Анализ качества светодиодной системы освещения

Разработка систем твердотельного освещения далеко не ограничивается только выбором светодиодов и драйверов. В статье рассматриваются вопросы выбора материалов, системы теплового регулирования и совместимости светодиодных осветительных приборов и ламп, позволяющие оптимизировать светотехническую систему.

При анализе характеристик светодиодного осветительного прибора те его элементы, которые определяют качество, как правило, незаметны. Светодиоды представляют собой малую часть всей системы освещения и лишь частично отвечают за качество ее функционирования. Требуется системный подход, позволяющий в полной мере и с высокой точностью оценить, как установленный полупроводниковый осветительный прибор поведет себя в реальных условиях эксплуатации, а также определить срок его службы. Давайте на нескольких примерах проанализируем наиболее проблемные элементы конструкции светодиодных осветительных приборов.

Светодиодная технология быстро развивается, и многие производители полупроводниковых светильников делают неподтвержденные заявления о качестве цвета, величине светового потока, эффективности, сроке службы и качестве изделий твердотельного освещения. Невысокое качество продукции с теплоотводом, который не отвечает соответствующим требованиям, или неверное схемное решение создают условия для возникновения отказа. Эти условия наряду с проблемами химической совместимости в процессе производства могут привести к ухудшению качества светодиодной системы или даже к ее полному отказу.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
Чтобы обеспечить высокое качество функционирования светодиодного осветительного прибора, необходимо провести широкий ряд испытаний, позволяющих определить расчетные предельные параметры и оценить надежность изделия при длительной эксплуатации. Не только отдельные светодиодные компоненты, но и вся система должны иметь высокое качество. Инженеры компании Cree разработали набор тестов TEMPO (Thermal, Electrical, Mechanical, Photometric, and Optical — температурные, электрические, механические, фотометрические и оптические параметры) для анализа качества светодиодных светильников и ламп. Этот набор позволяет в рамках сервисной программы компании преодолеть технические трудности, которые испытывают разработчики светодиодных изделий. Набор TEMPO позволяет быстро решить проблемы проектирования светодиодной системы, сэкономить расходы при разработке и сократить время выхода новых изделий на рынок.

Установленный порядок проведения системного анализа светотехнического изделия заключается в измерении и анализе всех характеристик изделия. Инженерно-технический персонал должен выполнить всю совокупность температурных, электрических, механических, фотометрических и оптических испытаний, а также представить комплексный отчет со всеми соответствующими данными, подтверждающими рабочие характеристики светодиодного осветительного прибора. В таблице 1 представлены результаты испытаний в соответствии с программой TEMPO. Эти результаты применимы для анализа срока службы светодиодных осветительных приборов и ламп в соответствии с действующим стандартом TM-21 Светотехнического инженерного общества IES (Illuminating Engineering Society).

Измерение и анализ светодиодного осветительного прибора достаточно сложен, особенно для тех производителей, которые лишь недавно занялись проектированием систем освещения. В состав полупроводникового светильника входят светодиоды, плата, оптическая система, рассеиватель, драйвер управления током, источник питания, теплоотвод и механический корпус. Любой из этих компонентов может повлиять на рабочие характеристики модуля, его качество функционирования или срок службы.

При анализе качества функционирования светильника необходимо также оценить механическую конструкцию и его надежность при длительной эксплуатации. На основе стандарта LM-79-08 составляется отчет о результатах измерения. При анализе также требуется провести сравнение полученных результатов с такими нормами или требованиями к безопасности как Energy Star, DesignLights Consortium (DLC) и UL.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Большинство отказов светодиодных модулей освещения связано с температурными условиями: рабочие характеристики светодиодов и расчетный срок службы в большой мере зависят от теплового регулирования и соответствующей температуры перехода светодиодного кристалла. Эксплуатация светодиодов при повышенных температурах перехода может привести к снижению светового потока и сокращению срока службы этих компонентов. Таким образом, модуль теплового регулирования светодиодного светильника и правильно изготовленная механическая конструкция чрезвычайно необходимы для обеспечения надежного функционирования. Для анализа механической конструкции используются рентгенограммы мест пайки светодиодов. Измерения тепловых характеристик проводятся для проверки расчетных параметров, чтобы обеспечить требуемое качество и надежность полупроводниковых модулей освещения.

Анализ качества светодиодной системы освещенияИзмерения рабочей температуры светодиодных светильников может оказаться непростым делом. В результате размещения термопары в неправильной точке или при большом объеме излучаемой световой энергии значения измеренной температуры могут оказаться неверными. Такие ошибки приводят к неправильному проектированию и, следовательно, способствуют сокращению срока службы конечного изделия.

Необходимо точно измерять температуру мест пайки светодиодов, чтобы удостовериться в правильном расчете температуры перехода кристаллов, используемых в осветительных приборах. Например, набор испытаний TEMPO позволяет измерить температуру точки пайки и получить ИК-изображение светильника в установившемся режиме, а также рассчитать температуру перехода на основе этих измерений. Полученные значения температуры и градиентные ИК-изображения позволяют установить тепловые характеристики светодиодных светильников.

Печатная плата слева имеет меньшую температуру, о чем свидетельствует ее желтый цвет. Плата справа имеет ярко-красный цвет, а светодиоды накалены до белого цвета, что указывает на плохой тепловой интерфейс Качество механического интерфейса между светодиодами и печатной платой, который играет главную роль в формировании тепловой характеристики, оценивается с помощью рентгенографии. Рентгенографический анализ позволяет определить качество пайки, выявить пустоты или избыточный припой. Для получения рентгенограммы камера, установленная над светодиодным кристаллом, фокусируется на границе контактной площадки, чтобы получить изображение интерфейса. Большое количество пустот и избыточное количество частиц припоя между контактными площадками платы указывает на плохую пайку светодиодов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
При анализе качества модуля твердотельного освещения рассматриваются такие важные параметры как эффективность, коэффициент мощности (КМ), переходные процессы драйвера, совместимость диммера и совокупная светоотдача системы.

Эффективность драйвера, рассчитываемая путем деления входной электрической мощности светодиода на измеренную входную мощность осветительного прибора, является хорошим показателем работы драйвера в системе твердотельного освещения. В этом тесте выходная мощность светодиодов представляет собой сумму произведений прямого напряжения и тока через каждый светодиод.

Светоотдача осветительного прибора является показателем того, насколько хорошо это устройство преобразует электрическую энергию в световую. Светоотдача (лм/Вт) в установившемся режиме определяется делением всего светового потока (лм) на общую входную мощность (Вт). Это информативный показатель качества работы системы, поскольку оно определяется электрическими, фотометрическими, оптическими и температурными характеристиками. Однако несмотря на высокую светоотдачу осветительного модуля, эффективность всей системы может оказаться низкой из-за больших оптических потерь во внешних линзах или невысокой эффективности драйвера, обеспечивающего управление светодиодом.

Коэффициент мощности — еще один электрический параметр, определяющий качество работы светодиодного драйвера. Этот параметр является ключевым в приложениях уличного освещения, где к одной энергосети подключено большое количество светильников. В соответствии с требованиями консорциума DesignLights Consortium (DLC) к системам уличного освещения необходимо, чтобы коэффициент мощности светильников превышал значение 0,9. По сути, чем ближе этот коэффициент к единице, тем лучше характеристика светильника.

При КМ равном единице сетевое напряжение в точности совпадает по фазе с потребляемым током. Коэффициент мощности следует измерять при всех номинальных значениях широкого диапазона входных напряжений (в случае с системами уличного освещения — при 120, 220 и 277 В AC). Наихудшее значение этого показателя, которое, как правило, наблюдается в сетях с максимальным номинальным напряжением, передается в филиал DLC.

Анализ качества светодиодной системы освещения

СОВМЕСТИМОСТЬ ДИММЕРОВ
Совместимость с диммерами — еще один показатель качества первостепенной важности. И хотя яркость светодиодного потока легко регулируется, система твердотельного освещения и драйвер могут оказаться несовместимыми для использования с диммерами с фазовым управлением, предназначенными для ламп накаливания. При испытании на совместимость светильник подключают к нескольким широко используемым диммерам, чтобы определить мерцание или неравномерность свечения, «мертвый ход» (величина перемещения ползунка диммера до того уровня, пока яркость лампы не начнет изменяться), возможность включения лампы без диммера, акустический шум и выключение лампы при минимальных уровнях регулирования.

Недавно опубликованные стандарты ассоциации NEMA (National Electrical Manufacturers Association) под названием «Phase cut dimming for solid state lighting: Basic compatibility» (SSL 7A-201X) определяют схемы диммеров для анализа максимального и минимального угла отсечки во включенном состоянии. Согласно стандартам NEMA, тестовые замеры производятся в т.ч. на уровнях MLO (maximum light output — максимальный световой поток) и RMLO (reference minimum light output — исходный минимальный световой поток) с помощью специфицированного диммера.

Переходные процессы также вносят свою лепту в разрушение светодиодов, когда через светодиоды протекают токи, значительно превышающие максимальное номинальное значение. Эти процессы, длящиеся, как правило, несколько долей миллисекунды, возникают при горячем подключении и воздействуют на драйвер. Часто эти процессы становится источником электрического перенапряжения светодиодных драйверов. Характеристика и регистрация этих высокоскоростных процессов ведется с помощью токового зонда и осциллографа с цифровым запоминающим устройствам. Все упомянутые характеристики необходимы для того, чтобы обеспечить высокое качество работы системы твердотельного освещения.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Фотометрическое испытание заключается в измерении всего излучаемого и светового потоков, цветового состава света, коррелированной цветовой температуры (correlated color temperature, CCT) и коэффициента цветопередачи (color rendering index, CRI). Излучаемый поток, выраженный в единицах Вт, является совокупной энергией электромагнитного излучения, генерируемого светильником или лампой. Световой поток — часть электромагнитной энергии, воспринимаемая органами зрения человека. Чтобы получить значение светового потока в люменах (лм), измеренный поток излучения подвергается операции свертки с характеристикой фильтра — человеческого глаза. Фотометрические измерения должны осуществляться с периодическим интервалом в одну минуту в течение того времени, за которое осветительный прибор гарантированно входит в состояние равновесия с окружающей средой.

Для проведения фотометрических и оптических испытаний с помощью набора TEMPO компания Cree использует модель CSLMS-7660 Labsphere фотометрического шара диаметром 2 м, а также спектрометр MC-9801 от компаний Labsphere и Otsuka Electronics. Протоколы фотометрических испытаний должны соответствовать стандарту IES LM-79-081 и включать, например, процедуры поправки на поглощение с помощью лампы термометрической лаборатории NIST. Кроме того, необходимо, чтобы плоскость излучения испытываемого устройства была колли-неарна диафрагме датчика шара. В лаборатории Cree испытуемый блок подключается к источнику питания AC/DC Chroma Model 61503, а для измерения используется анализатор мощности Xitron Model 2801.

Анализ качества светодиодной системы освещения

Кроме того, в измерениях Cree применяется гониофотометр Type-C от поставщика Lighting Sciences, принадлежащего компании UL. Эти измерения позволяют получить трехмерное представление пучка света испытуемого модуля под различными углами. Гониофотометры Type-C применяются в испытаниях IES LM-79-08, поскольку светодиодный светильник тестируется в условиях, схожих с полевыми, а также не обдувается воздухом для охлаждения.

Как уже упоминалось, излучаемый поток является мерой всей мощности электромагнитного излучения светильника или лампы, тогда как световой поток — та часть этого излучения, которую видит человек. Для составления правильной характеристики системы измерение светового потока должно проводиться с частотой один раз в минуту в течение продолжительного времени, чтобы светильник вышел в устойчивый режим согласно нормам IES LM-79-08.

МАТЕРИАЛЫ И ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
На завершающем этапе системного анализа необходимо протестировать материалы и химические веще- ства, используемые для изготовления светильника. Следует учитывать, что химические реакции и повышенные температуры эксплуатации со временем могут ухудшить характеристики светодиодов и всего осветительного прибора.

Чтобы гарантированно использовать надлежащие компоненты и избежать химического разрушения в процессе изготовления светильника, светодиоды необходимо демонтировать из готового модуля освещения и снять все их характеристики. Инженеры Cree, как правило, извлекают пять светодиодов из тестируемого светильника и отдельно измеряют их фотометрические характеристики при токе 700 мА. Светодиоды соответствуют бину T3 по световому потоку (220 лм мин. ±7%) и бинам цветности 6C1, 6D2, 7B4 и 7A3. Эти данные сортировки сравниваются с параметрами из спецификации на светодиоды, чтобы определить разрушение компонентов.

Анализ качества светодиодной системы освещения

ВЫВОДЫ
Очень важным показателем является не только время вывода продукции на рынок, но и ее качество. Компания Cree предлагает набор услуг TEMPO, облегчающий измерение температурных, электрических, механических, фотометрических и оптических характеристик систем твердотельного освещения. Этот набор, позволяющий провести испытания, составить отчет и обсудить полученные результаты со специалистами компании по телефону, обеспечивает в конечном итоге высокое качество изделия для конечного потребителя.

Технологический центр Durham Technology Center компании Cree, зарегистрированный в соответствии с программой NVLAP (The National Voluntary Laboratory Accreditation Program — Национальная программа аккредитации лабораторий), удовлетворяет требованиям стандартов ISO/IEC 17025:2005, IES LM-58-94 и IES LM-79-08.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПЫТАНИЙ
Температурные

измерение температуры мест пайки;
получение ИК-изображения.
Элентричесние

КПД драйвера;
анализ переходных процессов;
анализ мощности (КМ, полный коэффициент гармоник);
тест на совместимость диммера;
испытание на электрическую прочность диэлектрика (испытание высоким напряжением);
Vf/баланс токов.
Механические

качественный анализ структуры;
анализ на химическую совместимость;
рентгенограмма печатной платы;
Фотометрические и оптические

световой поток (лм);
поток электромагнитного излучения (Вт);
цветовой состав света (CRI, CCT, x-y, u-v, u’-v’, duv);
распределение спектральной интенсивности (видимый диапазон);
освещенность (фут-кандела или люкс, лк);
сила света (кд);
светоотдача модуля освещения (лм/Вт);
оптическая эффективность;
анализ цветовых координат компонентов;
видимое мерцание;
анализ срока службы согласно стандарту TM-21;
анализ данных на соответствие требованиям Energy Star и DLC.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS