Når man skal fastlægge de korrekte lysstrømsvedligeholdelsesfaktorer for LED-vejbelysning, er det afgørende at regne med den korrekte mængde lysstrømsforringelse for at sikre, at et belysningsdesign overholder kravene ved slutlevetid. Men stiller belysningsfagfolk de rigtige spørgsmål til deres leverandører?
Det er almindeligt kendt, at en LED’s lysoutput falder over tid, hvilket kaldes lysstrømsforringelse. For at sikre, at et belysningsdesign overholder kravene, selv ved slutlevetid, skal vi derfor tage højde for denne lysstrømsforringelse over armaturets levetid.
Gør vi det, ender vi enten med mere lys, end der er behov for, ved starten af levetiden, eller også bruger vi en metode med konstant lysoutput (CLO) til at levere ensartede niveauer over perioden ved at starte enheden i en dæmpet tilstand og gradvist øge den til fuld effekt over driftslevetiden.
Indtil videre, så godt så vel. Vi har to klare muligheder for at håndtere lysstrømsforringelse, og begge er let tilgængelige hos alle større belysningsproducenter.
Valg af den korrekte CLO-profil
Et forhold, der let overses, er dog at afstemme CLO-algoritmen med den skemalevetid, der designes til.
Hvis skemaets designlevetid for eksempel er 100.000 timer, og vi ved, at en enheds LED-output efter denne tid vil være 80% af sin oprindelige værdi, bør vi, når armaturerne installeres, starte ved 80% output og øge effekten, så den når 100% efter 100.000 timer.
Hvis en skemalevetid på samme måde er 60.000 timer, og det samme produkt har 88% af sit output efter denne periode, bør CLO-algoritmen starte ved 88% output og øge til 100% output over 60.000-timers-perioden.
Ser vi på et typisk LED-armatur med en L80 på 100.000 timer, kan CLO altså spare 10% af de samlede energiomkostninger over levetiden.
Det er almindeligt for armaturproducenter at indstille en standard-CLO-algoritme ud fra en antagelse om, at skemalevetiden er lig med produktlevetiden. Men det er vigtigt at være opmærksom på dette, så CLO-profilen kan afstemmes korrekt med installationen.
Husk også, at når man bruger CLO-programmer i LED-driveren, vil CLO-algoritmen, hvis den ikke er programmeret enhed for enhed, blive nulstillet og starte forfra fra ‘begyndelsen af levetiden’, når en driverudskiftning bliver nødvendig! Dette vil resultere i et underbelyst og dermed ikke-kompatibelt skema.
Forståelse af LED-levetider & vedligeholdelsesfaktorer for LED-vejbelysning
Så hvordan ved vi, hvad LED’ens output vil være ved skemaets slutning?
Der findes flere modeller, der kan bruges til at forudsige lysoutput, så vi kan forudsige, hvad lysoutputtet vil være efter en given driftsperiode. Disse metoder tager udgangspunkt i målte data og bruger derefter matematiske modeller til at forudsige, hvordan LED’erne vil præstere i fremtiden baseret på observeret ydeevne i løbet af testperioden.
TM-21[1] er en sådan beregning og bruges ofte i belysningsbranchen. Beregningen er baseret på data indsamlet i henhold til LM-80[2]-resultaterne for LED’erne.
LM-80 = Test
LM-80 er en teststandard, der definerer, hvordan en LED-pakke, et array eller et modul skal testes, og hvordan resultaterne skal indsamles.
Metoden indebærer, at man monterer en stikprøve af LED’er i et testkammer med nøje kontrollerede omgivelsesforhold og elektriske input, og derefter sikrer, at enhederne løbende måles for lysoutput og farvekoordinater.
Testens varighed skal være mindst 6.000 timer og fortsættes typisk over en meget længere periode for at forbedre nøjagtigheden og validiteten af fremskrivningerne. Test udføres ved en LED-kapseltemperatur på 55 grader, 85 grader og en tredje temperatur valgt af producenten. Data skal indsamles mindst hver 1.000 time ved 25 grader.
LM-80 er blot én pålidelig informationskilde, der gør det muligt for kunder at vurdere og sammenligne lysstrømsvedligeholdelsesfaktorer for LED-vejbelysningsenheder fra forskellige producenter. Det er dog ikke et komplet mål for et LED-systems ydeevne eller driftssikkerhed.
Det er værd at bemærke, at hvis driverens levetid er kortere end modulets, kan en driverudskiftning blive nødvendig, før armaturets livscyklus er fuldført. Det betyder, at man ikke kan angive ét samlet tal for armaturets totale levetid. Værdierne for modulet og driveren bør angives hver for sig og ikke slås sammen.
TM-21 = Fremskrivninger
TM-21 blev udviklet til at ekstrapolere disse kortsigtede testdata for LED-komponenter for at forudsige fremtidige levetider og skabe tillid til teknologien.
For at forudsige lysstrømsforringelse kræver TM-21 blot, at det gennemsnitlige (middel-) lysoutput (som en procentdel af startlysoutputtet) for de testede LED’er registreres på forskellige, jævnt fordelte tidspunkter i løbet af testen.
Fremskrivningsmetoden kan derefter bruges til at forudsige lysstrømsforringelsen efter en given periode eller til at forudsige, hvor mange driftstimer der vil gå, før lysoutputtet når et defineret forringelsesniveau.
Tabellen ovenfor (Figur 1) viser et eksempel på, hvordan LM-80-resultaterne indsamles, og hvilke resultater der bruges i TM-21-beregningen.
Resultatet af ovenstående er den angivne lysstrømsvedligeholdelseslevetid Lx, som er den forløbne driftstid, hvorover LED-lyskilden vil bevare procentdelen, x, af sit oprindelige lysoutput. For eksempel: L70 (timer) = tiden til 70% lysstrømsvedligeholdelse.
Da TM-21 definerer en beregning baseret på den gennemsnitlige lysstrømsvedligeholdelse ved hvert målepunkt, er resultatet per definition den gennemsnitlige lysstrømsvedligeholdelse for en stikprøve af enheder efter den angivne lysstrømsvedligeholdelseslevetid. Med andre ord vil det aritmetiske gennemsnit af stikprøvens lysstrømsvedligeholdelser efter det angivne antal timer være Lx-værdien. Da lysstrømsvedligeholdelse nogenlunde følger en normalfordeling, kan vi også sige, at vi for en stikprøve af LED’er ville forvente, at halvdelen af enhederne udviser en højere lysstrømsvedligeholdelse end forudsagt, og halvdelen en lavere lysstrømsvedligeholdelse end forudsagt (se Figur 3 nedenfor).
Vi kan se af dette, at den almindelige metode, der angives i udbud for vejbelysning, TM-21, kun er i stand til at forudsige gennemsnitlige lysstrømsvedligeholdelsestal (for en normalfordeling middelværdi = median = typetal) og, ved brug af notationen LxBy, ville svare til LxB50.
Hvilken betydning har B-tallet?
Lysniveauer og energiforbrug
Nogle udbud for vejbelysning efterspørger fremskrivninger af ‘B’-værdier, der ikke repræsenterer den gennemsnitlige lysstrømsvedligeholdelsesydeevne. For eksempel LxB10, eller med andre ord antallet af driftstimer, indtil højst 10% af LED’erne leverer mindre end x% af det oprindelige lysoutput.
Figur 2 viser, at for LED’er, hvis nedbrydning følger en normalfordeling, vil B10 være den lysstrømsvedligeholdelsesværdi, hvor 10% falder under Lx-målet, og 90% falder over grænsen.
For enhver given LED vil antallet af timer til en lavere By-værdi altid være mindre end antallet af timer til B50. Forskellen vil afhænge af variationen i lysstrømsvedligeholdelse målt mellem testprøverne. En B10-værdi er derfor mere konservativ end B50. I praksis betyder det, at B10 nås på et tidligere tidspunkt i levetiden for et sæt LED-moduler sammenlignet med B50.
Som eksempel kan vi for en LED med et L80B50 på 100.000 timer forvente, at L80B10-værdien ligger omkring 70.000 timer. På dette tidspunkt kan vi sige, at 10% af LED’erne vil have mindre end 80% af lysoutputtet. Som det ses i Figur 3, er det gennemsnitlige lysoutput for dette eksempel efter 70.000 timer imidlertid rent faktisk 87,5%.
Så hvis en LED-vejbelysningsinstallation designes med en skemalevetid på 70.000 timer, er spørgsmålet for designeren, om man skal bruge L80B10 = 70.000 timer og sætte vedligeholdelsesfaktoren til 0,8, eller bruge L87.5B50 = 70.000 timer og sætte vedligeholdelsesfaktoren til 0,875. Det er tydeligt, at sidstnævnte vil resultere i, at der bruges mindre energi.
Man kan argumentere for, at det gennemsnitlige lysstrømsvedligeholdelsestal er mere velegnet, når vedligeholdelsesfaktoren skal vælges, fordi vi ønsker at sikre, at skemaet hverken er underbelyst eller overbelyst. Bruger vi eksemplet ovenfor, vil skemaet i gennemsnit være 7,5% overbelyst, hvis L80B10 anvendes, sammenlignet med L87.5B50, hvor det ikke er tilfældet (begge er på 70.000 timer).
Husk, at et LED-armatur normalt indeholder en række LED’er. LED-chips vil nedbrydes med forskellig hastighed, så armaturets lysstrømsforringelse vil allerede være et gennemsnit af lysstrømsforringelsen for de enkelte LED-chips i enheden.
Nøjagtighed ved sammenligning af armaturer
Ud over risikoen for overbelysning er endnu et problem ved brugen af ‘B’-tal den måde, de beregnes på. TM-21 er en defineret beregningsmetode for gennemsnitlig lysstrømsvedligeholdelse og kræver, at LED’erne testes i henhold til LM-80. TM-21 giver dog ingen vejledning i, hvordan ‘B’-tal skal beregnes.
Derfor beregnes eventuelle oplyste tal ud fra en metode, som producenten selv vælger. Det er problematisk, fordi manglen på en standardtilgang betyder, at resultater ikke kan sammenlignes på lige vilkår, hvilket i bedste fald gør det sværere at træffe beslutninger mellem armaturer.
Fortolkning af britiske standarder
Annex C i BS 5489-1 beskriver processen for beregning af vedligeholdelsesfaktorer for LED-vejbelysning til brug i belysningsdesign.
Dette dokument omtaler kun lysstrømsvedligeholdelse som en Lx-værdi uden nogen metode til at indregne By-værdier i ligningen. Hvilket betyder, at brug af andet end B50 kan anses for misvisende.
Sådan forstår du BY -tal: variation i lysstrømsforringelse
En central faktor, som ‘B’-værdien forsøger at kaste lys over, er variationen i lysstrømsvedligeholdelse mellem LED-prøver under testning.
Hvis vi for eksempel har en stikprøve på 10 LED’er og har drevet dem i 100.000 timer, ville det være mere ønskeligt, at de målte lysstrømsvedligeholdelsesresultater ligner dem i ‘Eksempel 1’ i Figur 3 nedenfor frem for ‘Eksempel 2’.
Figur 3. Variation i lysstrømsvedligeholdelse mellem prøver
Årsagen til dette er, at Eksempel 1, på trods af at have den samme gennemsnitlige lysstrømsforringelse (og dermed identiske L80B50-tal), giver mere ensartethed i lysstrømsvedligeholdelsen. Det vil betyde, at alle LED’er nedbrydes langt mere jævnt og dermed leverer et mere ensartet lysoutput over tid.
Hvis vi kunne være sikre på, at de samme metoder blev brugt til at beregne B10-tal på tværs af begge eksempelsæt, ville kvaliteten af eksempelsæt 1 blive fremhævet ved kravet om L80B10. Men i virkeligheden er der, som vi ved, ingen standardisering for beregningen af dette mål, så sammenligninger er ikke altid nyttige.
En alternativ måde, hvorpå kunder kan indhente information om variabilitet, er at kontrollere variansen eller standardafvigelsen af resultaterne i en enheds LM-80-testrapport. Da LM-80 er en branchestandard-testprocedure, vil dette sikre en fair og robust sammenligning mellem sammenlignelige armaturer.
Dette kunne endda tilføjes i udbudsdokumenter ved blot at angive en maksimalt tilladt standardafvigelse (et mål for variationen af resultater fra gennemsnittet) fra ethvert lysstrømsvedligeholdelses-målepunkt under LM-80-testprocessen.
Opsummering
Brug af alternative ‘B’-tal sammenlignet med standard TM-21-fremskrivninger kan:
- Resultere i et overbelyst skema og dermed højere omkostninger over levetiden
- Gøre det sværere at vurdere forskellige lygter, da der ikke findes en standard, der sikrer, at producenterne bruger samme beregning. TM-21 er til sammenligning ens hos alle producenter
Brug af B50 er det mest præcise og velegnede mål til at sikre overensstemmelse med principperne for vedligeholdelsesfaktorer for LED-vejbelysning, samtidig med at installationens levetid og effektivitet maksimeres.
Men sådan er det naturligvis aldrig helt enkelt!
Selvom der er klare fordele ved at bruge TM-21 og se bort fra eventuelle ‘B’-påstande, er problemet med TM-21, at en LED med stor variation i lysstrømsvedligeholdelse mellem LED-prøver behandles på samme måde som en LED med meget ensartet lysstrømsvedligeholdelse mellem LED-prøver.
Det er derfor ønskeligt at specificere en LED-lyskilde med så lidt variation i lysstrømsvedligeholdelsesydeevnen som muligt. Dette kan gøres på en ensartet og sammenlignelig måde ved at specificere minimale observerede variationer i LM-80-testresultaterne (se den beige markerede Std. afv.-række i Figur 2.)
I sidste ende er det tydeligvis ikke ønskeligt at bruge mere energi end nødvendigt for at opfylde standarderne. At sætte et mål-ydeevnetal som L80B10 forårsager ikke blot dette og er åbent for manipulation, men påvirker også muligheden for at sammenligne armaturer præcist.
Lawrence Baynham MEng er teknisk direktør hos INDO. Hans resultater blev offentliggjort i ILP Lighting Journal for nov./dec. 2017 under titlen “Diminishing Returns” og præsenteret i hans webinar “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
