Das erste internationale LED Institut ist eine. Ausbildungs-, Forschungsund Beratungseinrichtung,

Transkript

1 Bild: Messestand auf der Messe Light + Building in Frankfurt, 2014 Qualität von LED- Straßenbeleuchtung: Bewertung und Langlebigkeit Dr. Uwe Slabke Das erste internationale LED Institut ist eine Ausbildungs-, Forschungsund Beratungseinrichtung, die zum Ziel hat, die komplexen Themen der LED in der Allgemeinbeleuchtung zu bearbeiten und eine unabhängige Institution für die Beleuchtungsindustrie zu bilden. Das Produktes ist technologisch komplex: _Lichttechnik _Elektrotechnik _Thermodynamik _Design Einsatz der LED in der Allgemeinbeleuchtung Neue Konzernzentrale in Basel Für Hoffmann La Roche AG Architekt: Herzog & De Meuron Bauwerke: Bewertung des Produktes ist sehr schwierig geworden.

2 Einsatz der LED in der Allgemeinbeleuchtung Bausumme: ca. 400 Millionen Euro LED Leuchten Agenda Dienstag, 07. Oktober 2014, 11:50 12:10 Uhr _ Aufbau einer Leuchte _ Basisgütemerkmale _ Zuverlässigkeit der Komponenten _ Berücksichtigung der Dynamik der Entwicklung _ Zusammenfassung Warum ist die unabhängige Bewertung des Produktes so wichtig? Was ist wichtig für den Endkunden? Aufbau einer LED Leuchte _ Mechanischer Aufbau _ Lichttechnischer Aufbau _ Elektrotechnischer Aufbau _ Thermischer Aufbau Package Treiber Platine Kühlkörper Gehäuse Gehäuse / Kühlkörper Aufbau einer LED Leuchte Komponentenblech mit Anschlussituation und EVG LED Modul Mit Reflektor Optisches Systeme

3 Qualitätsmerkmale zur Bewertung Aussenleuchte - Betriebssicherheit (Normen) -EMV + Effizienz - Lichtfarbe, Farbwiedergabe - Blendung (Ti), Lichtverteilung + Lebensdauer (LM-80, TM21, Ausfall, Degradation) + Alterung des Systems - Optisches System + Chip- und Packagequalität - ESD Schutz, Netzrückwirkung + Wartungsfreiheit + Thermischer Aufbau Die mit + gekennzeichneten - Verarbeitung + Softwaremöglichkeiten Eigenschaften beziehen sich gerade auf das thermische Design LED BELEUCHTUNG ZUVERLÄSSIGKEIT DER KOMPONENTEN DR. UWE SLABKE SYSTEMZUVERLÄSSIGKEIT IST GESAMTZUVERLÄSSIGKEIT DER EINHEITEN EINFLUSSFAKTOREN UND ZUVERLÄSSIGKEIT Feuchtigkeit Temperatur Chemie und Umwelt LED Zuverlässigkeit Strom und Spannung Mechanische Kräfte Licht R System = R LEDs * R electrical * R mechanical * R optical * R thermal * R connections

4 ZWEI WICHTIGSTEN FEHLERFÄLLE DES Systems ZWEI WICHTIGSTEN FEHLERFÄLLE DES Systems 1. Ausfall (total failure) _ Herstellungsqualität der Die (Verunreinigung, Chipaufbau) _ Herstellungsqualität des Packages / LED Modul _ Thermisches Management _ Aufbau Verbindungstechnik / Reflowprozess/ Bestückung _ Elektrisches Konzept (Versorgung, ESD, ) _ Umwelteinflüsse Transiente Netzrückwirkung Electrical Overstress Chemische Beeinflussung 2. Lichtstromrückgang (Degradation) und color drift _ Betriebstemperatur LED Modul _ Betriebsstrom _ Thermischer Pfad _Wärmeleitung _Wärmestrahlung _Konvektion _ Treibersystem (BIN Qualität) _ Mechanischer Stress und Umweltaspekte _ Leiterplattentechnik _ Package (Phosphor Die Aufbau) _ Primäroptisches System _ Optik AUSFALLRATE DES LED SYSTEMS AUSFALLRATE Die Ausfallrate λ(t) ist eine wesentliche Kenngröße für die Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer eines Objektes. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls in einem Zeitintervall dt, bezogen auf die zum Zeitpunkt t funktionsfähigen Bauteile. UNZULÄSSIGER LICHTSTROMABFALL (FALL F) Ziel: Lebensdauerdefinition einer LED, eines LED-Arrays oder LED-Moduls nach 6.000h unter bestimmten Umgebungstemperaturen und elektrischen Bedingungen durch ein standardisiertes Testverfahren. IESNA LM-80 Test

5 DEGRADATION LM-80 IES TM-21 Der Test ist eine standardisierte Prüfung von LED Komponenten ist eine mathematische Analyse für die Lebensdauerabschätzung, sie bezieht sich auf 6-fache Lebensdauer der Komponente nach LM-80 Lichtstromrückgang und Ausfall L90 B10 Statistische Betrachtung der LED Lichtströme: Best case: 90 % LED s= 100 % Lichtstrom 10 % LED s= 89 % Lichtstrom (kein Ausfall) Lampen-WF = Durchschnitt-Fall: 10 % LED s = 95 % Lichtstrom 80 % LED s= 90 % Lichtstrom 5 % LED s= 70 % Lichtstrom 5 % LED s = 1 % Lichtstrom Lampen-WF = 0.85 Worstcase: 90 % LED s= 90 % Lichtstrom 10 % LED s = 1 % Lichtstrom Lampen-WF = 0.81 Einfluss eines LED Ausfalles auf das Gesamtsystem Effekt Hauptursache Systemeinfluss Serienschaltung Systemeinfluss Parallelschaltung Elektrisch offene LED Wire bond Fehlfunktion If =1 If=0 If =.5 If =.5 If =1 If =0 LED BELEUCHTUNG Elektrischer Kurzschluss Extremer thermischer oder elektrischer Stress Halbleiter Fehlfunktion If =1 X If=1 X 2x If If =.5 If =.5 If ~.9 If ~1.1 hochohmiger Fall Unterbrechung der Verbindung (LED wie nicht angeschlossen) BEWERTUNG PACKAGE DR. UWE SLABKE Extremer thermischer oder elektrischer Stress niederohmiger Fall LED leitet den Strom, leuchtet aber nicht

6 LED PACKAGE EFFIZIENZREKORD Die Performance der LED ist sehr dynamisch Wettkampfsituation Kriterien (für den Planer): Lichtstrom Lichtausbeute Spektrum Lichtfarbe/ Binning Lebensdauer / Zuverlässigkeit Kosten > lm pro Package/Modul im Betrieb (HOT) > lm/w des Systems > Farbtemperatur > warm-/neutral-/kaltweiß > Lumen Maintenance - L80/B10 > /lm/ /Package/ /Leuchte? LED Effizienz 303 lm/w 5150 K Farbtemperatur 1 Watt LED XLamp STANDARDISIERTE BAUFORM LED ÜBERBLICK Aktuelle Package-Geometrie Seoul Semiconductor Z-Power Z5 OSRAM OslonC Sharp Double Dome Nichia NCS119 Cree XP-G Samsung 3535 Philips Rebel Everlight Shuen Zwei Bauformen / Footprints bilden einen Quasi-Standard im High-Power Bereich

7 Berücksichtigung der Dynamik bei der Bewertung LED BELEUCHTUNG Berücksichtigung der Dynamik der Entwicklung (Effizienz / Preis) DR. UWE SLABKE Lumen/ Watt Zeitliche Entwicklung 3000K lm/w 4000K lm/w Entwicklung einer LED Leuchte in der Historie Anschlussleistung Leuchtenlichtstrom Jahr Preis der Lampentechnologie T5 HCI-T LED 120 W 3810 lm W 3780 lm 90 W 4700 lm 40 W 5000 lm W 5000 lm (180lm/W) 20XX 2 für 18 für 0,50 für 80W 6600 lumen 150W lumen 1W 130 lumen 54W 4800 lumen Bezeichnung Preis Wattage Lichtstrom /W /k lumen T ,03 0, ,04 0,42 HCI-T ,12 1,22 LED 0, ,50 3,84 ca. Faktor 3 bis 10

8 kriterien an das Produkt Leuchte Nachhaltigkeit _ Ersatzteilverfügbarkeit > 25 Jahre LED BELEUCHTUNG Kriterien an das LED Produkt DR. UWE SLABKE _ Äußeres Erscheinungsbild der Leuchte muss gleich bleiben _ Anzahl LED s muss gleich bleiben _ Lichtstrompacket muss dauerhaft gewährleistet sein _ Steuerungstechnologie muss berücksichtigt werden _ Treiber und LED Modul Plug & Play kriterien an das Produkt Leuchte Nachhaltigkeit _ Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperatur (bei 5% Ausfallrate) (Angaben: Bei welcher Temperatur ist der Lichtstrom gemessen worden?) _ LVK im Eulumdat Format _ Lebensdauer Treiber (5% Ausfallrate) _ Aussagekräftige Fotos verschiedener Ansichten (keine 3D Simulationen) kriterien an das Produkt Leuchte Nachhaltigkeit _ Kosten Treiber/Geräteträger _ Kosten LED Modul _ Kosten Leuchte _ Leistungsaufnahme inkl. Treiber _ Prüfzeichen und Zertifizierung (GS, CE, VDE, ENEC) _ Garantiestellung bei Lebensdauerangaben von mehr als 5 Jahren unter Angabe des prozentualen Restlichtstroms _ Montageanleitung

9 KONTAKT LED Institut Dr. Slabke GmbH & Co. KG Berliner Ring Bensheim Telefon: +49 (0) 6251 / Fax: +49 (0) 6251 / info@led-institut.de BERATUNg FORSCHUNG ENTwicklung GUTACHTEN