Освещение объектов стратегической отрасли промышленности и транспорта, таких как аэропорты, железнодорожные станции, контейнерные терминалы, вылетные магистрали мегаполисов, связано с высокой ответственностью за работоспособность и стабильность параметров светотехнического оборудования.
Поломки светотехнического оборудования на таких объектах могут привести к колоссальным экономическим и репутационным потерям. По этой причине производителями светотехнической продукции следует ответственно подходить к выбору всех компонентов, влияющих на надежность.
Технические требования к наружным осветительным устройствам обозначены в документе от НИИАС (ссылка).
Пункт 2.4 «В течение срока службы не допускается снижение светового потока более, чем на 30 % и выход КЦТ светодиодных осветительных приборов из диапазона по таблице № 1 в соответствии с ГОСТ Р 54350-2015 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний».
Не допускается установка на одной осветительной короне осветительных приборов с разницей в показателях коррелированной цветовой температуры более чем на 200 К.»
Согласно требованиям НИИАС срок службы светодиодного прибора не менее 12 лет.
Это накладывает ограничение на выбор светодиодов и теплового режима работы.
На сегодняшний день на рынке существуют светодиоды в различных корпусах – на керамической подложке и в пластиковом корпусе
LM-80 и прогнозируемый срок службы
Статья по прогнозируемому сроку службы была опубликована ранее в журнале «Полупроводниковая светотехника». Здесь мы приводим отрывок статьи.
Стандарт LM-80 предусматривает испытание светодиодов в течение 6000 ч. минимум. Стандарт IESNA TM-21-11 («Прогнозирование долговременной стабильности светового потока светодиодных источников света») рекомендует проводить испытания длительностью более 6000 ч.
Для улучшения прогностического моделирования стабильности светового потока рекомендуется устанавливать бóльшую длительность испытаний.
Важным аспектом стандарта TM-21 является «правило 6×», согласно которому заявленный полезный срок службы (L70) испытуемых светодиодов не может более чем в шесть раз превышать фактическую длительность их испытаний по стандарту LM-80. Это правило обусловлено нестабильностью некоторых светодиодных корпусов, а также стремлением свести к минимуму преувеличения со стороны производителей светодиодов касательно заявленной стабильности светового потока.
На рис. 2 приведены результаты испытаний по стандарту LM-80 типичного набора светодиодов средней мощности (0,5 Вт) в пластмассовых корпусах. Светодиоды испытывались при температуре +85 °C и рабочем токе 175 мА. На верхнем графике показан относительный световой поток (%LF), а на нижнем — сдвиг хроматичности, или координат цветности (Du’v’), через 6048 ч испытаний. Прогноз стабильности светового потока на этом наборе данных по методу, описанному в стандарте TM-21, дает L70 ≈ 43 000 ч, откуда, после ограничения по правилу 6×, получаем заявленное значение 36 000 ч. Средний сдвиг хроматичности находится в пределах семи шагов эллипса МакАдама, что соответствует требованиям программы Energy Star американского Агентства по защите окружающей среды, и эти результаты были бы сочтены удовлетворительными (в том числе и по программе Energy Star) для большинства осветительных применений.
Рис. 2. Результаты испытаний светодиодов средней мощности в пластмассовом корпусе по стандарту LM-80 (через 6048 ч)
Скрытые издержки использования этих недорогих пластмассовых корпусов проявляются при более длительных испытаниях (свыше 6000 ч) тех же устройств по стандарту LM-80. На рис. 3 приведены данные для тех же светодиодов через 17 000 ч испытаний. Световой поток значительно снизился из-за обесцвечивания полифталамида. Как иллюстрирует верхний график, показатель срока службы L70 стремительно сокращается менее чем до 20 000 ч в результате поглощения света корпусом светодиода. Еще одно последствие обесцвечивания материала корпуса — сильный сдвиг хроматичности в пределах почти 20-шагов эллипса МакАдама, что неприемлемо почти ни для какого осветительного прибора.
Рис. 3. Результаты испытаний светодиодов средней мощности в пластмассовом корпусе по стандарту LM-80 (через 17136 часов)
Упомянутый выше сдвиг хроматичности — весьма серьезная, хотя и редко обсуждаемая проблема пластмассовых светодиодных корпусов. На первых порах эксплуатации свет излучается светодиодными кристаллами непосредственно наружу через люминофор, а также отражается от внутренних стенок корпуса, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Новый светодиод в пластиковом корпусе в начале эксплуатации. Координаты цветности его излучения зависят как от холодной, так и от теплой части спектра
Это означает, что длина свободного пробега фотонов синего света напрямую через люминофор будет меньше длины свободного пробега фотонов, отраженных от стенок. Таким образом, излученный напрямую свет по своим координатам цветности будет холоднее (с большим содержанием энергии в синей области спектра), чем отраженный свет. Отраженный же свет будет, наоборот, теплее (с большим содержанием энергии в желтой области спектра). Усредненный цвет излучения светодиода будет определяться смесью цветов обеих составляющих (холодной и теплой). Из-за обесцвечивания полифталамида отраженный свет поглощается стенками корпуса, так что теплая составляющая хроматичности становится менее выраженной (рис. 5). Результатом является значительный сдвиг цвета в холодную часть спектра.
Рис. 5. Светодиод в пластмассовом корпусе после обесцвечивания в ходе эксплуатации. Имеет место не только снижение светового потока, но и сдвиг цвета в синюю область спектра
Преимущества мощных светодиодов
Мощные светодиоды не подвержены снижению светового потока и сдвигу цвета по механизмам, характерным для светодиодов малой и средней мощности в пластмассовых корпусах. Керамическая подложка этих светодиодов не используется в качестве отражающей поверхности, так что первоначальная и долговременная стабильность светового потока и цветопередачи существенно зависит только от света, который непосредственно излучается наружу светодиодным кристаллом (рис. 6).
Рис. 6. Типичный светодиод с керамической подложкой
Даже при высоких температурах стабильность светового потока и цветопередачи у этих светодиодов гораздо выше, чем у светодиодов в пластмассовых корпусах. На рис. 7 приведены данные испытаний набора стандартных мощных светодиодов Cree XLamp XP-E по стандарту LM-80. Даже более чем через 11 000 ч испытаний при температуре +105 °C и рабочем токе 350 мА наблюдается великолепная стабильность светового потока и цветопередачи.
Рис. 7. Результаты испытаний мощных светодиодов с керамической подложкой по стандарту LM-80 в течение 11 592 часов при температуре +105 °C
Выводы
Светодиоды малой и средней мощности в пластмассовых корпусах могут быть рациональным выбором для некоторых осветительных применений.
Для ответственных применений компания «ГК ИНЖИНИРИНГ» предлагает прожекторы «Аметист» на светодиодах с керамической подложкой, которые обладают высокой стабильностью светового потока и цветопередачи в течение всего срока службы.