avec une efficacité de 94 lm/W avec un indice de rendu des couleurs (IRC) de 85. Appelé EverLED-VE, le luminaire est disponible en températures de couleur standard de 4 000 et 5 000 K. La fiche technique de LEDdynamics indique qu'EverLED-VE a une durée de vie nominale de 10 ans et que les consommateurs doivent s'attendre à une défaillance de zéro pour cent pendant leur durée de vie nominale.
De même, ROHM Semiconductor propose une solution de remplacement-pour les ampoules à incandescence, la R-B15L1 (Figure 4). L'ampoule produit 550 lm pour une consommation électrique de 8 W (pour une efficacité de 69 lm/W). Le R-B15L1 fonctionne directement à partir d'une alimentation de 100 VCAentrée, et ROHM revendique une « durée de vie » de 40 000 heures.
Figure 4 : Le R-B15L1 de ROHM offre une durée de vie revendiquée de 40 000 heures.
Ce qu'il nous faut réellement, c'est une méthode de test-standard de l'industrie pour quantifier la durée de vie de n'importe quel luminaire LED. L'IESNA a répondu à cette demande en adoptant une approche similaire à celle utilisée pour tester les LED autonomes. La procédure de test résultante, LM-84 "Lampes LED, moteurs et luminaires Test de maintenance des lumens et des couleurs", est dans sa phase d'approbation finale avec le comité IESNA.
Le document décrit les procédures requises pour obtenir des mesures uniformes et reproductibles de maintien de la lumière et de la couleur dans des conditions de fonctionnement standard d'une température ambiante de 25 ± 5 degrés et d'un cycle d'éclairage de 11 heures allumées, 1 heure éteintes.
Cependant, le LM-84 ne racontera pas toute l'histoire. Comme son homologue LM-80, le LM-84 fournit uniquement des données sur la façon dont la couleur et la luminosité du luminaire sont maintenues sur une période relativement courte. Malheureusement, il ne fournit aucune orientation ni aucune recommandation concernant les estimations prédictives ou l'extrapolation du maintien de la lumière ou de la couleur au-delà des limites des mesures réelles.
Compatissant avec la nécessité de prédire la durée pendant laquelle un luminaire LED sera réellement adapté à son usage, l'IESNA progresse vers une approche qui combinera les données de test LM-84 sur les luminaires avec un nouveau document TM-28 qui normalise les méthodes de projection des données mesurées sur des périodes (beaucoup) plus longues. L'approche est parallèle à la façon dont le LM-80 et le TM-21 sont utilisés pour prédire lesLumière LEDet l'entretien des couleurs.
Les principes de base du TM-28 sont probablement les mêmes que ceux du TM-21. La projection sera basée sur les données de test moyennes, en excluant les unités testées qui cessent de fonctionner pendant le test ; la base mathématique utilisée dans le TM-28 ne s'écartera pas de celle du TM-21, et la longueur de la projection doit être basée sur une taille d'échantillon et un niveau de confiance qui ont un sens pratique.
L’un des problèmes auxquels le comité est confronté est le manque de données. Lorsque le TM-21 a été développé pour les LED, il existait au moins 40 ensembles de données de ce type, certaines concernant des LED testées pendant plus de 10 000 heures, qui pouvaient être utilisées pour évaluer la base mathématique du TM-21. Les données de test comparables sur les luminaires LED sont largement indisponibles.
Une solution envisagée consiste à refléter les exigences du LM-80 pour 6 000 heures (ou plus) de tests et à utiliser le même algorithme pour la projection de maintien des couleurs et de la luminosité. Cela laisse ouvert la question de savoir si les données des lampes LED testées avec moins de 6 000 heures peuvent encore être utilisées pour faire des projections. L'industrie souhaite réduire la durée et le coût de ces tests et il existe un précédent : Energy Star autorise l'utilisation de données de test de lampes LED de 3 000 heures pour la pré-qualification.
Le groupe de travail TM-28 a comparé les données de test LM-80 de 3 000 et 6 000 heures pour les LED et a conclu qu'il existe une corrélation suffisante entre les deux pour faire des projections de durée de vie raisonnables à partir de données de 3 000 heures. Les algorithmes utilisés pour projeter à partir de ces données sont similaires à ceux décrits dans TM-21, mais en raison de la durée plus courte du test, une utilisation plus conditionnelle de la méthode de projection sera ajoutée.3
Quelle est la prochaine étape pour les tests d'éclairage-à semi-conducteurs ?
Une fois publiés, les documents LM-84 et TM-28 seront utilisés ensemble pour les luminaires à LED de la même manière que LM-80 et TM-21 ont été utilisés pour les LED autonomes. Les nouveaux documents permettront à l'industrie de l'éclairage à semi-conducteurs d'adopter une approche standardisée pour définir le maintien de la couleur et du flux lumineux de leurs produits, aidant ainsi les consommateurs à établir comment l'éclairage LED se compare à l'éclairage traditionnel.
Cependant, parce queÉclairage LEDest une industrie loin-d'être-matures, il reste encore du travail à faire. D'autres normes et méthodes d'essai se concentrent sur des types et caractéristiques de produits spécifiques. Le document SSL 7A-2013 de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA), basée aux États-Unis, "Gradation à coupure de phase-pour l'éclairage à semi-conducteurs- : compatibilité de base," répond à un problème clé pour l'éclairage à semi-conducteurs-en fournissant des exigences de compatibilité pour l'utilisation de produits LED à intensité variable et de gradateurs à coupure de phase avant-(le type le plus courant).4
L'IESNA reste également occupée. La prochaine étape sera probablement le LM-85 »Méthode approuvée par l'IES pour les mesures électriques et photométriques des LED haute-puissance," qui concerne les mesures des LED haute-puissance qui nécessitent un dissipateur thermique pour un fonctionnement normal, et comprend des LED blanches ainsi que des LED-unicolores. Ensuite, il y a le TM-26 "Projection de la durée de vie nominale des boîtiers LED", qui prendra le TM-21 L70informations sur la maintenance du flux lumineux un peu plus loin en augmentant la taille de l'échantillon et en incluant les défaillances catastrophiques dans le calcul pour parvenir à une définition réelle de la « durée de vie nominale des LED » plutôt que simplement de la « durée de vie du flux lumineux ».
https://www.benweilight.com/lighting-tube-ampoule/18w-3000k-6ft-led-tube.html
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