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LM-80 For 能源之星 : LED元件流明維持率驗證

 資料:ledinside,億光LED-宜冠科技有限公司(Everchamp)

 

LED燈具相較傳統照明的優點為其高效能/長壽命,目前各家LED廠積極導入產品進入LED燈具照明市場,但消費者實際使用后的觀感卻是LED燈具似乎未如想像中的長效能,經過半年的使用就可發現色溫/亮度不均勻的問題,且其價格尚未能貼近消費者的期望,因此大多數消費者仍停留在觀望的階段。

根究其原因在於目前的LED壽命預估並未有一套標準可讓廠商遵循,LED燈具廠與LED元件廠的實驗方式也不一致。

LED元件廠量測方式:

為了讓LED元件維持在Ta(Ambient Temperature)=Tj(Junction Temperature) =25℃的溫度下工作,LED元件在未加散熱片並使用脈波方式進行壽命實驗,因此一般在規格書上可見到其效能數據的溫度是Tj=25℃。

LED燈具廠量測方式:

LED燈具為成品,壽命實驗則是使用定電壓/定電流的方式進行,但LED燈具內包含電源供應器/燈罩/散熱片,且LED燈具為多顆LED元件所組成,因此實際的LED元件的工作溫度高於實驗的環境溫度Ta=25℃(Tj>Ta)。

LED的壽命與其使用溫度成反比,因此若LED燈具廠直接採用LED元件的壽命數值作為規格時,消費者看到規格與實際使用的落差也就因此產生。

有鑑於此美國能源部(DOE)下的環境保護局(EPA)所頒發的能源之星(ENERGY STAR)提出了LED固態照明燈具的驗證方式,其內容中表示若要取得其LED固態照明燈具的認證須檢附五項資料:

1、依照IESNA LM-79實驗方法產出的光度測試報告

2、依照IESNA LM-79實驗方法產出的積分球輸出測試報告

3、流明維持率:
  選項一 : LED元件性能
           .依照IESNA LM-80實驗方法產出的LED元件測試報告
           .提供LED燈具的ISTMT(LED元件原位置溫度測試)報告
   選項二 : LED燈具性能
           .依照IESNA LM-79實驗方式產出的6,000小時測試報告.

4、電源供應器
.提供LED燈具的TMPPS(原位置電源供應器溫度測試)報告.

5、保固方式

在流明維持率的選項一中需要進行兩項的數據實驗,其目的就是要以LED元件的LM-80各項溫度實驗報告推算LED燈具的壽命,如此便可解決元件與燈具不同溫度所對應的壽命問題。

依照能源之星的標準,將固態照明燈具應用分成兩類,其要求規格與實驗標準如表1.

 

 

使用範圍 要求規格 實驗標準
室內住宅       25,000小時 流明維持率≧70% 6,000小時 流明維持率≧91.8%
戶外住宅及商用 35,000小時 流明維持率≧70% 6,000小時 流明維持率≧94.1

表1 : ENERGY STAR固態照明燈具壽命要求.

顧及產品上市時間及數據有效性,按照能源之星與IESNA LM-80的標準,實驗時間至少需要6,000小時,參照圖1說明.

圖1 : ENERGY STAR壽命要求圖式

了解能源之星的要求后,接下來討論LM-80的規範內容,LM-80中實驗方式為使用3種測試溫度,分別為55℃/85℃,第三溫度點由廠商自訂,前文中有提到利用LED元件的LM-80報告推算LED燈具光衰壽命,使用下列的范列說明:

LED元件使用25℃/55℃/85℃進行LM-80實驗,6,000小時的結果如下表2:
 

Ttime 25 55 85
0 Hours 100% 100% 100%
6,000 Hours 98.80% 95.20% 92.80%

表2 : LM-80實驗結果數值範例表.

廠商使用該LED元件于LED燈具上量測的溫度(TMPLED)為以下三種情況時,LED燈具的光衰壽命計算,可參閱圖2:
TMPLED ≦ LM-80測試最低溫度(25℃) :
LED燈具直接使用LM-80報告25℃數值作為其光衰數值。

LM-80低溫(25℃/55℃) ≦ TMPLED ≦ LM-80高溫(55℃/85℃) :
套用公式1,進行LED燈具光衰壽命推估,若LED燈具溫度為75℃,
經計算后可得知該LED燈具的光衰維持率為93.6%。

LM-80測試最低溫度(85℃) ≦ TMPLED  :
LED燈具無法使用LM-80報告中光衰數值,須採用燈具ENERGY STAR中燈具點亮方式進行,或LM-80進行更高溫度測試。


圖2 : LED燈具溫度與LM-80實驗溫度光衰說明範例.

經由LM-80的實驗搭配In Situ的溫度量測,LED燈具廠便可有一套計算壽命的依據,若需要計算更長時間(如:50,000小時)的流明維持率數值則需要搭配IESNA目前正在討論中的TM-21推估公式來進行計算,此份文件的Draft版本已於2011年出版。
   
LM-80的實驗目的為計算LED元件的平均光衰維持率,其實驗時間長達6,000~10,000小時,因此建議廠商的LED產品至少要先執行過一般的可靠度實驗(如:HTOL/WHTOL/HTSL…等)確認產品無可靠性問題后再執行LM-80的實驗,如此便可降低LM-80實驗執行過程中的風險。

結語:   
2008年出版的IESNA LM-80在規範中有許多部分未交代清楚,例如:

1、Ts(Case Temperature)的重複定義,此部分常造成讀者無法釐清Ts指的是實驗的目標殼溫還是實際量測的殼溫,如Ts≧Ts-2℃、Δ[Ta-Ts]≦5℃,此定義問題已在IES已在網站上更新勘誤表, 新的解釋能清楚說明其關係式。

2、Ta未有指定量測位置,接近LED或遠離LED量測Ta溫度可能會造成實驗的結果不同。

3、Airflow未訂定風速,僅說明Minimized,實際LED燈具在使用時其實不會有類似Chamber的強制對流的環境,只有本身的熱對流,此部分未定義也可能會有實驗結果誤差的產生。

4、製程變更的實驗要求,僅在LED燈具中有描述方法,但在LED元件中卻未提及,比如色溫不同是否需要重新認證?此部分常讓廠商不知如何訂定實驗計劃。

以上項目在2011年的LM-80版本應會有較明確的說明,屆時應該能讓我們能更清楚規範的要求。LM-80的實驗已經讓LED元件及燈具廠商有了一套共同的標準及語言,對於LED元件廠商來說提供LM-80的測試報告已經是進入LED固態照明燈具的基本門檻,希望能借由此文章讓國內LED廠商們加速了解此實驗,並取得國際認證。