Nella scelta dei fattori di mantenimento del flusso luminoso corretti per l’illuminazione stradale LED, tenere conto della giusta quantità di degradazione del flusso è un elemento critico per garantire che un progetto illuminotecnico rispetti i requisiti di fine vita. Gli esperti del settore stanno però ponendo le domande giuste ai propri fornitori?
È noto che nel tempo il flusso luminoso di un LED diminuisce: si tratta del cosiddetto processo di degradazione del flusso. Per garantire che un progetto illuminotecnico rispetti i requisiti anche a fine vita, è quindi necessario tenere conto di questa degradazione per tutta la durata dell’apparecchio.
Procedendo in questo modo, si ottiene o una quantità di luce superiore al necessario all’inizio della vita, oppure si utilizza un metodo a flusso costante (CLO) per mantenere livelli uniformi nel tempo, avviando l’apparecchio in modalità dimmerata e aumentando gradualmente la potenza fino al massimo nel corso della vita operativa.
Fin qui, tutto chiaro. Abbiamo due scelte nette su come gestire la degradazione del flusso, entrambe ampiamente disponibili presso i principali produttori di apparecchi illuminanti.
Scegliere il profilo CLO corretto
Una considerazione che può essere facilmente trascurata è l’allineamento dell’algoritmo CLO alla durata prevista dello schema progettuale.
Se la vita progettuale dello schema è, ad esempio, di 100.000 ore e si sa che dopo questo periodo il flusso luminoso dei LED dell’apparecchio sarà all’80% del valore iniziale, al momento dell’installazione si dovrebbe avviare all’80% del flusso e aumentare la potenza fino al 100% dopo 100.000 ore.
Analogamente, se la vita dello schema è di 60.000 ore e lo stesso prodotto mantiene l’88% del flusso dopo questo periodo, l’algoritmo CLO dovrebbe avviarsi all’88% e aumentare fino al 100% nel corso delle 60.000 ore.
Per un apparecchio LED tipico con L80 di 100.000 ore, il CLO può consentire un risparmio energetico del 10% nel corso dell’intera vita.
È prassi comune per i produttori di apparecchi illuminanti impostare un algoritmo CLO predefinito che presuppone che la vita dello schema corrisponda alla vita del prodotto. È importante essere consapevoli di questo aspetto, affinché il profilo CLO possa essere correttamente adattato all’installazione.
Si tenga presente inoltre che, quando si utilizzano programmi CLO all’interno del driver LED, nel caso in cui sia necessaria la sostituzione del driver, a meno che non venga riprogrammato unità per unità, l’algoritmo CLO si azzererà e ripartirà dall’«inizio della vita»! Questo comporterà uno schema sottodimensionato e, pertanto, non conforme.
Comprendere la durata dei LED e i fattori di mantenimento per l’illuminazione stradale LED
Come conoscere il flusso luminoso del LED a fine schema?
Esistono diversi modelli per proiettare il flusso luminoso e prevedere quale sarà la resa luminosa dopo un determinato periodo di funzionamento. Questi metodi si basano su dati misurati e utilizzano modelli matematici per proiettare le prestazioni future dei LED in base alle prestazioni osservate durante il periodo di prova.
TM-21[1] è uno di questi calcoli, ampiamente utilizzato nel settore dell’illuminazione. Il calcolo si basa sui dati raccolti secondo i risultati LM-80[2] dei LED.
LM-80 = Prove
LM-80 è una norma di prova che definisce il modo in cui un package, un array o un modulo LED deve essere sottoposto a test, e la modalità di raccolta dei risultati.
Il metodo prevede il montaggio del campione di LED in una camera di prova con condizioni ambientali ed elettriche accuratamente controllate, e la misurazione periodica del flusso luminoso e della cromaticità dei dispositivi.
La durata della prova deve essere di almeno 6.000 ore e viene tipicamente proseguita per un periodo molto più lungo per migliorare la precisione e la validità delle proiezioni. Le prove vengono effettuate a una temperatura di giunzione del LED di 55 gradi, 85 gradi e a una terza temperatura scelta dal produttore. I dati devono essere raccolti almeno ogni 1.000 ore a 25 gradi.
LM-80 è solo una fonte affidabile di informazioni che consente ai clienti di valutare e confrontare i fattori di mantenimento del flusso luminoso per gli apparecchi di illuminazione stradale LED di diversi produttori. Non è tuttavia una misura completa delle prestazioni o dell’affidabilità del sistema LED.
Vale la pena notare che, se la durata del driver è inferiore a quella del modulo, potrebbe essere necessaria la sostituzione del driver prima che il ciclo di vita dell’apparecchio sia completato. Ciò significa che non è possibile indicare un unico valore per la durata totale dell’apparecchio. I valori del modulo e del driver devono essere dichiarati separatamente e non combinati.
TM-21 = Proiezioni
TM-21 è stato sviluppato per estrapoloare i dati di prova a breve termine dei componenti LED e prevedere le durate future, fornendo garanzie sulla tecnologia.
Per prevedere la degradazione del flusso luminoso, TM-21 richiede semplicemente che la media del flusso luminoso (come percentuale del flusso iniziale) dei LED testati venga registrata in vari punti equidistanti durante la prova.
Il metodo di proiezione può quindi essere utilizzato per prevedere la degradazione del flusso luminoso dopo un determinato periodo, oppure per prevedere il numero di ore di funzionamento che trascorreranno prima che il flusso raggiunga un livello di degradazione definito.
La tabella precedente (Figura 1) mostra un esempio di come vengono acquisiti i risultati LM-80 e quali risultati vengono utilizzati nel calcolo TM-21.
Il risultato di quanto sopra è la vita di mantenimento del flusso nominale Lx, ossia il tempo di funzionamento trascorso durante il quale la sorgente luminosa LED manterrà la percentuale x del suo flusso iniziale. Ad esempio: L70 (ore) = tempo al 70% di mantenimento del flusso.
Poiché TM-21 definisce un calcolo basato sul mantenimento medio del flusso in ciascun punto di misurazione, il risultato è, per definizione, il mantenimento del flusso medio di un campione di unità dopo la vita di mantenimento del flusso nominale. In altre parole, dopo le ore indicate, la media aritmetica dei mantenimenti del flusso del campione corrisponderà al valore Lx. Poiché il mantenimento del flusso segue approssimativamente una distribuzione normale, si può anche affermare che, per un campione di LED, ci si aspetta che metà delle unità mostri un mantenimento del flusso superiore a quello previsto e l’altra metà inferiore (si veda la Figura 3 di seguito).
Da questo emerge che il metodo comunemente specificato nei bandi di gara per l’illuminazione stradale, TM-21, è in grado di proiettare solo valori di mantenimento del flusso medi (per una distribuzione normale media = mediana = moda) e, utilizzando la notazione LxBy, rappresenterebbe LxB50.
Quale impatto ha il valore B?
Livelli di illuminazione e consumo energetico
Alcuni bandi di gara per l’illuminazione stradale richiedono proiezioni di valori «B» che non rappresentano le prestazioni medie di mantenimento del flusso. Ad esempio, LxB10, ossia il numero di ore di funzionamento fino a quando non più del 10% dei LED fornisce meno di x% del flusso iniziale.
La Figura 2 mostra che, per i LED la cui degradazione segue una distribuzione normale, B10 sarebbe il valore di mantenimento del flusso per il quale il 10% scende al di sotto dell’obiettivo Lx e il 90% supera la soglia.
Per qualsiasi LED, il numero di ore per un valore By inferiore sarà sempre minore del numero di ore a B50. La differenza dipende dalla variazione del mantenimento del flusso misurata tra i campioni di prova. Un valore B10 è pertanto più conservativo di B50. In termini pratici, ciò significa che B10 viene raggiunto in una fase precedente della vita di un set di moduli LED rispetto a B50.
A titolo di esempio, per un LED con L80B50 di 100.000 ore, ci si potrebbe aspettare che il valore L80B10 sia nell’ordine di 70.000 ore. A questo punto, si può affermare che il 10% dei LED avrà meno dell’80% del flusso. Tuttavia, come si può vedere nella Figura 3, il flusso medio per questo esempio dopo 70.000 ore è in realtà dell’87,5%.
Se un’installazione di illuminazione stradale LED viene progettata con una vita dello schema di 70.000 ore, la domanda per il progettista è se utilizzare L80B10 = 70.000 ore e prendere il fattore di manutenzione pari a 0,8, oppure utilizzare L87,5B50 = 70.000 ore e prendere il fattore di manutenzione pari a 0,875. Chiaramente, quest’ultima opzione comporterà un consumo energetico inferiore.
Si potrebbe sostenere che il valore medio del mantenimento del flusso sia più appropriato per la selezione del fattore di manutenzione, poiché si vuole garantire che lo schema non sia né sottoilluminato né sovrailluminato. Usando l’esempio precedente, se si utilizza L80B10, lo schema sarà mediamente sovrailluminato del 7,5%, rispetto a L87,5B50 dove ciò non accade (entrambi a 70.000 ore).
Si tenga presente che un apparecchio LED contiene solitamente un certo numero di LED. I chip LED si degradano a velocità diverse, quindi la degradazione del flusso dell’apparecchio sarà già una media della degradazione dei singoli chip LED all’interno dell’unità.
Accuratezza dei confronti tra apparecchi
Oltre al rischio di sovrailluminazione, un altro problema relativo all’uso dei valori «B» riguarda il modo in cui vengono calcolati. TM-21 è un metodo di calcolo definito per il mantenimento medio del flusso e richiede che i LED vengano testati secondo LM-80. Tuttavia, TM-21 non fornisce indicazioni su come calcolare i valori «B».
Pertanto, qualsiasi dato fornito viene calcolato con un metodo scelto dal produttore. Ciò è problematico, poiché la mancanza di un approccio standardizzato impedisce il confronto dei risultati su base omogenea, il che, nella migliore delle ipotesi, offusca il processo decisionale tra gli apparecchi.
Interpretazione delle norme britanniche
L’allegato C della BS 5489-1 descrive il processo per il calcolo dei fattori di manutenzione per l’illuminazione stradale LED da utilizzare nei progetti illuminotecnici.
Questo documento fa riferimento al mantenimento del flusso solo come valore Lx, senza alcun metodo per incorporare i valori By nell’equazione. Il che significa che utilizzare qualsiasi valore diverso da B50 potrebbe essere considerato fuorviante.
Comprendere i valori BY: variazione nella degradazione del flusso luminoso
Un fattore chiave che il valore «B» tenta di evidenziare è la variazione del mantenimento del flusso tra i campioni LED durante la prova.
Ad esempio, se si dispone di un campione di 10 LED e si fa funzionare per 100.000 ore, sarebbe più auspicabile che i risultati del mantenimento del flusso assomigliassero all’«Esempio 1» nella Figura 3 seguente, piuttosto che all’«Esempio 2».
Figura 3. Variazione del mantenimento del flusso tra i campioni
La ragione è che, pur avendo la stessa degradazione media del flusso (e quindi valori L80B50 identici), l’Esempio 1 offre una maggiore coerenza nel mantenimento del flusso. Ciò significa che tutti i LED si degraderebbero in modo molto più uniforme, garantendo così un flusso più costante nel tempo.
Se si potesse essere certi che gli stessi metodi sono stati utilizzati per calcolare i valori B10 in entrambi i set di esempio, la qualità del set 1 sarebbe evidenziata dalla richiesta di L80B10. In pratica, però, come sappiamo, non esiste una standardizzazione per il calcolo di questa metrica, quindi i confronti non sono sempre utili.
Un modo alternativo con cui i clienti possono raccogliere informazioni sulla variabilità è verificare la varianza o la deviazione standard dei risultati del rapporto di prova LM-80 di un’unità. Poiché LM-80 è una procedura di prova standardizzata del settore, ciò garantirebbe un confronto equo e solido tra apparecchi equivalenti.
Questo potrebbe essere aggiunto anche nei documenti di gara, semplicemente specificando una deviazione standard massima consentita (una misura della variazione dei risultati rispetto alla media) da qualsiasi punto di misurazione del mantenimento del flusso durante il processo di prova LM-80.
Sintesi
L’utilizzo di valori «B» alternativi rispetto alle proiezioni standard TM-21 può:
- Determinare uno schema sovrailluminato e quindi costi di ciclo di vita più elevati
- Rendere difficile il confronto tra apparecchi diversi, poiché non esiste uno standard che garantisca l’utilizzo dello stesso calcolo da parte di tutti i produttori. Al contrario, TM-21 è uniforme per tutti i produttori
L’utilizzo di B50 è la misura più precisa e appropriata per garantire la coerenza con i principi dei fattori di manutenzione per l’illuminazione stradale LED, massimizzando al contempo la durata e l’efficienza dell’installazione.
Naturalmente, non è mai così semplice!
Pur essendo chiari i vantaggi dell’utilizzo di TM-21 e dell’esclusione di qualsiasi valore «B», il problema di TM-21 è che un LED con un elevato grado di variazione nel mantenimento del flusso tra campioni è trattato allo stesso modo di un LED con un mantenimento del flusso molto uniforme tra i campioni.
È pertanto auspicabile specificare una sorgente LED con la minore variazione possibile nelle prestazioni di mantenimento del flusso. Ciò può essere fatto in modo coerente e comparabile specificando variazioni minime osservate nei risultati della prova LM-80 (si veda la riga Deviazione Standard evidenziata in beige nella Figura 2).
In definitiva, consumare più energia del necessario per soddisfare le norme non è chiaramente auspicabile. Fissare un parametro target come L80B10 non solo provoca questo problema e si presta a manipolazioni, ma incide anche sulla capacità di confrontare accuratamente gli apparecchi.
Lawrence Baynham MEng è Direttore Tecnico di INDO Lighting. I suoi risultati sono stati pubblicati nel numero di novembre/dicembre 2017 dell’ILP Lighting Journal con il titolo «Diminishing Returns» e presentati nel suo 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
