ANALISI SULLA DURATA DEI LED NEI CORPI ILLUMINANTI ARIANNA

La durata dei LED dipende principalmente da 3 fattori:
– Il tipo di LED.
– La temperatura di giunzione dei LED;
– La corrente di pilotaggio dei LED.

All’aumentare degli ultimi 2 parametri, diminuisce la vita utile dei LED. In particolar modo la vita e le prestazioni dei prodotti di illuminazione a LED dipendono in gran parte dall’eccesso di calore trattenuto sul diodo.
La durata del corpo illuminante del LED impatta in maniera molto forte sulla convenienza del corpo illuminante a LED (che può essere influenzato dalla affidabilità di altri componenti dei singoli prodotti come driver, lenti, etc e deve essere contabilizzata nel calcolo della vita attesa).
La principale difficoltà nasce dal fatto che la stima della vita utile di tecnologie standard di illuminazione è definita come tempo di filamento o come failure del catodo. Per la maggior parte di queste lampade, il periodo di tempo prima del guasto presenta livelli accettabili di emissione di luce, con successiva rottura istantanea, come mostrato nella figura sottostante.
1

In questo modo è facile determinare quando è necessario sostituire la lampada.
Nei LED invece l’emissione diminuisce progressivamente nel tempo fino allo spegnimento, senza rottura improvvisa. Pertanto si è deciso di introdurre come definizione del termine della vita utile di un LED il punto oltre il quale il LED non fornisce più un determinato livello di emissione di luce.
Si definisce pertanto come Lumen Maintenance del LED Lp il tempo che trascorre fino a quando il LED non emesse un flusso che sia pari al p% del valore iniziale.
La durata dei LED è regolamentata da due norme create dalla IESNA (Illuminating Engineering Society of North America): la LM-80 e la TM-21.

La LM-80 indica come misurare il mantenimento del flusso luminoso del LED nel tempo, senza dare indicazioni sulla vita prevista, mentre la TM-21, partendo dai risultati ottenuti dalla LM-80, si spinge a fare previsioni sulla vita utile al 70% del flusso iniziale per una durata massima pari a 6 volte il tempo misurato in funzione del valore misurato di flusso, basandosi su un preciso algoritmo di calcolo.
Nella tabella sottostante vengono riportati una serie di misurazioni per alcuni led della CREE montati all’interno degli apparecchi Arianna:

LED XP-G
2

LED XT-E
3

LED XM-L
4

Oggi Arianna utilizza:
– LED XT-E a 600 mA e ad una Ts di max 70°C (con 25°C di temperatura ambiente): siamo quindi in una situazione migliorativa di quella cerchiata in rosso, perché la corrente è poco più della metà (da 1000 mA a 600 mA) e la temperatura è più bassa di 15°C. Ad oggi, in virtù dei dati misurati, la TM-21 stima una vita maggiore di 36.300 ore a fronte di un deprezzamento dell’1,2% dopo 6mila ore.
– LED XM-L a 1000mA e ad una Ts di max 70°C (con 25°C di temperatura ambiente): siamo quindi in una situazione migliorativa di quella cerchiata in blu, perché la corrente è inferiore di più del 30% (da 1500 mA a 1000 mA) e la temperatura è più bassa di 15°C. Ad oggi , in virtù dei dati misurati, la TM-21 stima una vita maggiore di 72.600 ore a fronte di un deprezzamento del 4% dopo 12mila ore.

A partire da questi dati, si può utilizzare il metodo cosiddetto EPA per spingersi a stimare la reale durata prevista dei LED in questione.

Il metodo EPA è un metodo esponenziale che si calcola così:
5

Ad esempio, in caso di un deprezzamento dopo 6mila ore del 5%, otteniamo la seguente curva di vita attesa:

6

Quindi, in virtù della situazione sui corpi illuminanti Arianna, migliorativa rispetto al grafico appena mostrato (la perdita di flusso, in condizioni migliorative rispetto a quelle misurate per corrente e temperatura, è inferiore a quella del 5% calcolata nel grafico) possiamo dire che c’è un L80 atteso di almeno 100mila ore e un L70 di almeno 162000 ore.

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Ottica astronomica per l’illuminazione stradale

Il principale obiettivo di un progetto per l’illuminazione da esterni è la realizzazione di corpi illuminanti ad alta efficienza energetica con ridotti impatti ambientali.
Da precedenti studi effettuati nell’ambito delle lampadine a LED da interni (confrontate con lampadine ad incandescenza e a basso consumo), è emerso come i consumi energetici sono da imputarsi almeno al 95% all’utilizzo del prodotto e al 5% su produzione e smaltimento dello stesso.
L’obiettivo è quindi di focalizzarsi in prima istanza sui consumi durante il ciclo di vita e quindi sull’efficienza ottica dei prodotti realizzati. Partendo pertanto da un flusso luminoso inferiore, dato da consumi sensibilmente inferiori, è necessario utilizzarlo al meglio per illuminare il target (comunemente la strada) e solo il target.

Partendo da questi driver, Arianna S.p.A. ha brevettato il principio della Riflessione Totale, che rivendica l’invenzione di tutti i dispositivi ottici a LED per l’illuminazione da esterni in cui l’emissione FWHM non è rivolta direttamente verso la strada ma verso una calotta di riflessione: nella sua applicazione deflettiva, adatta per l’illuminazione stradale, la calotta ha il compito di raccogliere l’emissione totale luminosa del LED e di proiettarla attraverso un deflettore su strada ad elevata efficienza ed efficacia.
Per una comparazione ottimale è necessario andare a studiare tutte le perdite di efficienza e di efficacia che un lampione stradale ha (a LED e non a LED) per dimostrare come si riesca partendo da un flusso nominale (e da consumi) sensibilmente inferiori ad illuminare con gli stessi valori una strada.
Innanzitutto vanno suddivise le perdite di efficienza (tutto ciò che viene perso all’interno del lampione, per tale motivo le chiameremo “perdite endogene”) e quelle di efficacia (tutto quello che viene perso o sprecato all’esterno del lampione).

Perdite endogene

1. Il flusso nominale dei LED è per una temperatura di giunzione di 25°C e per una corrente di pilotaggio di 350 mA. Le prima perdita di efficienza sono quindi date dall’aumento della temperatura di giunzione (che raggiunge dai 70°C ai 100°C in un sistema correttamente dissipato) e dal sovra pilotaggio dei LED. Utilizzando il principio della riflessione totale c’è il vantaggio che i LED possono essere disposti lateralmente a diretto contatto con il dissipatore, con la possibilità di dissipare per convezione oltre che per conduzione. Nell’applicazione che abbiamo sviluppato per l’illuminazione stradale sono utilizzati LED CREE XP-G a 0,6A a 75°C di temperatura di giunzione che sviluppano 201 lumen con un consumo di 1,83W ed un’efficienza di 110 lm/W, quindi con una perdita, rispetto ai 132,4 lm/W a 350 mA e 25°C di temperatura di giunzione del 16,9%.
2. Il flusso reale del LED è il flusso luminoso di partenza del lampione. Il corpo illuminante però, per raggiungere i requisiti richiesti dalle norme, introduce delle perdite di efficienza. Nel caso della riflessione totale le perdite sono dovute al fatto che le superfici riflettenti assorbono una percentuale della luce incidente. Ad ogni rimbalzo c’è quindi una perdita di efficienza dell’8% circa. Aumentando il numero di rimbalzi, aumentano esponenzialmente le perdite. Nel caso della nostra calotta, avendo studiato ed ottimizzato la calotta per avere al più due rimbalzi, abbiamo una efficienza del 88%, quindi con un’ulteriore perdita del 12%.
3. Le perdite ottiche della calotta di riflessione non sono le uniche perdite ottiche endogene. Alcuni dei raggi rimbalzano contro la meccanica del lampione (supporto del vetro frontale, le PCB stesse, etc.): queste perdite ammontano circa al 2,5% del flusso luminoso totale.
4. Nel nostro sistema, per garantire una durata dell’efficienza nel tempo, chiudiamo il lampione con un vetro frontale. Per diminuire le perdite di assorbimento del vetro, utilizziamo un vetro ottico laminato ad elevata trasparenza, con perdite effettive misurate in laboratorio del 3,5%.
5. In questa applicazione, siamo quindi partiti con un flusso nominale di 139lm x 40 led x (0,6A/0,35A) = 9531 lm e siamo arrivati ad un flusso uscente dalla lampada di 6558 lm per un’efficienza del lampione (considerando un elettronica con rendimento del 91%) di 81,6 lm/W. Un recente studio condotto negli Stati Uniti dal NLPIP (National Lighting Product Information Program) dal titolo “Streetlights for Collector Road” mostra i valori di efficienza di alcuni lampioni a sodio ad alta pressione da 150 W, con valori massimo di efficienza di 69,8 lm/W. Il lampione da 150W ad alta pressione che stiamo confrontando ha un flusso uscente di circa 11500 lm (il 75% in più) con un’efficienza (considerando un elettronica con rendimento del 87,5%) di 67,1 lm/W.

Prima parte della strada illuminata con Deflecto a 32 LED (64W di consumo totale), seconda parte con Vapori di Mercurio a 125W (più alimentatore).

Perdite esogene

Nell’analisi precedente abbiamo visto che, nonostante l’utilizzo della migliore componentistica, dei LED più efficienti sul mercato, di un’ottica studiata per minimizzare il numero dei rimbalzi interni e conseguentemente ad alta efficienza, non c’è una grande differenza di efficienza. Il grande beneficio che si può avere con i LED, ed in particolar modo direzionando correttamente il flusso luminoso con la riflessione totale, è dato dall’efficacia del lampione, cioè di quanta luce intercetta correttamente il manto stradale e di come la intercetta. Andiamo a distinguere i vari parametri:
1. Il primo parametro che interessa è quanta flusso luminoso vada ad intercettare correttamente la strada, quello che viene chiamato “Downward Street Side Lumens”. Nel caso del nostro lampione sono 4342 i lumen utili, con un’efficacia del 66,2% e un valore di LSAE di 54 lm/W, valore circa doppio rispetto ad altre soluzioni a LED o a sodio ad alta pressione. Questo grazie alla migliore possibilità di direzionare la luce senza perdite di luce nell’asse 90°-270° per intervalli esterni al range -10°/45°.
2. Il secondo parametro interessante è la distribuzione della luce nelle due corsie. Il flusso intercettato dalla prima corsia è di 1667 lumen e quello sulla seconda corsia è di 1872 lumen mentre sono 803 i lumen che intercettano i marciapiedi. In questa maniera (con maggiore flusso nella seconda corsia rispetto alla prima) si riesce a distribuire in maniera più uniforme la luce.
3. Il terzo parametro è la presenza di picchi di flusso luminoso sul manto stradale. Grazie ad un profilo molto aperto, con il flusso luminoso che aumenta all’aumentare del valore angolare, si riesce ad avere una distribuzione di luce più uniforme, come si può apprezzare nella distribuzione 8m altezza palo / 30m interasse sottostante:

Grazie alla riflessione totale si riescono quindi a superare le sfide dell’illuminazione stradale: efficienza (valori maggiori di circa il 20%), efficacia (valori sensibilmente maggiori), abbagliamento (i LED non sono in vista e quindi aumenta anche la sicurezza fotobiologica) e affidabilità (a pari luce, grazie alla combinazione delle migliori efficienza ed efficacia, si possono utilizzare meno LED e quindi diventa minore il calore da smaltire). Quindi più cost-efficienza per un futuro più luminoso.

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LED street lamp datasheet for dummies

Real consumption of a LED lamp

The consumption of an LED lamp is obtained with this calculation:

C = n x Vf x i / μ

Where:

n is the total number of LEDs;

Vf is the Forward Voltage of the lamp, a function of drive current and of junction temperature, typically from 3V to 3.5 V;

i is the drive current of the LEDs, typically from 0.35 A to 0.7 A;

μ is the efficiency of the power supply, typically from 0.8 to 0.92.

Thus the performance of an LED lamp with 100 XP-E LEDs driven at 350mA with a power supply efficiency of 85% is:

C = 100 x 3,2 x 0,35 / 0,85 = 131,8 W

Then, saying “1-Watt LED” is incorrect, usually an LED driven at 350mA current consumes 1.12 W and 1.3 W when we consider power supply.

Nominal efficiency of LEDs

The flux shown in the LEDs datasheets does not display the efficiency in lumens per watt but the flow delivered at 350 mA with 25°C of junction temperature. The efficiency in lumens per watt is calculated therefore as follows:

F1 = f / (Vf x 0,35)

Where:

f is the nominal flux at 350 mA;

Vf è is the Forward Voltage of the lamp at 350mA, typically from 3V to 3.3 V;

Going back to the first example, an XP-E LED, 100 lumens, has an efficiency of 100 lumens per watt but:

F1 = 100 / (3,2 x 0,35) = 91,4 lumen/watt

Real flux of LEDs

As mentioned above, the flux of the LEDs are rated for a junction temperature of 25 ° C at a drive current of 350 mA.

Maintaining a junction temperature of 25 ° C in a streetlight is impossible and there is therefore a minimum decay of 10-15% (but it can easily become higher) on the nominal flux of the LEDs, to be assessed in the laboratory on real streetlight lamps.

In addition, while increasing drive current, the luminous flux increases not in direct proportion to the current. It should therefore be assessed according to the efficiency of the LED current.
Therefore, the real flux of the LEDs is:

F2 = f x μ1 x μ2

Where:

f is the nominal flux at 350 mA;

μ1 is the change in luminous flux because of the actual driving current;

μ2 is the change in luminous flux because of the actual junction temperature.

If we consider again the example of XP-E LEDs, based on diagrams, if LEDs are driven at 500 mA with a junction temperature of 100 °C, we have the following flux:

F2 = 100 x 1,356 x 0,822 = 111,5 lumen

with a power consumption C = 3.3 x 0.5 = 1.65 W and therefore with an efficiency, without considering the power supply, of 67.6 lumens / Watt.

Luminous efficiency of the LED module

UNI regulation 11356:2010 defines this efficiency as the “quotient of the luminous flux emitted by the LED module divided by the power input source including mechanical components such as, for example, any heatsinks excluding the power dissipated by the unit of power, at a temperature test environment specified. It is measured in lumens per watt. ”

Optical efficiency of a LED lamp

The real flux of the LEDs is the “starting” flux of the lamp.

The fixture, however, in order to achieve the lighting requirements, introduces some efficiency losses.

On average there is about a 10% loss of the glass plus a loss of 10% to 40% for the usage of secondary optics or for internal losses.

This efficiency is also known as LOR, resulting in:

LOR =  Fl / (n x F2)

Where:

Fl is the actual lamp flux measured in a photometric lab;

n is the total number of LEDs;

F2 is the real flux of the LEDs previously calculated;

The best lamps have an overall efficiency of around 85%.

Luminous efficiency of the LED lamp

UNI regulation 11356:2010 defines this efficiency as “the ratio between the luminous flux emitted by the lamp and the electrical power consumption of the appliance. It is measured in lumens per watt ”

Efficacy of the LED lamp

This is probably the most important parameter to be evaluated but also the most difficult to be measured.
This parameter expresses how much of the luminous flux leaving the lamp illuminates the target, and how it intercepts it.

In order to have a good street optics, the light exiting the lamp should be well distributed on the street, therefore without any peaks under the pole, with an opening angle of 120/150 degrees, without upward emissions and with small backward emissions behind the pole.

The shape of the emission profile helps to understand the effectiveness of a streetlight.

Usually the emission profile is made by two curves: one shows the intensity of the luminous flux from 0 ° to 180 °, another one from 90 ° to 270 °.

The 0-180 ° curve shows the profile of the luminous flux on the left and on the right of the lamp, the curve 90-270 ° shows the profile of the luminous flux in front and behind the lamp post.

The curve 0-180° must have a peak emission at about 60 ° and a flux that decreases from 60 ° to 0 °, the 90-270° curve must be very unbalanced on one side (with a few emissions behind the lamp) and the peak around 30 °, to cover the second lane.

Another factor to consider is the lack of jagged curves (showing shadows) or bumps (showing dips and light peaks).

For example, if we look at the profile below, we note that:

  1. The peak emission of the curve 0-180° is at 0° with a consequent exaggerated peak under the light pole and therefore with low lighting uniformity along the street.
  2. 0-180° curve has many “bumps” which are shadows and lowering of light along the street.
  3. The values at angles greater than 50 ° are too low.
  4. The opening angle is correct.
  5. Regarding the curve 90-270°, it is properly piqued in the two centerlines, but with lowering of light on the second lane and lack of uniformity within the lanes.
  6. Backward emissions (right part of  the curve  90-270°) are correct.

Let’s analyze another profile:

In this case:

  1. The curve 0-180 ° has a peak emission at around 60 ° resulting in correct angular aperture and uniformity.
  2. The curve 0-180° has an optimal opening angle (around 140°).
  3. The curve 90-270° has its highest emission on the second lane, thereby ensuring a good uniformity of light on both carriageways.
  4. Behind the lamp there is an optimal light with only a small peak of light at -60 °, probably due to the geometry of the lamp.

Alberto G. Gerli

http://www.ariannaled.com

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Tutto sui datasheet dei lampioni a LED

Parametri per la valutazione corretta di un datasheet

Consumo effettivo del lampione (“Apparecchio di illuminazione a LED”)

Il consumo di un lampione a led si ottiene con questo calcolo:

C = n x Vf x i / μ

Dove:

n è il numero totale di LED;

Vf è la la Forward Voltage del lampione, funzione della corrente di pilotaggio e della temperatura di giunzione, tipicamente da 3V a 3,5 V;

i è la corrente di pilotaggio dei LED, tipicamente da 0,35 A a 0,7 A;

μ è il rendimento dell’alimentatore, tipicamente da 0,8 a 0,92.

Pertanto il rendimento di un lampione a LED con 100 LED XP-E pilotati a 350mA con alimentatore con rendimento del 85% è:

C = 100 x 3,2 x 0,35 / 0,85 = 131,8 W

Quindi dire “Led da 1 Watt” non è corretto, mediamente un LED pilotato alla corrente di 350mA consuma 1,12 W circa e 1,3 W se consideriamo anche l’alimentatore.

Efficienza nominale dei LED

Il flusso caratteristico di targa dei LED non mostra l’efficienza in lumen/watt ma il flusso emesso a 350 mA con 25°C di temperatura di giunzione. L’efficienza in lumen/watt si calcola pertanto così:

F1 = f / (Vf x 0,35)

Dove:

f è il flusso nominale a 350 mA;

Vf è la la Forward Voltage del lampione a 350 mA, tipicamente da 3V a 3,3 V;

Per tornare all’esempio di prima, un led XP-E da 100 lumen, non ha un efficienza di 100 lumen/watt ma di

F1 = 100 / (3,2 x 0,35) = 91,4 lumen/watt

Flusso reale dei LED

Come detto precedentemente, il flusso nominale dei LED è per una temperatura di giunzione di 25°C e per una corrente di pilotaggio di 350 mA.

Mantenere una temperatura di giunzione di 25°C in un lampione è impossibile e c’è pertanto un decadimento minimo del 10/15% (ma che può arrivare tranquillamente fino al 40%) sul flusso nominale dei LED, da valutare in laboratorio sul lampione reale.

In più all’aumentare della corrente di pilotaggio, il flusso luminoso aumenta non in maniera direttamente proporzionale. Va quindi valutata l’efficienza del LED in funzione della corrente.

Pertanto il flusso reale dei LED è:

F2 = f x μ1 x μ2

Dove:

f è il flusso nominale a 350 mA;

μ1 è la variazione di flusso luminoso in funzione della corrente di pilotaggio;

μ2 è la variazione di flusso luminoso in funzione della temperatura di giunzione.

Se consideriamo sempre l’esempio dei LED XP-E, sulla base dei grafici sottostanti, in caso di LED pilotati a 500 mA con 100°C di temperatura di giunzione, abbiamo il seguente flusso:

F2 = 100 x 1,356 x 0,822 = 111,5 lumen

a fronte di un consumo C = 3,3 x 0,5 = 1,65 W e quindi con un’efficienza, senza considerare l’alimentatore, di 67,6 lumen/Watt.

Efficienza luminosa del modulo LED

La norma UNI 11356:2010 definisce questa efficienza come “quoziente del flusso luminoso emesso dal modulo LED diviso la potenza elettrica impegnata dalla sorgente comprensiva di componenti meccanici quali, ad esempio, eventuali dissipatori esclusa la potenza dissipata dall’unità di alimentazione, ad una temperatura ambiente di prova specificata. E’ espressa in lumen per Watt”.

Efficienza ottica dell’apparecchio di illuminazione a LED

Il flusso reale del LED è il flusso di partenza del lampione.

Il corpo illuminante però, per raggiungere i requisiti richiesti dalle norme, introduce delle perdite di efficienza.

Mediamente c’è circa un 10% di perdita del vetro più una perdita dal 10% al 40% per l’utilizzo di ottiche secondarie o per perdite interne al lampione.

Quest’efficienza viene anche chiamata LOR e si ottiene così:

LOR =  Fl / (n x F2)

Dove:

Fl è il flusso reale del lampione misurato in laboratorio

n è il numero di LED impiegati;

F2 è il flusso reale dei LED precedentemente calcolato;

I migliori lampioni hanno tutto compreso un’efficienza del 85 % circa.

Efficienza luminosa dell’apparecchio di illuminazione a LED

La norma UNI 11356:2010 definisce questa efficienza come “rapporto tra flusso luminoso dell’apparecchio e potenza elettrica assorbita dall’apparecchio. E’ espressa in lumen per Watt”

Efficacia del lampione a LED

Questo parametro è probabilmente il più importante da valutare ma anche il più difficile da misurare.

Questo parametro esprime quanto del flusso luminoso che esce dal lampione intercetta il bersaglio da illuminare, la strada, e in che modo lo intercetta.

Per avere una buona ottica stradale la luce che esce dal lampione deve essere ben distribuito sulla strada. quindi senza picco sotto il palo, con un’apertura di 120/150°, senza emissioni verso l’alto e senza dispersioni dietro il palo.

La forma del profilo emissivo aiuta a capire molto l’efficacia di un lampione. Un profilo emissivo solitamente è fatto da due curve: una mostra l’intensità del flusso luminoso da 0° a 180°, un’altra da 90° a 270°.

La curva 0-180° mostra il profilo del flusso luminoso a sinistra e a destra del lampione, quella 90-270° il flusso luminoso davanti e dietro al lampione.

La curva 0-180° deve avere il picco dell’emissione intorno ai 60° e un flusso che decresce da 60° a 0°, quella 90-270° deve essere molto sbilanciata da un lato (quindi con poche emissioni dietro al lampione) e con il picco intorno ai 30°, in modo da coprire anche la seconda corsia.

Un altro fattore da valutare è l’assenza di curve frastagliate (che mostrano ombre) o gobbe (che mostrano abbassamenti e contro picchi di luce).

Ad esempio, se guardiamo il profilo sottostante, notiamo che:

  1. Il picco dell’emissione 0-180° è a 0° con un conseguente esagerato picco di luce sotto il palo e quindi una disuniformità su strada.
  2. Il profilo 0-180° ha molte “gobbe” che si traducono in strada in ombre e abbassamenti di luce.
  3. I valori ad angoli maggiori di 50° sono troppo bassi.
  4. L’apertura angolare è corretta.
  5. Per quanto riguarda il profilo 90-270° è correttamente piccato sulle due mezzerie, ma con abbassamenti di luce sulla seconda corsia e disuniformità all’interno della corsia.
  6. Le emissioni dietro al lampione (parte destra del profilo 90-270°) sono contenute

Analizziamo invece un alto profilo:

In questo caso:

  1. Il profilo 0-180° ha il picco dell’emissione intorno ai 60° con conseguente corretta apertura angolare e uniformità.
  2. Il profilo 0-180° ha un’ottima apertura angolare totale (circa 140°).
  3. Il profilo 90-270° è piccato sulla mezzeria della seconda corsia, garantendo quindi una buona uniformità di luce su entrambe le carreggiate.
  4. Dietro il lampione c’è la giusta luce con solamente un piccolo picco di luce a -60°, dovuto probabilmente alla geometria del lampione.

Alberto G. Gerli

http://www.ariannaled.com

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