B50 أم لا B50: معاملات الصيانة لوحدات LED

عند تحديد معاملات المحافظة على التدفق الضوئي الصحيحة لإنارة الشوارع LED، يُعد احتساب المقدار الصحيح لانخفاض التدفق الضوئي جزءًا أساسيًا من ضمان مطابقة تصميم الإنارة لمتطلبات نهاية العمر. ولكن هل يطرح المتخصصون في الإنارة الأسئلة الصحيحة على مورّديهم؟

من المعروف أن الضوء الصادر عن LED ينخفض مع مرور الوقت، وهو ما يُعرف بانخفاض التدفق الضوئي. ولضمان مطابقة تصميم الإنارة للمتطلبات حتى في نهاية العمر، علينا إذن أن نحتسب هذا الانخفاض على امتداد عمر وحدة الإنارة.

وبذلك، إما أن نحصل على ضوء يفوق المطلوب في بداية العمر، وإما أن نعتمد أسلوب التدفق الضوئي الثابت (CLO) لتقديم مستويات ثابتة طوال الفترة، إذ تبدأ الوحدة العمل بحالة معتّمة ثم تزيد القدرة تدريجيًا حتى تبلغ حدها الأقصى على مدى عمر التشغيل.

حتى الآن، الأمور على ما يرام بالطبع. فلدينا خياران واضحان للتعامل مع انخفاض التدفق الضوئي، وكلاهما متاح بسهولة لدى جميع كبار مصنّعي وحدات الإنارة.

اختيار ملف CLO الصحيح

غير أن هناك اعتبارًا قد يغيب بسهولة، وهو مطابقة خوارزمية CLO مع عمر المشروع الذي يجري التصميم له.

فإذا كان العمر التصميمي للمشروع مثلًا 100,000 ساعة، ونعلم أن التدفق الصادر عن LED في الوحدة سيبلغ بعد هذه المدة 80% من قيمته الأصلية، فعلينا عند تركيب وحدات الإنارة أن نبدأ بتدفق قدره 80% ثم نزيد القدرة حتى يبلغ 100% بعد 100,000 ساعة.

وبالمثل، إذا كان عمر المشروع 60,000 ساعة وكان المنتج نفسه يحتفظ بنسبة 88% من تدفقه بعد هذه المدة، فينبغي أن تبدأ خوارزمية CLO بتدفق قدره 88% وتزيده إلى 100% على مدى فترة 60,000 ساعة.

وعليه، في فانوس LED نموذجي بقيمة L80 تبلغ 100,000 ساعة، يمكن لأسلوب CLO أن يوفر 10% من تكاليف الطاقة طوال العمر على مدى تلك الفترة.

ومن الشائع أن يضبط مصنّعو وحدات الإنارة خوارزمية CLO افتراضية تفترض أن عمر المشروع يساوي عمر المنتج. ولكن من المهم الانتباه إلى ذلك كي تُطابَق خوارزمية CLO مع التركيب بشكل صحيح.

ولا ننسَ أيضًا أنه عند استخدام برامج CLO داخل مشغّل LED، وحين يصبح استبدال المشغّل ضروريًا، ستُعاد خوارزمية CLO إلى وضعها الأول وتبدأ من «بداية العمر» مجددًا، ما لم تُبرمج لكل وحدة على حدة! وينتج عن ذلك مشروع بإنارة أقل من المطلوب، ومن ثَمّ غير مطابق للمتطلبات.

فهم أعمار LED ومعاملات الصيانة في إنارة الشوارع LED

إذن، كيف نعرف ما سيكون عليه التدفق الصادر عن LED في نهاية عمر المشروع؟

هناك عدة نماذج يمكن استخدامها لإسقاط التدفق الضوئي، فنتوقع الضوء الصادر بعد فترة تشغيل معينة. تعتمد هذه الأساليب على بيانات مقيسة، ثم تستخدم نماذج رياضية لإسقاط أداء وحدات LED مستقبلًا استنادًا إلى الأداء المرصود خلال فترة الاختبار.

ويُعد TM-21[1] أحد هذه الحسابات، وهو شائع الاستخدام في قطاع الإنارة. ويستند الحساب إلى بيانات تُجمع وفق نتائج اختبار LM-80[2] لوحدات LED.

LM-80 = الاختبار

LM-80 معيار اختبار يحدد الطريقة التي ينبغي بها اختبار حزمة LED أو مصفوفتها أو وحدتها، والطريقة التي ينبغي بها جمع النتائج.

وتقوم الطريقة على تركيب عينة من وحدات LED في حجرة اختبار بظروف محيطة ومدخلات كهربائية مضبوطة بعناية، ثم التأكد من قياس التدفق الضوئي واللونية لهذه الوحدات دوريًا.

ويجب ألا تقل مدة الاختبار عن 6,000 ساعة، وعادةً ما يستمر لفترة أطول بكثير لتحسين دقة الإسقاطات وصلاحيتها. ويُجرى الاختبار عند درجة حرارة لغلاف LED تبلغ 55 درجة و85 درجة ودرجة ثالثة يختارها المصنّع. ويجب جمع البيانات كل 1,000 ساعة على الأقل عند 25 درجة.

ويُعد LM-80 مصدرًا موثوقًا واحدًا من مصادر المعلومات التي تتيح للعملاء تقييم معاملات المحافظة على التدفق الضوئي لوحدات إنارة الشوارع LED من مختلف المصنّعين ومقارنتها. لكنه ليس مقياسًا شاملًا لأداء نظام LED أو موثوقيته.

وتجدر الإشارة إلى أنه إذا كان عمر المشغّل أقصر من عمر الوحدة، فقد يلزم استبدال المشغّل قبل اكتمال دورة حياة وحدة الإنارة. وهذا يعني أنه لا يمكن الاكتفاء برقم واحد يعلن العمر الكلي لوحدة الإنارة. وينبغي الإعلان عن قيم الوحدة والمشغّل كلٌّ على حدة وعدم دمجها.

TM-21 = الإسقاطات

طُوّر TM-21 لاستقراء بيانات الاختبار قصيرة الأمد لمكونات LED، بهدف التنبؤ بالأعمار المستقبلية وتقديم ضمانات حول التقنية.

وللتنبؤ بانخفاض التدفق الضوئي، لا يتطلب TM-21 سوى تسجيل متوسط التدفق الضوئي (كنسبة مئوية من التدفق الضوئي الأولي) لوحدات LED المختبَرة عند نقاط مختلفة متساوية التباعد خلال الاختبار.

ويمكن بعد ذلك استخدام أسلوب الإسقاط للتنبؤ بانخفاض التدفق الضوئي بعد فترة معينة، أو للتنبؤ بعدد ساعات التشغيل التي ستنقضي قبل أن يبلغ التدفق الضوئي مستوى انخفاض محددًا.

يبيّن الجدول أعلاه (الشكل 1) مثالًا على كيفية تسجيل نتائج LM-80 والنتائج المستخدمة في حساب TM-21.

وناتج ما سبق هو العمر المقدّر للمحافظة على التدفق الضوئي L_x، أي زمن التشغيل المنقضي الذي يحافظ خلاله مصدر ضوء LED على النسبة x من ضوئه الأولي. على سبيل المثال: L₇₀ (ساعات) = الزمن حتى الوصول إلى محافظة على التدفق الضوئي بنسبة 70%.

ولأن TM-21 يحدد حسابًا مبنيًا على متوسط المحافظة على التدفق الضوئي عند كل نقطة قياس، فإن الناتج بحكم التعريف هو متوسط المحافظة على التدفق الضوئي لعينة من الوحدات بعد العمر المقدّر للمحافظة على التدفق الضوئي. وبعبارة أخرى، بعد عدد الساعات المعلن، يكون المتوسط الحسابي لقيم المحافظة على التدفق الضوئي في العينة هو قيمة L_x. ولأن المحافظة على التدفق الضوئي تتبع تقريبًا توزيعًا طبيعيًا، يمكننا القول أيضًا إننا نتوقع في عينة من وحدات LED أن يُظهر نصفها محافظة على التدفق الضوئي أعلى من المتوقع، والنصف الآخر محافظة أدنى من المتوقع (انظروا الشكل 3 أدناه).

ونستنتج من ذلك أن الأسلوب الشائع المحدد في مناقصات إنارة الشوارع، أي TM-21، لا يستطيع إلا إسقاط أرقام متوسط المحافظة على التدفق الضوئي (في التوزيع الطبيعي: المتوسط = الوسيط = المنوال)، وباستخدام الترميز L_xB_y فإنه يمثل L_xB50.

ما تأثير رقم B؟

مستويات الإنارة واستهلاك الطاقة

تطلب بعض مناقصات إنارة الشوارع إسقاطات لقيم «B» لا تمثل متوسط أداء المحافظة على التدفق الضوئي. ومن ذلك L_xB10، أي عدد ساعات التشغيل حتى لا تزيد نسبة وحدات LED التي تقدّم أقل من x% من الضوء الأولي على 10%.

ويبيّن الشكل 2 أنه بالنسبة لوحدات LED التي يتبع انخفاضها توزيعًا طبيعيًا، فإن B10 هي قيمة المحافظة على التدفق الضوئي التي تقع عندها 10% من الوحدات دون هدف L_x و90% فوق هذا الحد.

ولأي LED، سيكون عدد الساعات لقيمة B_y أدنى أقل دائمًا من عدد الساعات حتى B50. ويعتمد الفرق على التباين في المحافظة على التدفق الضوئي المقيس بين عينات الاختبار. ولذلك تُعد قيمة B10 أكثر تحفظًا من B50. ومن الناحية العملية، يعني ذلك أن مجموعة من وحدات LED تبلغ B10 في مرحلة أبكر من عمرها مقارنةً بـB50.

فعلى سبيل المثال، في LED بقيمة L80B50 تبلغ 100,000 ساعة، قد نتوقع أن تكون قيمة L80B10 في حدود 70,000 ساعة. وعند هذه النقطة يمكننا القول إن 10% من وحدات LED ستقدّم أقل من 80% من الضوء. غير أنه، كما يظهر في الشكل 3، يبلغ متوسط الضوء الصادر في هذا المثال بعد 70,000 ساعة في الواقع 87.5%.

فإذا كان تصميم تركيب لإنارة الشوارع LED يجري لعمر مشروع يبلغ 70,000 ساعة، فالسؤال أمام المصمّم هو: هل يستخدم L80B10 = 70,000 ساعة ويعتمد معامل صيانة قدره 0.8، أم يستخدم L87.5B50 = 70,000 ساعة ويعتمد معامل صيانة قدره 0.875؟ من الواضح أن الخيار الثاني سيؤدي إلى استهلاك طاقة أقل.

ويمكن القول إن رقم متوسط المحافظة على التدفق الضوئي هو الأنسب عند اختيار معامل الصيانة، لأننا نريد ضمان ألا تكون إنارة المشروع أقل أو أكثر من المطلوب. وفي المثال أعلاه، إذا استُخدم L80B10 فستزيد إنارة المشروع بنسبة 7.5% في المتوسط، مقارنةً بـL87.5B50 حيث لا تحدث هذه الزيادة (وكلاهما عند 70,000 ساعة).

ولا ننسَ أن وحدة إنارة LED تحتوي عادةً على عدد من وحدات LED. وتنخفض شرائح LED بمعدلات متفاوتة، لذا فإن انخفاض التدفق الضوئي لوحدة الإنارة يمثل أصلًا متوسط انخفاض التدفق الضوئي لشرائح LED المنفردة داخلها.

دقة المقارنة بين وحدات الإنارة

وإلى جانب خطر الإفراط في الإنارة، ثمة مشكلة أخرى في استخدام أرقام «B» تتعلق بطريقة حسابها. فـTM-21 أسلوب حساب محدد لمتوسط المحافظة على التدفق الضوئي، ويتطلب اختبار وحدات LED وفق LM-80. غير أن TM-21 لا يقدّم إرشادات حول كيفية حساب أرقام «B».

ولذلك فإن أي أرقام مقدّمة تُحسب بطريقة يختارها المصنّع. وهذه مشكلة، لأن غياب نهج موحد يعني أنه لا يمكن مقارنة النتائج على أساس متكافئ، ما يُربك في أحسن الأحوال عملية المفاضلة بين وحدات الإنارة.

تفسير المعايير البريطانية

يحدد الملحق C من BS 5489-1 طريقة حساب معاملات الصيانة لإنارة الشوارع LED لاستخدامها في تصاميم الإنارة.

ولا تشير هذه الوثيقة إلى المحافظة على التدفق الضوئي إلا بوصفها قيمة L_x دون أي أسلوب لإدراج قيم B_y في المعادلة. ما يعني أن استخدام أي قيمة غير B50 قد يُعد مضللًا.

فهم أرقام B_Y : التباين في انخفاض التدفق الضوئي

من العوامل الأساسية التي تحاول قيمة «B» فعلًا إلقاء الضوء عليها التباين في المحافظة على التدفق الضوئي بين عينات LED أثناء الاختبار.

فعلى سبيل المثال، إذا كانت لدينا عينة من 10 وحدات LED وشغّلناها لمدة 100,000 ساعة، فمن الأفضل أن تشبه نتائج المحافظة على التدفق الضوئي المقيسة نتائج «المثال 1» في الشكل 3 أدناه بدلًا من «المثال 2».

الشكل 3. التباين في المحافظة على التدفق الضوئي بين العينات

والسبب أن المثال 1 يقدّم اتساقًا أكبر في المحافظة على التدفق الضوئي، رغم تساوي متوسط انخفاض التدفق الضوئي (ومن ثَمّ تطابق أرقام L80B50). وهذا يعني أن جميع وحدات LED ستنخفض بثبات أكبر بكثير، فتقدّم ضوءًا أكثر اتساقًا مع مرور الوقت.

ولو تأكدنا من استخدام الأساليب نفسها لحساب أرقام B10 في مجموعتي المثال، لأبرز طلبُ L80B10 جودةَ المجموعة 1. لكننا نعلم أنه في الواقع لا يوجد توحيد لطريقة حساب هذا المقياس، لذا فإن المقارنات لا تكون مفيدة دائمًا.

وثمة طريقة بديلة يمكن للعملاء من خلالها جمع معلومات عن التباين، وهي التحقق من التباين أو الانحراف المعياري للنتائج في تقرير اختبار LM-80 للوحدة. ولأن LM-80 إجراء اختبار معياري في القطاع، فإن ذلك يضمن مقارنة عادلة ومتينة بين وحدات إنارة متكافئة.

بل يمكن إضافة ذلك إلى وثائق الشراء بمجرد تحديد حد أقصى مسموح به للانحراف المعياري (وهو مقياس لتباين النتائج عن المتوسط) عند أي نقطة قياس للمحافظة على التدفق الضوئي خلال عملية اختبار LM-80.

الخلاصة

استخدام أرقام «B» بديلة بدلًا من إسقاطات TM-21 القياسية قد:

• يؤدي إلى مشروع بإنارة تفوق المطلوب، ومن ثَمّ تكاليف أعلى طوال العمر
• يُربك المفاضلة بين الفوانيس المختلفة، إذ لا يوجد معيار يضمن استخدام المصنّعين للحساب نفسه. في المقابل، فإن TM-21 واحد لدى جميع المصنّعين

استخدام B50 هو المقياس الأدق والأنسب لتحقيق الاتساق مع مبادئ معاملات الصيانة لإنارة الشوارع LED، مع إطالة عمر التركيب ورفع كفاءته إلى أقصى حد.

ولكن الأمر بالطبع ليس بهذه البساطة أبدًا!

فرغم الفوائد الواضحة لاستخدام TM-21 وتجاهل أي ادعاءات بشأن «B»، فإن مشكلة TM-21 أنه يعامل LED ذا التباين الكبير في المحافظة على التدفق الضوئي بين عينات LED معاملة LED ذي المحافظة المتسقة جدًا على التدفق الضوئي بين عينات LED.

ولذلك يُستحسن تحديد مصدر LED بأقل تباين ممكن في أداء المحافظة على التدفق الضوئي. ويمكن القيام بذلك بطريقة متسقة وقابلة للمقارنة من خلال تحديد حد أدنى للتباينات المرصودة في نتائج اختبار LM-80 (انظروا صف الانحراف المعياري Std Dev. المظلل باللون البيج في الشكل 2.)

وفي نهاية المطاف، من الواضح أن استهلاك طاقة تفوق ما يلزم لاستيفاء المعايير أمر غير مرغوب فيه. وتحديد مقياس أداء مستهدف مثل L80B10 لا يسبب ذلك فحسب، بل هو عرضة للتلاعب أيضًا، ويؤثر في القدرة على مقارنة وحدات الإنارة بدقة.

Lawrence Baynham MEng هو المدير الفني في INDO. نُشرت نتائج دراسته في عدد نوفمبر/ديسمبر 2017 من مجلة ILP Lighting Journal بعنوان «Diminishing Returns»، وقدّمها في ندوته عبر الإنترنت «To B50 or not to B50».

[1] TM-21-11 Projecting Long-Term Lumen Maintenance of LED Light Sources – Illuminating Engineering Society of North America (IESNA)

[2] LM-80-08 Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources – IESNA