LED の標準化試験が照明器具にも適用される
LED は非常に耐久性があり、致命的な故障はほとんどありません。より可能性の高い故障モードは、光出力が意図した目的に適さなくなるまで消えていきます。輝度の低下と色の変化は非常に緩やかで、LED の「寿命」(デバイスが目的に適さなくなる時点) が 50,000 時間を超える可能性があります。
標準化されたテストにより、LED メーカーは、チップが故障するまでテストするという非現実的に長いプロセスを経ることなく、照明エンジニアに自社製品の寿命の定量的な推定値を提供することができます。
LED 自体は固体照明器具の小さな部品の 1 つにすぎません。-器具に組み込まれると、LED のルーメンと色の維持は、元のテストでは存在しなかった熱、電源の変動、機械的ストレスなどの要因によって影響を受ける可能性があります。しかし、照明エンジニアには、これらの要因の影響がどれほど深刻であるかをテストする標準化された方法がなかったため、製品の寿命を最大限に延ばすために器具の設計を改善する方法がありませんでした。
標準化されたテスト手順と、テストからのデータを使用して器具の寿命を予測する方法の組み合わせが、現在、北米照明工学協会 (IESNA) のテスト手順委員会によって開発され、最終承認段階にあります。この記事では、テストおよび予測方法がどのように機能するか、また照明設計者がそれによって器具の寿命をどのように改善できるかについて説明します。
LEDのテスト
米国エネルギー省によると、照明の寿命は動作条件 (周囲温度やデューティ サイクルなど) に関係しますが、通常、ユーザーは白熱電球の寿命が 1,000 時間、ハロゲンの寿命がその 2 倍であると予想する可能性があります。蛍光管の場合、安定器技術は製品の寿命に大きく影響します。安価なバラストを使用すると、チューブの寿命は 20,000 時間になり、より高価なタイプでは 30,000 時間に増加します。
もちろんLEDも故障します。場合によっては、この失敗は致命的なものになります。たとえば、ダイの封止に使用されるエポキシ樹脂が過熱して膨張し、デバイスの接着接続が壊れるまで圧力がかかる可能性があります。静電気放電 (ESD) は、LED の半導体接合部に直ちに障害を引き起こす可能性があります。壊滅的な故障のもう 1 つの原因は、特に湿気の多い環境や LED が機械的ストレスにさらされる場所での金属ウィスカーの形成であり、このウィスカーが導体を橋渡しして短絡を引き起こします。
ただし、LED がメーカーの推奨に従って駆動され、冷却状態に保たれていれば、デバイスは非常に耐久性が高い傾向があり、実際に致命的な障害が発生するのはごく一部です。より可能性の高い結果は、LED の光出力が意図した目的に対して不十分になるまで徐々に色あせていくことです (照明業界では、新品時または「L」時の出力の 70% 未満と定義されています)。70").
これは、致命的な故障が発生する可能性がはるかに高い従来の照明とは対照的です。 (従来の照明は、寿命中に明るさが 20 ～ 30% 低下する可能性がありますが、照明器具は通常、消費者が気づくよりずっと前に寿命が来ます (図 1))。
図 1: 従来の照明と LED のルーメン維持曲線。従来の照明は、ルーメンの低下に気づく前に壊滅的に故障する傾向があることに注意してください。
致命的な故障が比較的少ないことと、光出力が非常に緩やかに低下することの組み合わせにより、LED の寿命が 40,000、50,000、さらには 60,000 時間を超える可能性も、不当な期待ではありません。
しかし、商業環境では、メーカーが寿命の主張を証明するために、LED の最長 6 年間にわたるテストを行うことは期待できません。代わりに、テスト データから得られた傾向の標準化された外挿と組み合わせた、より短いテストを使用して、テストにかかる時間を決定します。LEDは長持ちします。主要な LED メーカーは、IESNA によって開発され、LM-80 と呼ばれるテストを自社製品に定期的に受けさせます。LED光源のルーメン維持試験の承認された方法".
米国に拠点を置く 2 つの研究所、パシフィック ノースウェスト国立研究所 (PNNL) と国立標準技術研究所 (NIST) は、LED メーカー 6 社のグループ (OSRAM や Cree を含む) とともに、技術覚書 (TM-21) を作成しました。LED光源の長期的な光束維持の予測") LM-80 からのデータを使用して内腔維持テストの外挿アルゴリズムを定義します。
このアルゴリズムでは、最初の 1,000 時間のデータは無視されますが、テストの最後の 5,000 時間のデータが使用されます (10,000 時間を超えるテストの場合は、データの最後の 50% (図 2))。次に、データは最小二乗曲線法を使用して指数外挿モデルに当てはめられます。- L70外挿は、結果として得られる L の小さい方になります。70時間または LM-80 テスト時間の 6 倍。たとえば、6,000 時間の LM-80 テスト データの場合、L70= 36,000 時間。 10,000 時間の LM-80 テスト データでは、L70= 60,000 時間。1(TechZone の記事「LED の定格寿命の決定: 難しい課題.")
図 2: L に使用される LM-80 テスト データの例70外挿。
商用 LED は驚異的な長さを誇ります70結果。フィリップス ルミレッズは、同社の LUXEON Rebel 白色 LED は、最大 226 lm (1 A 時) の明るさを提供する 105 lm/W (350 mA 時) デバイスであり、L で Energy Star のルーメン維持要件を超えていると述べています。70この数字は 36,000 時間を超えています (図 3)。
図 3: LM-80 テスト手順と TM-21 外挿アルゴリズムを使用した Philips Lumileds の LUXEON Rebel LED の結果。
Cree と OSRAM は、前者の XLamp XM-L2、153 lm/W (700 mA 時) チップ、後者の OSLON SSL、125 lm/W (350 mA 時) チップなどの高出力デバイスを使用する器具メーカーは、Energy Star 基準を超えることができると述べています。{0}
LEDに限定
現在のテスト方法の問題は、LED 自体の寿命のみをテストしていることです。これは有用なデータですが、チップが器具に組み込まれると、問題が発生する可能性がさらに多くなります。電源は潜在的な弱点の 1 つですが、過剰な熱が LED の最大の「キラー」であると認識されているため、おそらくより重要なのは製品の熱管理の有効性です。
Cree 氏によると、「LED の故障メカニズムの大部分は温度に依存します。接合部温度の上昇は光出力の低下とチップの劣化の加速を引き起こします。」-2
LED の色褪せの主な原因は、ダイ自体の内部構造の劣化であり、この劣化は高温によってさらに悪化します。つまり、可視波長の光子の放出をもたらすチップのn-型/p-型接合における電子-正孔の再結合の数の尺度である内部量子効率は、チップの結晶構造内の転位が増加するにつれて低下します。これは、転位が非放射再結合を促進し、その名前が示すように、非放射結合では光子が放出されないためです。{6}
LEDチップメーカー新品のデバイスの欠陥数を減らすために懸命に努力しますが、半導体製造プロセスは完璧ではなく、常に何らかの欠陥が存在します。ただし、転位の増殖を減らすことで寿命に影響を与える設計エンジニアの制御下で最も重要な要素は接合温度です。 (TechZone の記事「高輝度 LED の色あせの原因を理解する-.")
LED照明器具の新たなテスト
従来の代替照明は成熟した製品であるため、これらの製品についてはより包括的な寿命データが入手可能であり、消費者は LED がどのように比較されるかを知りたがっています。良いニュースは、このような比較では固体ライトが明るく輝く可能性が高いということです。-悪いニュースは、メーカーがチップ自体で直面したのと同じ問題に直面していることです。失敗するまでのテストには時間がかかりすぎるため、現実的ではありません。
現時点では、従来の照明の「ドロップイン」代替品のメーカーは、自社製品の心臓部である LED のデータに基づいて、製品の長期的なパフォーマンスに関する情報を提供するために最善を尽くしています。{1}{0}このようなテストデータを使用して製品の寿命を判断する際、LED照明フィクスチャは良いスタートですが、フィクスチャの寿命を縮める可能性のある他の要因があるため、これは近似値を提供するだけです。
LED Dynamics は、初めて市販されている -LED- ベースの T8 蛍光管の代替品であると主張するものを導入しました。このデバイスは、演色評価数 (CRI) 85 の 94 lm/W の効率で最大 1,900 lm を提供します。EverLED-VE と呼ばれるこの器具は、4,000 および 5,000 K の標準色温度で利用できます。 LEDdynamics のデータシートには、EverLED-VE の定格寿命は 10 年であり、消費者は定格寿命までの故障率がゼロであると想定する必要があると記載されています。
同様に、ローム セミコンダクタは、白熱電球のドロップイン代替品である R-B15L1 を提供しています（図 4）。この電球は、消費電力 8 W で 550 lm を生成します (効率 69 lm/W)。 R-B15L1 は 100 V で直接動作します交流ロームは 40,000 時間の「寿命」を主張しています。
図 4: ロームの R-B15L1 の公称寿命は 40,000 時間です。
本当に必要なのは、LED 照明器具の寿命を定量化するための業界標準の試験方法です。{0} IESNA は、スタンドアロン LED のテストに使用されるものと同様のアプローチを採用することで、この需要に応えました。結果として得られたテスト手順「LM-84」LED ランプ、エンジン、照明器具のルーメンと色維持テスト」はIESNA委員会による最終承認段階にある。
この文書には、周囲温度 25 ±5 度、点灯 11 時間、消灯 1 時間の標準動作条件下で、均一で再現性のあるルーメンと色維持の測定値を取得するために必要な手順が記載されています。
ただし、LM-84 ではすべてがわかるわけではありません。対応品の LM-80 と同様に、LM-84 は、器具の色と明るさが比較的短期間にわたってどの程度維持されるかに関するデータのみを提供します。残念ながら、実際の測定の制限を超えたルーメンまたは色の維持の予測推定または外挿に関するガイダンスや推奨事項は提供されません。
LED 照明器具が実際に目的にどれだけの期間適合するかを予測する必要性に共感し、IESNA は、照明器具に関する LM-84 テスト データを、(はるかに) 長期間にわたる測定データを投影する方法を標準化する新しい TM-28 文書と組み合わせるアプローチに向けて前進しています。このアプローチは、LM-80 および TM-21 を使用してスタンドアロンを予測する方法と類似しています。LEDルーメンそしてカラーメンテナンス。
TM-28 の基本原理はおそらく TM-21 と同じです。予測は平均的なテスト データに基づいており、テスト中に動作を停止したテスト済みのユニットは差し引かれます。 TM-28 で使用される数学的基礎は TM-21 から逸脱するものではなく、投影の長さは実用的に意味のあるサンプル サイズと信頼水準に基づいていなければなりません。
委員会が直面している問題の 1 つはデータの不足です。 TM-21 が LED 用に開発されたとき、そのようなデータは少なくとも 40 セットあり、中には 10,000 時間以上テストされた LED 用のデータもあり、TM-21 の数学的基礎を評価するために使用できました。同等の LED 照明器具のテスト データはほとんど入手できません。
検討中の解決策の 1 つは、6,000 時間 (またはそれ以上) のテストに対する LM-80 の要件を反映し、色と輝度の維持投影に同じアルゴリズムを使用することです。そのため、テスト中の 6,000 時間未満の LED ランプのデータを予測に使用できるかどうかには疑問が残ります。業界はそのようなテストの時間とコストの削減に熱心であり、Energy Star では 3,000 時間の LED ランプテストデータを事前認定に使用できるという前例があります。
TM-28 作業グループは、LED の 3,000 時間と 6,000 時間の LM-80 テスト データを比較し、この 2 つの間には 3,000 時間のデータから合理的な寿命予測を立てるのに十分な相関関係があると結論付けました。これらのデータからの投影に使用されるアルゴリズムは TM-21 で説明されているものと似ていますが、テスト期間が短いため、投影法のより多くの条件付き使用が追加されます。3
固体照明テストの次のステップは何ですか?{0}
公開されると、LM-80 と TM-21 がスタンドアロン LED に使用されているのと同じように、文書 LM-84 と TM-28 は LED 照明器具に一緒に使用されます。この新しい文書により、ソリッドステート照明業界は、製品の色とルーメン維持を定義するための標準化されたアプローチを採用できるようになり、消費者が LED 照明と従来の照明をどのように比較するかを確立できるようになります。
ただし、LED照明-成熟した業界には程遠い-ため、やるべきことはまだあります。他の規格やテスト方法は、特定の製品タイプや特性に焦点を当てています。米国に本拠を置く全米電気製造業者協会 (NEMA) の SSL 7A-2013 文書、「ソリッドステート照明のフェーズ-カット調光-: 基本互換性」は、調光可能な LED 製品と順位相カット調光器（最も一般的なタイプ）の使用に関する互換性要件を提供することで、ソリッドステート照明の重要な問題に対処しています。-4
IESNAも相変わらず忙しい。次はLM-85になりそうです」ハイパワー LED の電気測定および測光測定のための IES 承認方法-「」は、通常の動作にヒートシンクを必要とする高出力 LED の測定に対処しており、単色 LED だけでなく白色 LED も含みます。次に「TM-26」があります。{{1}LED パッケージの定格寿命の予測、「TM-21 L」がかかります。70サンプルサイズを増やし、計算に致命的な故障を含めることにより、ルーメン維持情報をさらに一歩進めて、単なる「ルーメン維持寿命」ではなく「LED 定格寿命」の実際の定義を導き出します。
https://www.benweilight.com/lighting-チューブ-bulb/18w-3000k-6ft-led-tube.html
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