B50 oder nicht B50: LED-Wartungsfaktoren

Bei der Berücksichtigung der richtigen Lampen-Lichtstrom-Wartungsfaktoren für LED-Straßenbeleuchtung ist die korrekte Einbeziehung der Lichtstromdegradation ein wesentlicher Bestandteil der Sicherstellung, dass ein Beleuchtungsdesign die End-of-Life-Anforderungen erfüllt. Stellen Beleuchtungsfachleute jedoch ihren Lieferanten die richtigen Fragen?

Es ist allgemein bekannt, dass die Lichtleistung einer LED über die Zeit abnimmt, was als Lichtstromdegradation bezeichnet wird. Um sicherzustellen, dass ein Beleuchtungsdesign auch am Ende der Lebensdauer den Anforderungen entspricht, müssen wir diese Lichtstromdegradation über die Lebensdauer der Leuchte berücksichtigen.

Dadurch ergibt sich entweder am Anfang der Lebensdauer mehr Licht als erforderlich, oder wir verwenden eine Methode mit konstantem Lichtstrom (CLO), um über den Zeitraum hinweg konsistente Niveaus zu liefern, indem die Anlage in gedimmtem Zustand gestartet wird und die Leistung über die Betriebslebensdauer schrittweise auf das Maximum erhöht wird.

Soweit, so gut. Wir haben zwei klare Möglichkeiten, mit der Lichtstromdegradation umzugehen, und diese sind von allen großen Beleuchtungsherstellern erhältlich.

Das richtige CLO-Profil wählen

Ein Gesichtspunkt, der leicht übersehen werden kann, ist jedoch die Abstimmung des CLO-Algorithmus auf die Projektlebensdauer, für die das Design ausgelegt ist.

Wenn die Projektdesign-Lebensdauer beispielsweise 100.000 Stunden beträgt und wir wissen, dass nach dieser Zeit der LED-Ausgang einer Anlage 80 % seines ursprünglichen Wertes beträgt, sollten wir bei der Installation der Leuchten bei 80 % Ausgangsleistung beginnen und die Leistung so erhöhen, dass nach 100.000 Stunden 100 % erreicht werden.

Wenn die Projektlebensdauer 60.000 Stunden beträgt und dasselbe Produkt nach diesem Zeitraum 88 % seines Ausgangswertes hat, sollte der CLO-Algorithmus bei 88 % Ausgangsleistung beginnen und über den 60.000-Stunden-Zeitraum auf 100 % ansteigen.

Bei einer typischen LED-Leuchte mit einem L80 von 100.000 Stunden könnte CLO also 10 % der Energiekosten über die Lebensdauer einsparen.

Es ist üblich, dass Leuchtenhersteller einen Standard-CLO-Algorithmus einstellen, der davon ausgeht, dass die Projektlebensdauer der Produktlebensdauer entspricht. Es ist jedoch wichtig, sich dessen bewusst zu sein, damit das CLO-Profil korrekt an die Installation angepasst werden kann.

Vergessen Sie auch nicht: Wenn CLO-Programme im LED-Treiber verwendet werden und ein Treiberaustausch notwendig wird, wird der CLO-Algorithmus, sofern er nicht einzeln auf jede Anlage programmiert wird, zurückgesetzt und beginnt wieder von „Anfang der Lebensdauer“ an. Das führt zu einem unterbeleuchtetem, also nicht konformem Projekt.

LED-Lebensdauern und Wartungsfaktoren für LED-Straßenbeleuchtung verstehen

Wie wissen wir also, was der LED-Ausgang am Ende des Projekts sein wird?

Es gibt verschiedene Modelle, die zur Projektion des Lichtstroms verwendet werden können, damit wir vorhersagen können, welche Lichtleistung nach einer bestimmten Betriebszeit zu erwarten ist. Diese Methoden basieren auf gemessenen Daten und verwenden mathematische Modelle, um zu projizieren, wie die LEDs basierend auf der beobachteten Leistung während des Testzeitraums in der Zukunft abschneiden werden.

TM-21[1] ist eine solche Berechnung, die in der Beleuchtungsbranche häufig verwendet wird. Die Berechnung basiert auf Daten, die gemäß den LM-80[2]-Ergebnissen der LEDs erhoben werden.

LM-80 = Prüfung

LM-80 ist ein Prüfstandard, der die Methode zur Prüfung eines LED-Packages, Arrays oder Moduls sowie die Art der Erfassung der Ergebnisse festlegt.

Die Methode umfasst die Montage der LED-Muster in eine Prüfkammer mit sorgfältig kontrollierten Umgebungsbedingungen und elektrischen Eingangsgrößen sowie die regelmäßige Messung der Lichtleistung und Chromatizität der Bauteile.

Die Prüfdauer muss mindestens 6.000 Stunden betragen und wird in der Regel für einen wesentlich längeren Zeitraum fortgeführt, um die Genauigkeit und Validität der Projektionen zu verbessern. Die Prüfung erfolgt bei einer LED-Gehäusetemperatur von 55 Grad, 85 Grad und einer dritten, vom Hersteller gewählten Temperatur. Daten müssen mindestens alle 1.000 Stunden bei 25 Grad erfasst werden.

LM-80 ist eine zuverlässige Informationsquelle, die es Kunden ermöglicht, die Lichtstrom-Wartungsfaktoren für LED-Straßenbeleuchtungsanlagen verschiedener Hersteller zu bewerten und zu vergleichen. Es ist jedoch kein vollständiges Maß für die LED-Systemleistung oder -Zuverlässigkeit.

Es ist zu beachten, dass, wenn die Lebensdauer des Treibers kürzer ist als die des Moduls, ein Treiberaustausch vor Ablauf des Lebenszyklus der Leuchte notwendig sein kann. Das bedeutet, dass keine einzige Zahl die Gesamtleuchtenlebensdauer angeben kann. Die Werte des Moduls und des Treibers sollten separat deklariert und nicht kombiniert werden.

TM-21 = Projektionen

TM-21 wurde entwickelt, um diese kurzfristigen LED-Komponenten-Testdaten zu extrapolieren und künftige Lebensdauern vorherzusagen sowie die Technologie zu bestätigen.

Zur Vorhersage der Lichtstromdegradation erfordert TM-21 lediglich die Aufzeichnung der durchschnittlichen (mittleren) Lichtleistung (als Prozentsatz der Anfangslichtleistung) der getesteten LEDs an verschiedenen gleichmäßig verteilten Punkten während der Prüfung.

Die Projektionsmethode kann dann verwendet werden, um die Lichtstromdegradation nach einem bestimmten Zeitraum vorherzusagen oder die Anzahl der Betriebsstunden zu ermitteln, die verstreichen, bevor die Lichtleistung ein definiertes Degradationsniveau erreicht.

Die obige Tabelle (Abbildung 1) zeigt ein Beispiel dafür, wie die LM-80-Ergebnisse erfasst werden und welche Ergebnisse in der TM-21-Berechnung verwendet werden.

Das Ergebnis des oben Genannten ist die bewertete Lichtstrom-Wartungslebensdauer L_x, d.h. die verstrichene Betriebszeit, über die die LED-Lichtquelle den Prozentsatz x ihrer ursprünglichen Lichtleistung aufrechterhalten wird. Zum Beispiel: L₇₀ (Stunden) = Zeit bis zu 70 % Lichtstrom-Wartung.

Da TM-21 eine Berechnung auf Basis der durchschnittlichen Lichtstrom-Wartung an jedem Messpunkt definiert, ist das Ergebnis per Definition die durchschnittliche Lichtstrom-Wartung eines Musters von Anlagen nach der bewerteten Lichtstrom-Wartungslebensdauer. Mit anderen Worten: Nach den angegebenen Stunden wird der arithmetische Mittelwert der Lichtstrom-Wartungen des Musters der L_x-Wert sein. Da die Lichtstrom-Wartung annähernd einer Normalverteilung folgt, können wir auch sagen, dass für ein Muster von LEDs zu erwarten ist, dass die Hälfte der Anlagen eine höhere Lichtstrom-Wartung als vorhergesagt zeigt und die andere Hälfte eine niedrigere (siehe Abbildung 3 unten).

Daraus ergibt sich, dass die in der Straßenbeleuchtungsausschreibung häufig spezifizierte Methode TM-21 nur durchschnittliche Lichtstrom-Wartungswerte projizieren kann (bei einer Normalverteilung gilt: Mittelwert = Median = Modus) und unter Verwendung der L_xB_y-Notation L_xB50 darstellen würde.

Welche Auswirkungen hat der B-Wert?

Beleuchtungsniveaus und Energieverbrauch

Einige Ausschreibungen für Straßenbeleuchtung fordern Projektionen von „B“-Werten, die nicht die durchschnittliche Lichtstrom-Wartungsleistung darstellen. Zum Beispiel L_xB10, d.h. die Anzahl der Betriebsstunden, bis nicht mehr als 10 % der LEDs weniger als x % der ursprünglichen Lichtleistung liefern.

Abbildung 2 zeigt, dass bei LEDs, deren Abfall einer Normalverteilung folgt, B10 der Lichtstrom-Wartungswert wäre, für den 10 % unter das L_x-Ziel fallen und 90 % über dem Schwellenwert liegen.

Für jede LED ist die Stundenanzahl für einen niedrigeren B_y-Wert immer geringer als die Stundenanzahl bis B50. Der Unterschied hängt von der Varianz in der Lichtstrom-Wartung zwischen den Testmustern ab. Ein B10-Wert ist daher konservativer als B50. In der Praxis bedeutet das, dass B10 zu einem früheren Zeitpunkt in der Lebensdauer eines Satzes von LED-Modulen erreicht wird als B50.

Als Beispiel: Bei einer LED mit L80B50 von 100.000 Stunden wäre der L80B10-Wert voraussichtlich in der Größenordnung von 70.000 Stunden. Zu diesem Zeitpunkt können wir sagen, dass 10 % der LEDs weniger als 80 % der Lichtleistung haben. Wie jedoch in Abbildung 3 zu sehen ist, beträgt die durchschnittliche Lichtleistung für dieses Beispiel nach 70.000 Stunden tatsächlich 87,5 %.

Wenn also eine LED-Straßenbeleuchtungsanlage für eine Projektlebensdauer von 70.000 Stunden ausgelegt wird, stellt sich für den Designer die Frage, ob L80B10 = 70.000 Stunden verwendet und der Wartungsfaktor mit 0,8 angesetzt werden soll, oder ob L87,5B50 = 70.000 Stunden verwendet und der Wartungsfaktor mit 0,875 angesetzt werden soll. Letzteres führt eindeutig zu weniger Energieverbrauch.

Man könnte argumentieren, dass der durchschnittliche Lichtstrom-Wartungswert bei der Auswahl des Wartungsfaktors geeigneter ist, da wir sicherstellen wollen, dass das Projekt weder unter- noch überbelichtet ist. Bei Verwendung des obigen Beispiels wird das Projekt mit L80B10 im Durchschnitt um 7,5 % überbelichtet sein, verglichen mit L87,5B50, bei dem dies nicht der Fall ist (beide beziehen sich auf 70.000 Stunden).

Vergessen Sie nicht: Eine LED-Leuchte enthält in der Regel mehrere LEDs. LED-Chips degradieren mit unterschiedlichen Raten, sodass die Lichtstromdegradation der Leuchte bereits einen Mittelwert aus der Lichtstromdegradation der einzelnen LED-Chips innerhalb der Anlage bildet.

Genauigkeit von Leuchtenvergleichen

Neben dem Risiko der Überbeleuchtung ist ein weiteres Problem bei der Verwendung von „B“-Werten die Art ihrer Berechnung. TM-21 ist eine definierte Berechnungsmethode für die durchschnittliche Lichtstrom-Wartung und erfordert, dass die LEDs gemäß LM-80 getestet werden. TM-21 gibt jedoch keine Anleitung zur Berechnung von „B“-Werten.

Daher werden alle angegebenen Werte nach einer vom Hersteller gewählten Methode berechnet. Das ist problematisch, da das Fehlen eines standardisierten Ansatzes bedeutet, dass Ergebnisse nicht auf einer einheitlichen Basis verglichen werden können, was im besten Fall den Entscheidungsprozess zwischen Leuchten trübt.

Auslegung britischer Normen

Anhang C von BS 5489-1 beschreibt das Verfahren zur Berechnung von Wartungsfaktoren für LED-Straßenbeleuchtung, die in Beleuchtungsdesigns verwendet werden sollen.

Dieses Dokument bezieht sich ausschließlich auf die Lichtstrom-Wartung als L_x-Wert ohne Methode zur Einbeziehung von B_y-Werten in die Gleichung. Das bedeutet, dass die Verwendung von etwas anderem als B50 als irreführend betrachtet werden könnte.

B_Y-Werte verstehen: Varianz bei der Lichtstromdegradation

Ein wesentlicher Faktor, den der „B“-Wert zu beleuchten versucht, ist die Varianz der Lichtstrom-Wartung zwischen LED-Mustern während der Prüfung.

Wenn wir beispielsweise ein Muster von 10 LEDs haben und diese 100.000 Stunden lang betreiben, wäre es wünschenswerter, wenn die gemessenen Lichtstrom-Wartungsergebnisse eher denen von „Beispiel 1“ in Abbildung 3 unten ähneln als denen von „Beispiel 2“.

Abbildung 3. Varianz der Lichtstrom-Wartung zwischen Mustern

Der Grund dafür ist, dass Beispiel 1 trotz gleicher durchschnittlicher Lichtstromdegradation (und damit identischer L80B50-Werte) mehr Konsistenz in der Lichtstrom-Wartung bietet. Das würde bedeuten, dass alle LEDs wesentlich gleichmäßiger abbauen und somit eine konsistentere Lichtleistung über die Zeit liefern.

Wenn wir sicher sein könnten, dass dieselben Methoden zur Berechnung der B10-Werte für beide Beispielmengen verwendet wurden, würde die Qualität von Beispielmenge 1 durch die Anforderung von L80B10 hervorgehoben. In der Praxis gibt es jedoch, wie bekannt, keine Standardisierung für die Berechnung dieser Kennzahl, sodass Vergleiche nicht immer sinnvoll sind.

Eine alternative Möglichkeit für Kunden, Informationen über die Varianz zu sammeln, ist die Prüfung der Varianz oder Standardabweichung der Ergebnisse des LM-80-Testberichts einer Anlage. Da LM-80 ein branchenübliches Prüfverfahren ist, wäre so ein fairer und fundierter Vergleich zwischen gleichwertigen Leuchten gewährleistet.

Dies könnte sogar in Beschaffungsdokumente aufgenommen werden, indem einfach eine maximal zulässige Standardabweichung (ein Maß für die Varianz der Ergebnisse vom Durchschnitt) an jedem Lichtstrom-Wartungsmesspunkt während des LM-80-Prüfprozesses angegeben wird.

Zusammenfassung

Die Verwendung alternativer „B“-Werte im Vergleich zu Standard-TM-21-Projektionen kann:

• Zu einem überbeleuchteten Projekt und damit zu höheren Lebenszykluskosten führen
• Die Beurteilung zwischen verschiedenen Leuchten erschweren, da kein Standard vorhanden ist, der sicherstellt, dass Hersteller dieselbe Berechnung verwenden. TM-21 hingegen ist bei allen Herstellern gleich

Die Verwendung von B50 ist das genaueste und geeignetste Maß, um Konsistenz mit den Wartungsfaktor-Grundsätzen für LED-Straßenbeleuchtung sicherzustellen und gleichzeitig die Lebensdauer und Effizienz der Installation zu maximieren.

Natürlich ist es nie ganz so einfach.

Obwohl der Einsatz von TM-21 und das Ignorieren von „B“-Wertaussagen klare Vorteile hat, ist das Problem mit TM-21, dass eine LED mit einem hohen Maß an Varianz in der Lichtstrom-Wartung zwischen LED-Mustern genauso behandelt wird wie eine LED mit einer sehr konsistenten Lichtstrom-Wartung zwischen LED-Mustern.

Es ist daher wünschenswert, eine LED-Quelle zu spezifizieren, die möglichst geringe Varianz in der Lichtstrom-Wartungsleistung aufweist. Dies kann auf konsistente und vergleichbare Weise erreicht werden, indem minimale beobachtete Varianzen in den LM-80-Testergebnissen spezifiziert werden (siehe beige markierte Std.-Abw.-Zeile in Abbildung 2).

Letztlich ist es eindeutig nicht wünschenswert, mehr Energie als zur Erfüllung der Standards erforderlich zu verbrauchen. Die Festlegung einer Zielleistungskennzahl wie L80B10 führt nicht nur dazu, sondern ist auch manipulationsanfällig und beeinträchtigt die Fähigkeit, Leuchten genau zu vergleichen.

Lawrence Baynham MEng ist Technischer Direktor bei INDO Lighting. Seine Erkenntnisse wurden in der ILP Lighting Journal Ausgabe Nov./Dez. 2017 unter dem Titel „Diminishing Returns“ veröffentlicht und in seinem Webinar „To B50 or not to B50“ präsentiert.

[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