Problemy z trwałością LED

Co to jest trwałość LED?
Trwałość LED, tak jak i innych źródeł światła, jest to liczony w godzinach czas świecenia lampy (w określonych warunkach), w którym zachowuje ona odpowiednie właściwości użytkowe. W przypadku LED, podobnie jak dla świetlówek i innych lamp wyładowczych, które nie wygasają jak żarówki w sposób gwałtowny, podstawowym kryterium określenia trwałości jest czas, w którym zachowana jest odpowiednia wartość strumienia świetlnego. „Odpowiednią wartość” określa się zwykle w % wartości początkowej. Dla świetlówek i innych lamp wyładowczych wartość strumienia świetlnego przyjmuje się na poziomie od 70% do 90%. Podobnie określana jest trwałość LED. Najczęściej, trwałość LED jest określana jako czas świecenia w okresie, którego strumień świetlny nie spadnie poniżej 70% wartości początkowej. Tak definiowaną trwałość oznacza się symbolem L70. Można również spotkać się z symbolem L50 co należy odczytywać, jako trwałość określaną dla okresu, w którym strumień świetlny nie spadnie poniżej 50% wartości początkowej. Oczywiście bezwzględna wartość trwałości deklarowana w drugim przypadku będzie większa, co jednak nie oznacza, że dany wyrób jest lepszy bowiem przyjęto dla niego znacznie łagodniejsze kryteria oceny. Optymalnym rozwiązaniem dla użytkownika (projektanta) byłoby podawanie przez producenta wartości zachowania strumienia świetlnego w funkcji czasu świecenia.

Podane wyżej rozważania na temat trwałości definiowanej poprzez współczynnik zachowania strumienia świetlnego, to jednak tylko część właściwości źródeł światła, w tym LED, określających ich trwałość. Ta cecha odnosi się bowiem do poszczególnego wyrobu. Z punku widzenia użytkownika istotna jest nie tylko deklarowana trwałość indywidualnego źródła światła lecz równie ważna jest informacja, jaki odsetek źródeł światła osiąga tak deklarowaną trwałość L, bądź jaki procent źródeł światła może ulec uszkodzeniu przed osiągnięciem czasu L. W tej ocenie lampy, których spadek strumienia świetlnego jest większy niż deklarowany należałoby zaliczyć do uszkodzonych. To inne spojrzenie na trwałość można określać albo poprzez tzw., współczynnik trwałości (stosowany głównie dla świetlówek i innych lamp wyładowczych), podający odsetek lamp, które po czasie L nadal zachowują właściwości użytkowe lub poprzez tzw. współczynnik uszkodzeń (stosowany częściej w przypadku LED) określający procent uszkodzonych LED w określonym czasie eksploatacji np. czasie deklarowanej trwałości L. Taki współczynnik uszkodzeń może być np. określany symbolem Fy, gdzie y może wynosić 10 lub 50, co należy czytać jako odpowiednio 10% lub 50 % możliwych uszkodzeń LED w czasie deklarowanej trwałości Lx.

Przy porównywaniu trwałości LED różnej konstrukcji lub różnych producentów, należy więc uwzględniać kryteria i warunki określane przez producentów. Trwałość może zmieniać się dla różnych rodzajów LED w różnym stopniu w zależności od warunków pracy (wilgotność, temperatura), wartości prądu.

Poniżej przedstawiono dane dotyczące trwałości L70, w podziale na ich rodzaje, które spotyka się w literaturze i w ofertach producentów diod.

• LED wytwarzające światło barwy czerwonej – ok. 150 tys. godz.
• LED wytwarzające światło barwy żółtej – ok. 125 tys. godz.
• LED wytwarzające światło barwy pomarańczowej – ok. 250 tys. godz.
• LED wytwarzające światło barwy zielonej, niebieskiej i białej – ok. 30-70 tys. godz.

Trwałości te dotyczą optymalnych wartości pracy diody uzyskiwanych w warunkach laboratoryjnych, które różnią się od rzeczywistych spotykanych w sprzęcie oświetleniowym.

W jaki sposób testuje się LED w celu wyznaczenia trwałości?
Trwałość LED praktycznie nie zależy od cyklu pracy i liczby włączeń. Przeprowadzenie pełnego badania trwałości LED sprawia kłopot ze względu na ich długi czas świecenia. Nawet przy pracy 24 godziny na dobę sprawdzenie LED przez 50 tys. godzin zajęłoby 5-7 lat, a wnioski uzyskane po jego ukończeniu sprawdzane byłyby mało przydatne z uwagi zmiany w konstrukcji LED, jakie zaszły by w tym czasie. Z powyższych względów obecnie badania trwałości LED lub modułów LED prowadzi się w dwóch etapach:

Etap I
LED lub moduł LED jest poddawany testowi przy prądzie i/lub napięciu znamionowym przez 1000 godzin (okres wygrzewania i stabilizacji). Jest to konieczne, ponieważ dla większości LED strumień świetlny wzrasta w ciągu pierwszych 1000 godzin pracy.

Etap II
LED włączona pracuje przez kolejne 5000 godzin. Wartość strumienia świetlnego zmierzonego po okresie wygrzewania (1000 godzin pracy) przyjmowana jest, jako wartość początkowa (odniesieniowa). Pomiary wykonane między 1000 a 6000 godzin pracy są porównywane z poziomem początkowym (dla 1000 godzin). Jeśli w ciągu tych 6000 godzin strumień nie spadnie poniżej wartości 70% początkowego strumienia świetlnego (dla zastosowań w oświetleniu ogólnym), dokonuje się ekstrapolacji na podstawie uzyskanych danych. Daleka ekstrapolacja może być przeprowadzona tylko dla czasu będącego ok. 6-krotnością czasu testowego, czyli 36000 godzin.

Dzięki tej metodzie możliwe jest weryfikowanie deklarowanych dłuższych czasów trwałości. Inna propozycja wyznaczania trwałości dyskutowana jest obecnie w ramach IEC. Wprowadza ona ocenę trwałości LED na podstawie pomiarów strumienia świetlnego w czasie pracy przy trzech temperaturach 550C, 850C oraz temperaturze określonej przez producenta.

Temperatura mierzona jest w punkcie pomiarowym na module LED, który wskazany jest przez producenta. Pomiary strumienia świetlnego wykonuje się dla 20 sztuk LED, w czasie co najmniej 6000 godzin. Przewidywaną trwałość LED ekstrapoluje się na podstawie wykonanych pomiarów spadku strumienia świetlnego, pod warunkiem, że spadek strumienia świetlnego jest mniejszy niż 30% wartości początkowej. Podstawą dla tej metody jest ścisła zależność trwałości (spadku strumienia świetlnego) LED od temperatury występującej na złączu.

Co wpływa na trwałość LED?
Główną przyczyną spadku strumienia świetlnego i skrócenia trwałości LED jest ciepło wytwarzane na złączu półprzewodników (złącze „p-n”). W celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy LED, ciepło ze złącza „p-n” musi zostać odprowadzone na drodze przewodzenia lub konwekcji np. za pomocą elementów dobrze przewodzących ciepło i wentylatorów. Do odprowadzenia ciepła ze złącza stosuje się radiatory i wentylatory. Przy braku zastosowania odpowiednio zaprojektowanego radiatora lub wentylacji temperatura diody wzrasta, a ciągła praca w wysokiej temperaturze spowoduje trwałe obniżenie strumienia świetlnego (skuteczności świetlnej) i trwałości LED. Skrócenie trwałości LED może również nastąpić w wyniku nieodpowiedniego zasilania. Na przykład zasilanie LED wyższą wartością prądu zasilającego niż wartość znamionowa, prowadzi do podwyższenia temperatury złącza a tym samym do skrócenia trwałości. Stosowanie odpowiednio dopasowanych układów zasilających oraz radiatorów (zalecanych przez producentów LED) zapewnia uzyskanie znamionowej trwałości.

Zobacz pełną treść FAQ LED