Введение

В рамках программы Energy Star (США) были разработаны инструменты для расчетов по методикам TM-21 и TM-28 (основанным на стандартах IES TM-21-2011 и TM-28-2014). Эти инструменты призваны помочь производителям светодиодной продукции прогнозировать срок службы светодиодов светодиодных модулей и светильников на основе данных испытаний LM-80 и LM-84. Поскольку оба стандарта разработаны организацией IES, использование предложенных ею расчетных инструментов позволяет избежать разночтений в методах оценки внутри отрасли, а также обеспечивает более высокую точность и сопоставимость прогнозов срока службы светодиодов. Методики TM-21 и LM-80 являются общепризнанными в отрасли способами оценки снижения светового потока светодиодов; расчет по методу TM-21 базируется преимущественно на отчетах об испытаниях LM-80, предоставляемых производителями светодиодов или светодиодных модулей. Вводя соответствующие данные из отчетов LM-80 и ISTMT в расчетную таблицу TM-21, можно определить параметры срока службы светодиодов, такие как L70 или иные показатели уровня Lxx. В свою очередь, методика TM-28 использует в качестве основы для расчетов отчет об испытаниях на снижение светового потока (Что такое затухание света?) для светильника в сборе (отчет LM-84); именно этому вопросу посвящена данная статья, и далее мы подробно рассмотрим его в основном тексте.

Теоретическое обоснование двух методов расчета срок службы светодиодов

Метод TM-21 основан на модели ускоренного термического старения Аррениуса; в его основе лежит допущение, что скорость снижения светового потока светодиодного чипа определяется температурой p-n-перехода и практически не зависит от других компонентов светильника. Процедура предусматривает измерение сохранения светового потока чипа в течение не менее 6000 часов при определенных температурах (как правило, 55°C, 85°C, 105°C и т. д.) в соответствии со стандартом LM-80. С учетом рабочих температур светодиода (Ts и Tj) и рабочего тока, взятых из отчетов об испытаниях ISTMT или LM-98-24, срок службы светодиодов (показатель L70) рассчитывается по формуле экспоненциальной экстраполяции, предусмотренной стандартом TM-21.

В стандарте TM-28, напротив, применяется подход, основанный на тестировании системы в целом: учитывается, что снижение светового потока готового светильника обусловлено не только характеристиками светодиодных чипов, но и влиянием таких факторов, как светодиодный драйвер(Подробнее о драйвере светодиодов), оптические линзы и конструкция системы теплоотвода. Ключевым стандартом здесь выступает LM-84, предусматривающий прямое измерение кривой спада светового потока светильника в реальных условиях эксплуатации с последующим расчетом срок службы светодиодов с помощью инструмента TM-28. Кроме того, TM-28 допускает использование метода «гибридной экстраполяции»: если фактическая продолжительность испытаний светильника составляет менее 6000 часов, для уточнения результатов экстраполяции могут быть привлечены данные стандартов LM-80 и TM-21, полученные для самих светодиодов. Этот метод точнее отражает реальные условия эксплуатации, однако требует проведения более длительных и дорогостоящих испытаний.

Объект исследования и источник данных для двух методов

Методика TM21 применяется к светодиодным чипам, корпусным модулям или матрицам (на уровне компонентов). Исходные данные включают три составляющие: во-первых, отчеты об испытаниях по стандарту LM-80, предоставляемые производителями светодиодных чипов (как правило, они содержат кривые деградации, охватывающие тысячи часов работы при как минимум одной, а в идеале — при трех температурных точках); во-вторых, отчеты ISTMT (измерение температуры в рабочих условиях), подготовленные заявителем и фиксирующие фактическую рабочую температуру светодиодных чипов (рабочую температуру светодиодов и драйвера) внутри изделия; и, в-третьих, отчет ISTMT должен содержать принципиальную схему или фотографию с указанием места измерения температуры (TMP).

Методика испытаний TM-28 применяется к светильникам в сборе (готовым изделиям). Основные данные для нее берутся из отчета об испытаниях по стандарту LM-84, в котором должны быть зафиксированы изменения светового потока всего светильника после как минимум 6000 часов непрерывной работы в лабораторных условиях. При выборе гибридного метода экстраполяции необходимо также предоставить отчет LM-80 для светодиодных чипов и расчетную таблицу TM-21 (формата ENERGY STAR). В отличие от метода TM-21, методика TM-28 не требует отдельного предоставления результатов испытаний ISTMT или фотографий контрольных точек температуры (TMP), поскольку фактические измерения светильника в сборе уже учитывают все тепловые эффекты.

Преимущества, недостатки и области применения двух методов

Ключевые преимущества метода TM-21 заключаются в его низкой стоимости и высокой скорости получения результатов. Испытания ISTMT обычно занимают всего несколько дней, а данные LM-80 предоставляются производителями светодиодных чипов бесплатно, поэтому оценка срок службы светодиодов занимает около одной недели. Недостатком этого метода является зависимость от внешних данных, а также наличие теоретических погрешностей при экстраполяции температурных показателей. Поскольку метод предполагает измерение температуры в контрольной точке (Ts), различия в расположении этой точки могут приводить к ошибкам в результатах температурных испытаний. Кроме того, из-за того, что светодиодные чипы (Подробнее о светодиодных чипах) могут по-разному располагаться в конструкции светильника, условия теплоотвода могут незначительно варьироваться. Все эти факторы приводят к тому, что результаты экстраполяции по методу TM-21 могут отличаться от фактического срок службы свтодиодов светильника в целом. Метод TM-21 лучше всего подходит для светодиодных чипов от таких крупных производителей, как Lumileds, Cree, Nichia и Osram, поскольку они выпускают продукцию с отработанными теплотехническими решениями и предоставляют сертифицированные отчеты об испытаниях по стандарту LM-80.

Главное преимущество методики TM-28 заключается в ее достоверности и независимости. Реальные испытания светильника в сборе не ограничиваются данными производителя светодиодов и позволяют оценить комплексные изменения характеристик всех компонентов в процессе старения — включая драйвер, оптику и систему теплоотвода (что важно для понимания факторов, влияющих на световую отдачу). Этот метод особенно подходит для светильников с нестандартной конструкцией теплоотвода или изделий, использующих светодиодные компоненты сторонних производителей (white-label). Недостатки также очевидны: испытания по стандарту LM-84 продолжительностью 6000 часов занимают около 250 дней, а затраты на аренду лаборатории и проведение тестов значительно превышают стоимость испытаний по методу ISTMT. Хотя применение гибридного подхода к экстраполяции данных позволяет сократить время непосредственного тестирования, последующая перекрестная проверка результатов сопряжена с трудностями. Методика TM-28 больше подходит для продукции премиум-класса, светильников, изготавливаемых по индивидуальному заказу, или случаев, когда для используемых светодиодных чипов отсутствуют надежные данные по стандарту LM-80. Разумеется, при реализации ответственных муниципальных проектов этот метод обеспечивает более достоверные данные о срок службы светодиодов, поскольку учитывает более широкий спектр факторов.

Как использовать калькулятор TM-21 или TM-28 для прогнозирования срок службы светодиодов?

В светотехнической отрасли инструменты TM-21 и TM-28 используются профессионалами для оценки срок службы светодиодов светодиодных светильников. Говоря простым языком, их основная задача — прогнозировать снижение светового потока светодиодных компонентов или светильников (например, продукции ZGSM) в долгосрочной перспективе на основе данных испытаний по стандарту LM-80 или отчетов об испытаниях по стандарту LM-84. Рассмотрим процесс оценки срок службы светодиодов на примере метода TM-21; он состоит из трех основных этапов: во-первых, получение данных испытаний LM-80; во-вторых, определение рабочей температуры светильника (Ts или TMPLED) и тока питания; в-третьих, ввод полученных данных LM-80, а также параметров температуры и тока в расчетную таблицу TM-21. В результате можно построить кривую снижения светового потока и определить прогнозируемый срок службы светодиодов светодиодного светильника (то есть уровень светового потока в процентах от начального значения по истечении определенного времени). Метод TM-28 аналогичен TM-21, однако в нем непосредственно используются полные отчеты об испытаниях светильника по стандарту LM-84. Такие отчеты уже содержат кривую изменения светового потока за 6000 часов испытаний, проведенных при определенных значениях температуры и тока; это позволяет методу TM-28 выполнять прямую экстраполяцию данных LM-84 для определения срок службы светодиодов светодиодного светильника. Ниже приведен перечень документов, необходимых для применения обоих методов.

Срок службы	Метод TM-21	Метод TM-28
	LM-80	LM-84
	ISTMT TMPLED (Вид на точку проведения испытаний на месте — Ts)	Калькулятор TM-28
	Калькулятор TM-21	Методы TM-21 (ISTMT и LM-80)

Как показано на рисунке ниже, слева изображен калькулятор TM-21, а справа — калькулятор TM-28. Для TM-21 в калькулятор можно ввести данные из отчета ISTMT: процент сохранения светового потока светодиодных чипов при различных значениях температуры Ts (как правило, при трех температурных режимах) и сами значения температуры Ts. Для TM-28 в калькулятор необходимо ввести результаты испытаний светильника при различных температурах окружающей среды, включая температуру Ts (здесь она обозначается как температура окружающей среды при испытании) и процент сохранения светового потока. При вводе в калькулятор фактической рабочей температуры светильника (указанной в отчете ISTMT) система использует кривую снижения светового потока, построенную по методу TM-21 или TM-28, для оценки срок службы светодиодов.

Какой из этих стандартов чаще всего используется для расчета срок службы светодиодов: TM-21 или TM-28?

TM-21 — это наиболее широко используемый в отрасли стандарт для оценки срок службы светодиодов; стандарт TM-28 применяется лишь в тех случаях, когда к эксплуатационным характеристикам продукции предъявляются особо строгие требования. Хотя TM-28 позволяет точнее оценить деградацию светильника в целом, у этого метода есть и существенные недостатки. Для прогнозирования срок службы светодиодов по стандарту TM-21 используются стандартные отчеты о снижении светового потока модулей (согласно LM-80) в сочетании с данными температурных измерений (ISTMT). Этот метод не требует проведения длительных испытаний на старение готовых светильников, что обеспечивает низкие затраты и сокращает цикл тестирования. Именно такой подход применяется в подавляющем большинстве проектов по разработке новых светильников общего освещения и при прохождении стандартной сертификации энергоэффективности в Северной Америке. В то же время стандарт TM-28, введенный в 2016 году, предписывает проведение длительных испытаний светильника в сборе (согласно LM-84). Из-за высокой стоимости и большой продолжительности такие испытания обязательны лишь в особых случаях — например, для проектов высококлассного коммерческого освещения (по требованиям DLC), систем уличного освещения (в частности, решений ZGSM) или при проверке светильников для продажи на Amazon в США; в целом за последнее десятилетие этот метод внедрялся гораздо реже, чем TM-21. Даже если бы стандарты LM-84 и TM-28 полностью заменили LM-80 и TM-21, избежать присущих им недостатков не удалось бы: в частности, общей проблемой для обеих методик расчета является несоответствие условий испытаний реальным условиям эксплуатации. В ходе стандартных испытаний светодиоды работают непрерывно в течение суток при постоянных температуре, влажности и токе питания в контролируемой среде, тогда как в реальных условиях светильники не работают круглосуточно без перерывов, а температура, влажность и ток не остаются неизменными. Ключевая проблема заключается в определении того, насколько сильно эти различия в режимах работы влияют на точность оценки срок службы светодиодов, однако исследований по данной теме пока недостаточно.

Светодиодные решения ZGSM для освещения

Краткое содержание

В данной статье проводится систематическое сравнение двух основных стандартов оценки срок службы светодиодов светодиодного освещения — TM-21 и TM-28 — по пяти критериям: теоретические основы, объекты испытаний и источники данных, преимущества, недостатки и области применения, методы использования расчетных инструментов, а также текущее состояние их внедрения в отрасли. Стандарт TM-21 базируется на модели температурного ускорения Аррениуса. В качестве объектов испытаний в нем используются светодиодные чипы или модули, а оценка срок службы светодиодов осуществляется методом экспоненциальной экстраполяции на основе отчетов LM-80 и данных измерений температуры непосредственно в устройстве (ISTMT). Этот стандарт обладает существенными преимуществами, такими как низкая стоимость и короткий цикл испытаний (около одной недели), благодаря чему он является предпочтительным решением при разработке большинства новых продуктов для общего освещения и при сертификации энергоэффективности в Северной Америке. Однако у него есть и очевидные недостатки: он опирается на данные сторонних производителей чипов, а различия в расположении точек измерения температуры (точек Ts) и в условиях теплоотвода (зависящих от места установки чипа внутри светильника) могут привести к расхождению расчетных показателей с реальным срок службы светодиодов готового светильника. В свою очередь, стандарт TM-28 предполагает испытания светильника в сборе, а оценка срок службы светодиодов производится на основе отчета LM-84 о результатах длительного старения всего изделия. Этот метод комплексно учитывает деградацию всех компонентов — включая драйвер, оптическую систему (Линза и распределение света) и конструкцию теплоотвода, — и дает результаты, наиболее точно отражающие реальные условия эксплуатации. Он особенно эффективен для нестандартных конструкций теплоотвода или при использовании светодиодных чипов сторонних производителей (white-label). Однако испытания по стандарту LM-84 занимают около 250 дней и обходятся значительно дороже, чем по TM-21; поэтому они обязательны лишь в определенных случаях, например, при разработке высокоэффективных изделий, сертификации высококлассных коммерческих светильников по программе DLC или при проверке светильников для продажи на Amazon (США). На практике стандарт TM-21 занимает доминирующее положение, тогда как TM-28 применяется гораздо реже. Стоит отметить, что оба стандарта имеют общее ограничение: условия испытаний (непрерывная круглосуточная работа при постоянных температуре, влажности и токе) не соответствуют реальным условиям эксплуатации. Кроме того, в настоящее время недостаточно исследований, посвященных конкретному влиянию этих различий в условиях испытаний на результаты оценки срок службы светодиодов.

Сопутствующие товары

Похожие блоги

Связанные дела

Люди также спрашивают

Введение автора