Oprawy oświetleniowe LED – przegląd parametrów

Żeby tego uniknąć, wybierając oprawy LED, trzeba po pierwsze najpierw ustalić zestaw parametrów, pod względem których różne modele będą ze sobą porównywane. Po drugie pod uwagę powinno się brać wyłącznie te, które zostały zmierzone zgodnie z zaleceniami norm IEC. Są to wytyczne w zakresie tego, co należy publikować w kartach katalogowych opraw i w jaki sposób, czyli w oparciu o jakie metody pomiarowe oraz procedury obliczeniowe, wyznaczać te wskaźniki, żeby zapewniać porównywalność specyfikacji danego wyrobu z innymi dostępnymi na rynku.

Jak powinno się je prawidłowo interpretować, wyjaśnia m.in. dokument pt. Evaluating performance of LED based luminaires. Został on przygotowany i bezpłatnie udostępniony przez stowarzyszenie LightingEurope, które zrzesza europejskie firmy i organizacje z branży oświetleniowej. Można go pobrać ze strony internetowej pod adresem http:// lightingeurope.org. W artykule zostaną przedstawione najważniejsze wnioski z tego opracowania.

Parametry opraw LED

Ważnym dokumentem dla producentów opraw ledowych jest norma IEC 62722 pt. Charakterystyki funkcjonalElektronik Kwiecień 2020 79 Optoelektronika | Technika ne opraw oświetleniowych, a dokładniej część 2-1 pt. Szczegółowe wymagania dla opraw oświetleniowych LED.

Zdefiniowano w niej następujące parametry:

• znamionowa moc wejściowa (P, wyrażana w W), czyli energia elektryczna pobierana ze źródła zasilania sieciowego przez oprawę, w tym jej wszystkie komponenty elektryczne niezbędne do jej działania,
• znamionowy strumień świetlny (Φ), który charakteryzuje ilość emitowanego światła, jest on wyrażany w lumenach (lm),
• znamionowa skuteczność świetlna (η), czyli stosunek strumienia świetlnego do energii elektrycznej pobranej przez źródło światła, wyrażana w lm/W, jest to miara sprawności energetycznej,
• znamionowa światłość, która charakteryzuje ilość światła promieniowaną w określonym kierunku, jednostką światłości jest kandela (cd), czyli lumen na steradian, będący miarą kąta bryłowego,
• kolor światła, określany przez temperaturę barwową (ciepła – do 3300 K, zimna – od 5300 K),
• współczynnik oddawania barw, który charakteryzuje stopień zafałszowania faktycznego koloru przedmiotu po jego oświetleniu (Colour Rendering Index, CRI),
• temperatura otoczenia, w której wyznaczano powyższe parametry (ta w ˚C),
• uśredniona żywotność,
• odsetek opraw, które uległy awarii w okresie uśrednionej żywotności.

LightingEurope zaleca, aby powyższe parametry były standardowo podawane w specyfikacjach opraw LED (tabela 1).

Parametry a normy

Powyższe parametry należy rozumieć jako znamionowe w ten sposób, że zostały zadeklarowane przez producenta dla określonych warunków pracy opraw. Ważne, żeby zawsze umieszczał on w karcie katalogowej wyrobu informację o temperaturze pracy, nawet gdy jest to wartość uznawana za standardową, czyli +25ºC. Ostatnia wartość jest zalecana przez specjalistów z LightingEurope jako obowiązkowa. Jeżeli jednak producent chce, może oczywiście również podać w specyfikacji wyżej wymienione parametry dla innych temperatur pracy.

Ważne jest oprócz tego, żeby poddając ocenie i porównując różne modele opraw oświetleniowych brać pod uwagę przedewszystkim parametry istotne w danym zastosowaniu, pozostałe można natomiast uznać za drugorzędne. W tym celu należy się opierać na wytycznych stosownych norm, w których opisano wymagania dl konkretnych aplikacji. Przykładami takich dokumentów są:

• EN 12464-1 Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach,
• EN 12464-2 Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 2: Miejsca pracy na zewnątrz,
• EN 15193 Efektywność energetyczna budynków – Wymagania energetyczne dotyczące oświetlenia,
• EN 13201-2 Oświetlenie dróg – Część 2: Wymagania eksploatacyjne,
• EN 13201-5 Oświetlenie dróg – Część 5: Wskaźniki efektywności energetycznej,
• EN 12193 Światło i oświetlenie – Oświetlenie w sporcie.

Parametry opraw LED, których dotyczą wymogi wyżej wymienionych norm zostały zaznaczone w tabeli 2.

Kluczowe parametry

Dla przeciętnego użytkownika opraw LED ich najważniejsze parametry eksploatacyjne to dwa ostatnie spośród wymienionych w poprzednich akapitach, które opisują stopniowe pogarszanie się jakości oświetlenia i prawdopodobieństwo jego nagłego wyłączenia. Pierwszy charakteryzuje to, w jakim stopniu strumień świetlny ulega osłabieniu w czasie normalnego użytkowania źródła światła w porównaniu do jego początkowej wartości.

Może ono być spowodowane przez równoczesne pogorszenie wydajności świetlnej wielu diod albo jednoczesne nieświecenie kilku diod. Nagłe wyłączenie jest natomiast spowodowane awarią jednego albo równocześnie kilku komponentów oprawy LED.

Warto w tym miejscu doprecyzować, że przypadku diod elektroluminescencyjnych, ze względu na specyfikę źródeł światła tego typu, stopniowe pogarszanie się jakości oświetlenia następuje bardzo wolno. Jest to uznawane za jedną z ich największych zalet, z której wynika ich ogromna popularność.

Ważna uwaga o żywotności

W związku z tym jednak pierwszy parametr jest w praktyce prognozą, a nie wynikiem pomiaru. Z oczywistych przyczyn producenci nie są bowiem w stanie zmierzyć wartości żywotności, która przykładowo może wynosić kilkadziesiąt tysięcy godzin, nim jeszcze wprowadzą dany wyrób na rynek. Zamiast tego oprawy poddawane są ocenie przez znacznie krótszy czas, zaś wyniki pomiarów uzyskane w ten sposób są następnie wykorzystywane do ekstrapolacji żywotności.

Wynika to stąd, że jak dotychczas nie opracowano jeszcze metod przyspieszonej oceny żywotności opraw oświetleniowych LED. Należy też dodać, że w normach IEC nie zamieszczono do tej pory wytycznych w zakresie pomiarów ani przeliczeń żywotności opraw ledowych. Sprawia to, że jakość prognoz zamieszczanych w specyfikacjach przez poszczególnych producentów może się znacznie różnić. Dalej szerzej przedstawiamy oba parametry charakteryzujące żywotność opraw LED.

Stopniowe słabnięcie strumienia świetlnego

Jak wspomniano wcześniej, żywotność charakteryzuje to, w jakim stopniu strumień świetlny ulega osłabieniu w czasie normalnego użytkowania oprawy ledowej w porównaniu do jego początkowej wartości. Oznacza się ją jako LxBy. Jest podawana jako czas, po którym odsetek (y) opraw LED nie jest już w stanie emitować strumienia świetlnego o wartości x% w stosunku do jego początkowego natężenia.

Aby ujednolicić ten parametr i umożliwić miarodajne porównywanie żywotności deklarowanych przez różnych producentów, organizacja IEC wprowadziła uśrednioną żywotność (Lx). Powinno się ją rozumieć jako czas, po którym 50% (B₅₀) testowanych opraw LED nie jest już w stanie emitować strumienia świetlnego na poziomie x% w stosunku do jego początkowego natężenia. Żywotność uśrednioną oznacza się jako Lx, bez dodawania B₅₀.

Najlepiej wyjaśnić to w praktyce. Przykładowo żywotność uśrednioną opisaną jako L₉₀ powinno się odczytywać jako czas, po upływie którego w przypadku 50% testowanych, w pełni sprawnych opraw ledowych, tego samego typu, nastąpiło osłabienie strumienia świetlnego do poziomu poniżej 90% jego początkowego natężenia, lecz mimo to w dalszym ciągu one działają.

Uśredniona żywotność w praktyce

Co ciekawe, analiza danych ze specyfikacji opraw oświetleniowych LED różnych producentów przeprowadzona przez LightingEurope dowiodła, że typowo przy żywotności sięgającej 100 tysięcy godzin różnica w osłabieniu strumienia świetlnego dla 50% i dla 10% testowanych opraw wynosi zaledwie około 1%. W praktyce oznacza to, że oprawy, dla których uśredniona żywotność L₉₀ wynosi 100 tysięcy godzin, przy założeniu początkowego natężenia strumienia świetlnego o wartości 10 tys. lumenów, po upływie tego czasu będą emitować strumień o natężeniu 9000 lumenów. Natomiast w przypadku opraw L90B10 byłby to strumień o natężeniu 8910 lumenów. Biorąc pod uwagę tolerancję prognozowania tego parametru, różnicę tę można w zasadzie uznać za pomijalnie małą.

Oznacza to także, że w praktyce dla różnych wskaźników Lx, na przykład L₉₀, L₉₀, L₉₀ żywotność podawana dla różnych By nie ma aż tak dużego znaczenia. Dlatego wartość odniesienia przy porównywaniu opraw LED należy określać przede wszystkim na zestandaryzowanej uśrednionej żywotności. Drugim parametrem użytkowym, który trzeba wziąć pod uwagę, jeżeli zastosowanie wymaga od oprawy ledowej długiej żywotności, jest ciągłość jej działania.

Nagłe wyłączenie

Oprawy oświetleniowe LED działają tak długo, na ile pozwoli element o najkrótszej żywotności. Wśród podzespołów, które mają wpływ na niezawodność opraw wymienić można, poza samymi diodami, również elementy optyczne, układy elektroniczne, chłodzenie, elementy obudowy oraz połączenia mechaniczne.

Trzeba zaznaczyć, że przeważnie elementy optyki nie są powodem nagłego niedziałania oprawy LED, natomiast bardzo często są przyczyną zmniejszenia natężenia strumienia świetlnego.

Awaria któregokolwiek z pozostałych spośród wymienionych elementów zazwyczaj jednak powoduje całkowite wyłączenie oprawy LED. Ponieważ tego faktu nie uwzględnia się w ocenie uśrednionej żywotności, IEC wprowadziło oddzielny parametr, który bierze pod uwagę prawdopodobieństwo wystąpienia awarii głównych komponentów ledowych opraw oświetleniowych.

Jest to współczynnik Cy określający czas, po upływie którego odsetek (y) testowanych opraw LED uległ awarii. Żeby z kolei ułatwić porównywanie danych specyfikacji różnych producentów, IEC wprowadziło parametr AFV (Abrupt Failure Value) określający odsetek opraw LED, które uległy awarii w okresie uśrednionej żywotności.

Przykładowo AFV równe 10% oznacza, że taki odsetek początkowo działających opraw LED w zadeklarowanym okresie uśrednionej żywotności uległ uszkodzeniu, w efekcie czego przestały świecić. Aktualnie normy IEC nie do końca precyzują, jakie typy awarii głównych komponentów należy uwzględnić w obliczeniach wartości AFV. W związku z tym jednak, że w praktyce najczęstszą przyczyną nagłej awarii oprawy ledowej jest problem w sterowniku, zaleca się, żeby to ten komponent był traktowany jako najbardziej prawdopodobny powód awarii przy wyznaczaniu AFV.

Podsumowanie

Na koniec warto jeszcze wrócić do parametru charakteryzującego średnią żywotność opraw LED i zastanowić się, jakie podejście podczas porównywania pod tym względem różnych opraw jest korzystniejsze. Można bowiem przyjąć, że będą one zestawiane pod kątem długości żywotności liczonej w tysiącach godzin albo ze względu na poziom natężenia światła, którego utrzymanie jest w danym przedziale czasu gwarantowane. Generalnie można obecnie obserwować, że najczęstszym kryterium jest liczba godzin. Warto jednak pamiętać, że czasem lepiej jest więcej uwagi poświęcić natężeniu światła, które będzie zapewnione, ponieważ można dzięki temu, uwzględniając jego zmniejszenie się w całym okresie eksploatacji, na przykład uniknąć przewymiarowania instalacji oświetleniowej, a dzięki temu znacząco oszczędzić energię.

Monika Jaworowska