Villanyszerelők Lapja

Világítástechnika

A LED-es fényforrások és világítótestek élettartama

LED-ek a világítástechnikában II.

2017. szeptember 10. | Tóth László okl. villamosmérnök |  3054 | |

A LED-es fényforrások és világítótestek élettartama

A korszerű, LED-es világítástechnikai megoldások nagyon sok előnyt nyújtanak a korábbi technológiákkal összehasonlítva.

Bár a hagyományos izzólámpák és halogénlámpák tökéletes színvisszaadással rendelkeznek, de energiahatékonyságuk, helyesebben a fényhasznosításuk és 1000-3000 órás élettartamuk is messze elmarad a LED-ekéhez képest. A fénycsövek és kompakt fénycsövek élettartama már egy nagyságrenddel magasabb, de hátrányuk, hogy higanyt tartalmaznak, és működési elvükből adódóan bemelegedésük, a bekapcsolás utáni fényáram-felfutásuk, viszonylag lassú, fényáram-szabályozásuk kissé bonyolult és korlátos, érzékenyek a gyakori kapcsolgatásra stb. A nagynyomású gázkisülő fényforrások (fémhalogénlámpák, nátriumlámpák) professzionális alkalmazási területére is betörtek a LED-ek, köszönhetően fényhasznosításuknak, fényáram-stabilitásuknak, élettartamuknak, szabályozhatóságuknak és sok más előnyüknek. A sportvilágítás 1000-2000 wattos gázkisülő fényforrással szerelt lámpatestei sem kivételek, bár itt a váltás még gyerekcipőben jár. Ebben a teljesítménytartományban az energiahatékonyságbeli különbségek még nem élesek, a korszerű TV-közvetítés feltételei hagyományos fényforrással is teljesíthetők, a LED-es kiváltások tömeg- és térfogatproblémái megnehezítik az 1:1-es kiváltást. Viszont a LED-eknek van egy nagy előnyük a gázkisülő fényforrásokkal szemben: feszültségkimaradás esetén azonnal képesek visszakapcsolni, míg a másiknak hosszú percekre, típustól függően akár negyedórán túli időre is szüksége van, hogy visszahűljön és újragyújtható legyen. Ezenkívül megfelelő tervezéssel élettartamuk és fényáram-stabilitásuk felülmúlja a gázkisülő elven működő megoldásokat. Előző cikkünkben a LED-ek fényhasznosítását taglaltuk. Most, az előbb említett két fogalomról, a LED-ek élettartamáról és fényáram-stabilitásáról, illetve a kettő kapcsolatáról ejtünk szót.

LED-ek esetén az élettartam és a fényáram-stabilitás fogalma szoros kapcsolatban áll egymással. Ennek oka, hogy általános esetben, a legjellemzőbb hibamód a fényáram elfogadhatatlan szintre való csökkenése. Tradicionálisan a szakma, a szabályozások és a szabványok ezt a szintet a kezdeti fényáram 70%-ában állapították meg és L70-nel jelölik. De nem minden alkalmazási helyzetben tekinthető az L70 elfogadhatónak, így műszaki és marketing dokumentumokban, követelményrendszerekben találkozhatunk L80, L85, L90-es értékekkel is. Egyes szakirodalmak – és ez az eredeti írásmód – a számértékeket alsó indexbe teszik (pl. L70), de az értelmezésük azonos.

Fényáram-stabilitás

A Világítástechnikai Társaság (VTT) tagjaként sokszor beszélgettem tagtársaimmal a fényforrásokkal és világítótestekkel kapcsolatos ismeretek terjesztésének fontosságáról. Többen egyetértettünk abban, hogy a fényáram-stabilitás az egyik olyan téma, ahol fogalomtisztázás szükséges. Jelen cikkem lektora, Schwarcz Péter, a VTT egyik alelnöke szintén az ügy támogatója. Számunkra fontos, hogy a fogalmakat, műszaki kifejezéseket mind a gyártói-forgalmazói, mind pedig a vásárlói-felhasználói oldalon egyformán alkalmazzák és értelmezzék.

A teljes rendszer fényáram-csökkenésének elsődleges oka a beépített LED-ek (értsd, mint chipek vagy tokozott LED-ek) degradációja. Ezen felül lehetnek egyéb degradációs és mechanikai okok is. Például az optikai feladatot ellátó műanyag alkatrészek, lencse, diffúzor, búra öregedése, elszíneződése. Szintén a fényáramot csökkentik a különböző anyagok, elsősorban szennyeződések lerakódása, rossz anyagok és technológiák alkalmazása esetén, akár a világítótesten belül, a szerves anyagok kipárolgása. Előfordulhat egy érdekes visszacsatolás is, amikor rossz forrasztásból, csavar- vagy más mechanikai kötésből – például elengedő ragasztott kötésből – adódóan a LED-ek hűtése az üzemeltetés során leromlik, és mivel a LED-ek fényárama hőmérsékletfüggő, a várt természetes degradáción túli fényáram-csökkenés és színeltolódás alakul ki, és a LED-ek akár meg is hibásodhatnak. Egy LED-mátrixban, amikor több chip együtt szolgáltatja a termék teljes fényáramát – és ez a tipikus felépítés – a chip-egyedek működésképtelenné válása is arányosan fényáram-csökkenéshez vezet. Erre mutat példát az 1. kép.

1. kép: Ez a LED-es szpotlámpa még működőképes, de egy LED már nem működik, ezáltal a fokozatos fényáram-csökkenésen túl máris több, mint 2%-ot veszít a fényáramából.

Nézzük meg a tokozott LED-ek fényáram-tartását közelebbről. A két fő, a fényáram-tartást befolyásoló faktor a működési hőmérséklet és a nyitóirányú üzemi áram. A félvezető kristályszerkezetében lassan bekövetkező, a hatékonyságot csökkentő hibák számát mindkettő növeli, ezáltal a nyitóirányú feszültség enyhén emelkedik, a szivárgási áram nő, a fénykeltés képessége pedig fokozatosan csökken. A fénypor, amely a chip kék fényét fehérré konvertálja, szintén degradálódik, ugyanúgy, mint a nagy teljesítményű LED-eket fedő szilikonlencse.

A LED-chipek, tokozott LED-ek, LED-mátrixok és LED-modulok gyártói jellemzően egységes módon, az IES LM-80-08 jelzetű eljárás szerint vizsgálják termékeiket és teszik közzé a vizsgálati eredményeket. Több hőmérsékleti és nyitóirányú áramérték mellett statisztikailag szükséges mennyiségű mintát több ezer, jellemzően 6-10 ezer órán keresztül vizsgálnak és rögzítik a fényáram-, a színkoordináták és a nyitóirányú feszültség-értékeinek változását.  A 2. kép a fényáram-változás jellegét mutatja be az idő függvényében.

2. kép: Egy nagy teljesítményű LED-típus átlagos fényáram-tartása LM-80 szerinti laboratóriumi vizsgálatok alapján.

A grafikon egy adott nyitóirányú áram – jelen esetben 700 mA – esetén mutatja a változást a vizsgált 1–10 000 óra tartományban. Az azonos színű pontok egy-egy 25 db-os mintakészlet átlagát mutatják. A Ts a forrasztási pont hőmérsékletét jelöli. Amint látható, a fényáram mért pontjai az első párezer óra alatt még enyhe emelkedést is mutathatnak. Ebből is látszik, hogy ha 2-3 ezer óra vizsgálatból próbálnánk hosszabb távra következtetni, hatalmas öngólt rúghatnánk. Tévesen még azt is sejthetnénk, hogy a fényáram több tízezer óra alatt tartósan stagnálna, vagy akár emelkedne is. Az ilyen potenciális bakikat kiküszöbölendő, a világítástechnikai szakma szereplői, szervezetei jellemzően az IESNA egy másik eljárását, a TM-21-11 jelzetűt alkalmazzák hosszabbtávú becslésekre. A metódus egyaránt alkalmazható a már az LM-80 által lefedett termékekre, pl. LED-modulokra, valamint LED-es fényforrásokra és világítótestekre is. Az LM-80-as riport és a vizsgált tárgy tényleges hőmérsékleti és villamos mérésiből az előírt számítási eljárással több tízezer órás becsléseket végezhetünk. Például a kiválasztott és LM-80 riporttal rendelkező LED típust egy világítótestbe beépítve, ismerve a LED tényleges üzemi áramát és hőmérsékletét, a hosszú távú fényáram-tartás a TM-21 szerint kiszámítható. De ahogy már említettük, egy valós alkalmazásban más hibamódok és degradációs okok is felléphetnek. Ezeket valószínűségük és súlyosságuk alapján kell figyelembe vennünk vagy elhanyagolnunk. A TM-21 eljárás kidolgozásakor nagyon sok típus nagyon sok adatát vizsgálták, és arra a következtetésre jutottak, hogy a nagy szórás és bizonytalanság miatt a TM-21 szerint jelentés az LM-80 által lefedett időtartam maximum 6-szorosára adható ki. Például egy 6 ezer órás LM-80 jelentésből maximum 36 000 órára adhatunk ki TM-21 szerinti fényáram-tartási jelentést. Ezt angol nyelvű irodalomban „reported lumen maintenance”-nek nevezik. Ettől függetlenül az adatok birtokában ennél sokkal hosszabb távra is kivetíthetjük becslésünket, de tisztában kell lennünk azzal, hogy a becslés pontossága erősen romlik. Az így kapott értéket nevezik az angol irodalomban „calculated vagy projected lumen maintenance”-nek. A 3. kép egy nagy teljesítményű LED fényáram-projekcióját mutatja.

3. kép: TM-21 szerinti fényáram-tartás. Relatív fényáram az üzemidő függvényében különböző forrasztásipont-hőmérsékletek esetén.

A 6-szoros extrapoláción túli becslést a szakma gyakorta alkalmazza. Rendszeresen, elsősorban a professzionális alkalmazásokra készült világítótestek esetén találkozhatunk 100-200 ezer óra feletti L80-ra, L85-re, vagy L90-re vonatkozó állításokkal. Nem feltétlenül kell valamiféle szélhámosságot sejtenünk a háttérben. A becsületes gyártók elvégzik az adott matek szerinti extrapolációt, és ha indokolt, pár százalék csökkenést még hozzátesznek egyéb degradációs okok lefedésére és közzéteszik az eredményeket. A közlés módja viszont néhány játékos esetén már néha a zavarba ejtő és a szakmán belül is vitákra adhat okot. Menjünk bele egy kicsit a részletekbe.

LED-es termékek élettartamának közlése

Az élettartam publikálására különböző szabványok és rendeletek adnak iránymutatást. Ilyen például az Európai Bizottság 1194/2012/EU rendelete, amely a lámpaélettartamra a következő definíciót adja.

„Az a működési időtartam, amely után a meghatározott feltételek és be- és kikapcsolási gyakoriság mellett továbbra is üzemképes lámpáknak az összes lámpához viszonyított aránya megegyezik a lámpaélettartam-tényezővel. LED-lámpák esetében a lámpaélettartam azt a működési időtartamot jelenti, amely a lámpa működtetésének megkezdésétől addig az időpontig tart, amikor az összes lámpának már csak 50%-a üzemképes, vagy – ha ez előbb következik be – amikor a lámpák átlagos fényáram-stabilitása 70% alá csökken”

A másik forrás, a LED-modulok működési jellemzőire vonatkozó IEC 62717 jelzésű szabvány. A szabványok szerzői jogvédelem alatt állnak, belőlük ide nem másolhatok ki tartalmat, de bizonyos fogalmakat és eljárásokat nem a szabványosítók találtak ki, hanem a már a szakmában létezőket tisztáztak le és konszolidáltak. Az élettartam végét jelentheti parametrikus hiba (egy műszaki paraméter, a mi esetünkben a fényáram-csökkenés) vagy hirtelen meghibásodás (teljes üzemképtelenség). Ha például egy LED-mátrixból egy LED üzemképtelen lesz, de a többi világít, a világítótest, amelybe beépült még üzemképes. A 4. kép a definíció szerinti három állapotot értelmezi.

4. kép: Világítótest fényárama az élettartam különböző állapotaiban.

A szabvány szerint az Lx élettartam az az időtartam, amely alatt egy LED-modul egyed (tágabb értelemben lehet a fényforrás vagy világítótest) a kezdeti fényáramának legalább x százalékát bocsájtja ki. Ha nem egy vizsgálati egyed, hanem egy populáció – pl. a teljes forgalomba kerülő mennyiség, vagy gyártási sorozat – fényáram-csökkenésére akarunk állítást tenni, általánosságban az LxBy kifejezést használjuk. A jelentése a következő: az az időtartam, amíg a működőképes populáció y százalékának fényárama a kezdeti fényáram x százaléka alá csökken. Például az L70B10=50 000 óra azt jelenti, hogy 50 000 óra működés után a termékek 10%-ának a fényárama várhatóan a kezdeti érték 70%-a alá fog csökkenni. A B50 érték egy kitüntetett érték és közepes (idegen szóval medián) hasznos élettartamnak nevezzük, ebben az esetben a B50 el is hagyható, tehát például az L70 önmagában az L70B50-nel egyenértékű kifejezés. Fontos tudni, hogy a szabvány szerint az LxBy érték meghatározásánál az üzemképtelen termékeket nem vesszük figyelembe és az LxBy csak a fokozatos fényáram-csökkenésre alkalmazandó. Hely hiányában, sajnos, ebben a cikkben nem tudom kifejteni, de a jelenlegi, széles körben alkalmazott prediktív statisztikai módszerek, ahogy a TM-21 is, csak a becslés középértékére, azaz B50-re tudnak jól közelítést adni. Például egy megalapozott L80 (azaz L80B50) állítás számomra sokkal hihetőbbnek tűnik, mint egy L90B10
A teljes üzemképtelenség leírására a Cy használatos. Azt az időtartamot fejezi ki, amely alatt egy populáció y százaléka üzemképtelenné válik. Például a C10 azt az időtartamot jelöli amikor a termékek 10%-a úgy hibásodik meg, hogy egyáltalán nem bocsájt ki fényt.

LED-lámpák esetén, a fokozatos degradáció és a hirtelen meghibásodás kombinációjának kifejezésére az MxFy páros szolgál. MxFy jelöli azt az időtartamot, amíg egy populáció y százaléka vagy teljesen üzemképtelen, vagy nem képes a kezdeti fényáram x százalékának előállítására. Például az MxFy=L70F10 azt az időtartamot jelenti, amely alatt a lámpák 10%-a vagy teljesen meghibásodik, vagy nem képes a kezdeti fényáram 70%-ának előállítására. Az y=50 kitüntetett érték esetén a LED-lámpa közepes élettartamáról (Mx) beszélünk.

Világítótestekre az Lx illetve az LxBy, valamint LED-lámpákra a közepes élettartam kifejezések már igen elterjedtek, sok gyártói-forgalmazói műszaki és marketing anyagban találkozhatunk velük, de a többi fogalom ismerete is ajánlott. Az Mx szabványi definíciója összhangban van a már említett 1194/2012/EU rendelettel, amely alapján a forgalmazó köteles a névleges lámpaélettartamot a lámpa csomagolásán feltüntetni és szabadon hozzáférhető internetes oldalon megjeleníteni. Ez az érték tehát nem más, mint a közepes lámpaélettartam x=70 értéknél: az az időtartam, amikor egy kellően nagy minta (populáció) 50%-a vagy teljesen üzemképtelenné válik, vagy fényárama a kezdeti érték 70%-a alá csökken.

Egyéb hibamódok

A LED-es lámpák és világítótestek komplex rendszerek, több hibamód versenyez párhuzamosan egymással, de vizsgálatokon, statisztikai analízisen alapuló megfelelő tervezéssel és technológiák alkalmazásával valószínűségük észszerűen csökkenthető, akár elenyésző szintre redukálható, vagy legalábbis megismerhető és a rendszer meghibásodása hosszabbtávon is jól becsülhetővé válhat.

A már tárgyalt fényáram-csökkenésen túl a LED-es termékek élettartamának fő befolyásoló tényezőit az 5. kép mutatja be. Amint látjuk, a különböző faktorok nem csak közvetlenül, de egymáson keresztül is hatnak a megbízhatóságra.

5. kép: Az élettartamot befolyásoló főbb tényezők

A LED, mint félvezető alkatrész már önmagában is egy komplex rendszer, a félvezető kristályban rejtőző gyártási hibák, a villamos kötések, kapcsolódások (például a mikrohuzalozás) problémái, a tokozási hibák, mind egy későbbi meghibásodás forrásai lehetnek. Ezeknek a hibáknak az előfordulási valószínűsége szerencsére igen alacsony, a komoly gyártók mindent elkövetnek a kizárásukra. De az is előfordulhat, hogy a LED-modul, LED-lámpa, vagy világítótest gyártásakor az elektrosztatikus védelem (ESD) hiánya vagy elégtelensége generál a LED-ekben kifejlődő hibát. Tervezési problémák eredményeként túlterheléses hibák is előfordulhatnak, mind a hőmérséklet, mind pedig a nyitóirányú áram határértéken túli értéke katasztrofikus vagy gyorsan kifejlődő hibákat eredményezhet.

A villamos csatlakozások problémái közül hármat szeretnék kiemelni. Az egyik az elégtelen forrasztás, amelyre „igénytelen” termékekben néha szabad szemmel is láthatunk példát, a 6. képen egy ilyen látható.

6. kép: „Noname” példa egy távol-keleti világítástechnikai vásárból. Az elégtelen forrasztás valószínűleg korai meghibásodást okozott volna, de egy másik, szintén igénytelenségből adódó hibamód „beelőzte”.

A másik hibaok az elektrokémiai korrózió, amikor a rossz anyagpárosítás miatt a villamos kötés apró galvánelemként működhet. Illetve a rázásnak, rezgéseknek kitett világítótestekben a villamos kötések helytelen kialakítása, rossz technológia, alkatrész- vagy anyagválasztása szintén problémákhoz vezethet.

A megfelelő hűtés több szempontból is fontos. Egyrészt, amint láttuk, a hőmérséklet befolyásolja a fényáram-csökkenést és szélsőséges esetben katasztrofális hibához is vezethet, de a magasabb üzemi hőmérséklet kedvezőtlenül hat a LED fényhasznosítására is. Az elektronikák, elsősorban amelyek elektrolit-kondenzátort tartalmaznak, szintén érzékenyek a hőmérsékletre. Azzal a feltételezéssel, hogy az elektronika hőmérséklet szempontjából legkritikusabb alkatrésze az elektrolit-kondenzátor, ökölszabályként mondhatjuk, hogy minden 10 °C emelkedés felezi az élettartamot. A ciklikus napi időjárási és ki-bekapcsolási hőmérsékletingadozás is kihozhat rejtett forrasztási és egyéb villamos kötési hibákat, amelyek nagy átmeneti ellenállást, vagy szakadást eredményezhetnek.

Az elektronikák hőmérsékletfüggését már említettem, de emellett egy adott és általános esetben nagyon kicsi valószínűséggel egyéb hibák is előfordulhatnak. Az Amerikai Energiaügyi Minisztérium (DOE) egyik tanulmánya szerint a vizsgált meghibásodott világítótestek felénél a meghajtó-elektronika ment tönkre. Az elektronikai hibák javarésze termikus okokból következik be és előre becsülhető. A professzionális LED-meghajtó gyártók publikált adatai alapján tipikus kültéri világítótestek esetén, 100 000 üzemóra alatt a LED-meghajtók kb. 5-10%-a hibásodik meg. Ezt a jótállási feltételek kidolgozásakor, specifikáció készítésekor, vevői és felhasználói követelmények kidolgozásakor figyelembe szokták venni.
Az optikai anyagok, elsősorban a lencsék degradációját már említettem, ennek kémiai, sugárzási, mechanikai, szennyeződés-lerakódási okai lehetnek. A fénytörő alkatrészeken túl a fényvisszaverő elemek is sérülhetnek: a reflektorok mattulhatnak, az vákuumgőzöléses (aluminizált) reflektorok fényvisszaverő rétege leválhat.

Környezeti hatásként, a hőmérsékleten túl, számításba jöhetnek a korrozív anyagok, por, pára, nedvesség, rezgés, ütés, UV-sugárzás stb. Az előírt üzemeltetési-határértékek túllépése lassú vagy hirtelen meghibásodást eredményezhet. Kültéri alkalmazásra tervezett világítótestek esetén megfelelő szintű lökőfeszültség elleni védelemről is gondoskodni kell. Egy villámcsapás által a hálózati vezetékekben indukált és tovaterjedő impulzus akár tömeges meghibásodást is okozhat.
A mechanikai hibák száma és fajtája szinte végtelen lehet, de megfelelő tervezéssel, technológiákkal a hatás minimalizálható. Ide sorolhatók a mechanikai kötések hibái, elégtelen statikus és dinamikus méretezés, gyenge rázás- és ütésállóság, korrózió, kifáradásos hibák. A tömítések öregedése a por és víz elleni védettségre van negatív hatással.

Összefoglalva

A legjellemzőbb, teljes üzemképtelenséget okozó hibamód a LED-meghajtó meghibásodása. A legtipikusabb parametrikus hiba pedig a fényáram-határérték alá való csökkenése. Megfelelő körültekintéssel a professzionális gyártók képesek gondoskodni a többi hibamód elhanyagolható szintre való csökkentéséről. Vannak „kvázi ingyen” fejlesztési lehetőségek, például a megfelelő gyártási és minőségirányítási kultúra megteremtése, de nem szabad megfeledkezni a tényről, hogy a minőségi anyagok, alkatrészek, termelő- és vizsgálóeszközök alkalmazása extra költséggel jár. De minden termék megtalálja a maga vevőjét, mert a különböző vevői és felhasználói körök eltérő fizetési hajlandósággal rendelkeznek, cserébe eltérő megbízhatóságot kapnak. Így a törvényi szabályozások esetleges szigorodásától eltekintve, az elérhető termékek választéka, az élettartamukat és alkalmazhatóságukat tekintve, várhatóan széles marad.

LED