Schritte auf dem Weg zu einer internationalen Norm für die Lebensdauervorhersage von LEDs

Die Beleuchtung macht einen Löwenanteil des Stromverbrauchs aus – ob im Büro oder in der Straßenbeleuchtung. Moderne und effiziente Leuchtmittel einzusetzen, kann daher sehr schnell enorme Einsparpotenziale freisetzen. LED-Beleuchtung bietet vor diesem Hintergrund diverse Vorteile. Dazu gehören u. a. der höhere Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Energie und Licht und die, im Vergleich zu konventionellen Leuchtmitteln, wesentlich längere Lebensdauer.

Ein typisches Merkmal von LEDs ist, dass sie am Ende ihres „Lebens“ nicht plötzlich ausfallen, sondern dass eine Lichtstrom-Degradation festzustellen ist: Der Lichtstrom lässt langsam nach. Für diesen Prozess und eine darauf aufbauende Langzeitprognose des LED-Lichtstromrückgangs fehlt jedoch nach wie vor ein internationaler Standard. Es gilt, eine vereinheitlichte und zuverlässige Methode zu modellieren. Dieser Aufgabe nimmt sich die International Electrotechnical Commission (IEC) an.

Genauer gesagt beschäftigt sich das Projektteam PT 63013 des TC 34, dem technischen Komitee der IEC für Beleuchtung, seit 2012 mit dieser Herausforderung. Das bisher bekannte US-Verfahren IES TM-21 soll ergänzt werden. Denn dieses Verfahren hat die Schwäche, manche LED-Alterungserscheinungen nicht zu erfassen.

Die Doppelspitze des Teams, Dr. Christian Jung von der Osram Opto Semiconductors GmbH und Dr. Philipp Plathner von der Osram GmbH, leitet einen Pool von 11 Experten an. Alle namhaften Hersteller von LED-Komponenten sind hier vertreten.

Momentan liegt ein Normen-Entwurf (CDV) für die Vorhersage des Lichtstromrückgangs von LEDs vor. Die Messung des Lichtstromrückgangs erfolgt hier über einen Zeitraum von mindestens 6.000 Stunden und bezieht sich auf die Methode des LM-80.  Das Projektteam hat nun LM-80-Messungen von 39 unterschiedlichen LED-Komponenten ausgewertet.

Lichtstromrückgang von LEDs auf der Basis von LM-80-Tests und TM-21-Extrapolation vorhersagen

Entscheidend für die prinzipielle Vorgehensweise des geplanten neuen Standards ist, dass ergänzende Methoden zum TM-21-Verfahren anerkannt werden sollen.

Der aktuelle Entwurf sieht vor, dass die mittels der LM-80-Verfahren erfassten Lichtstrom-/Zeit-Kurven mindestens 6.000 Stunden und 3 verschiedenen Temperaturen umfassen sollen. Darauf folgt die Extrapolation mittels Exponentialfunktion gemäß TM-21-Standard. Entsprechend des IES TM-21-11 Standards von 2011 werden zunächst die gemittelten Lichtströme auf 100 Prozent normalisiert. Anschließend wird an die Datenpunkte ein exponentieller Verlauf f (t) = B exp(-αt) über die Methode der kleinsten Fehlerquadrate angepasst. Falls die ermittelte Funktion abfällt (α > 0), kann aus dieser Kurve die Lichtstrom-Degradation extrapoliert werden. Dies könnte beispielsweise die Zeit bis zu 70 Prozent des Anfangswertes sein, L70.

Abbildung 1: Drei Grenzfunktionen (Border Function, BF) mit den zugehörigen L70-Vorhersagewerten.

Liegt keine abfallende Exponentialfunktion vor (α > 0), wird ein Grenzfunktionsmodell wie in Abbildung 1 eingeführt. Als ergänzendes Verfahren hierfür wird in Annex A der neuen Norm die Temperaturbeschleunigung nach dem Arrhenius-Modell mit aufgenommen. Der beschriebene Prozess liefert Ergebnisse, die dann in einem detaillierten Bericht münden.

Für sämtliche beschriebenen Verfahren wurde die TM-21-Beschränkung übernommen, die jede Vorhersage des Lichtstromrückgangs auf das maximal Sechsfache des Prüfzeitraums begrenzt – die sogenannte „6x-Regel“. Bei einer Prüfzeit von 6.000 Stunden können also Aussagen über nicht mehr als 36.000 Stunden Lebensdauer getroffen werden.

Das aus den USA stammende TM-21-Verfahren hat mehrere Vorteile: So ist es einfach zu handhaben und es stehen frei verfügbare Software-Tools bereit. Im Rahmen des Energy-Star-Programms sind Unternehmen sogar verpflichtet, die Verfahren des TM-21 einzuhalten. Bei der Exponentialfunktion des TM-21 handelt es sich um ein konservatives Szenario – mit diesen Ergebnissen ist man in der Regel auf der sicheren Seite. Dass der LED-Lichtstrom ansteigt, ist zwar rechnerisch möglich, durch die neu geplante IEC Norm jedoch ausgeschlossen.

Doch das Verfahren hat natürlich auch Nachteile. So wird beispielsweise die Korrelationsgüte nicht geprüft – eine exponentielle Funktion wird angelegt, ohne zu begutachten, ob die Testdaten überhaupt ein exponentielles Verhalten an den Tag legen. Außerdem wird jede Temperatur einzeln extrapoliert, so dass die zusätzlichen Informationen, die sich aus der Prüfung bei 3 Temperaturen ergibt, nicht genutzt werden. Dass kann z. B. nach sich ziehen, dass die TM-21-Extrapolation darauf hinweist, dass niedrigere Temperaturen eine schnellere Alterung bewirken. Dies entspricht nun einmal eindeutig nicht der Realität. Nicht zuletzt ist das Verfahren äußerst anfällig für die kleinsten Schwankungen in den Messdaten.

Gilt es, verschiedene Alterungserscheinungen zu beobachten, sollte das TM-21-Verfahren immer nur auf einen Alterungsmechanismus zur selben Zeit angewendet werden. Üblicherweise beginnt dieser Prozess mit den zuletzt auftretenden. Das stellt sicher, dass der Alterungsprozess erfasst wird, der am langsamsten verläuft.

Eine Alternative – die Grenzfunktion (Border Function, BF)

Auch dem Grenzfunktionsverfahren liegt die Annahme zu Grunde, dass ein exponentielles Modell eine konservative Vorhersage trifft. Doch in diesem Fall werden die Messdaten nicht an eine Exponential-Funktion angepasst. Stattdessen werden exponentielle Grenzfunktionen mit typischen Werten berechnet, wie Abbildung 1 zeigt. Für den LX-Wert ist hier ein Vielfaches von 5.000 anzusetzen. Der X-Wert beträgt 70, 80 oder 90 Prozent. Abbildung 4b veranschaulicht, wie im Anschluss die errechneten Grenzfunktionen mit den Messdaten verglichen werden.

Zwei Kriterien müssen erfüllt sein, um den entstandenen Vorhersagewert verwenden zu können:

  1. Alle Messpunkte der letzten 2.000 Stunden liegen oberhalb der anwendbaren Grenzfunktion.
  2. Die Steigung der Messpunkte der letzten 2.000 Stunden ist flacher als die Steigung der anwendbaren Grenzfunktion.

Kommen wir auf Abbildung 4b zurück: entsprechend der Kriterien ist für die 3 dort genannten Temperaturen die Grenzfunktion L70 = 50.000 Stunden anwendbar. Mündet ein Datensatz der zu prüfenden LED in diese Grenzfunktionsmethode, sollten entsprechend alle Datensätze dieser LED mit der gleichen Methode betrachtet werden. Dies ermöglicht durchgängig konsistente Aussagen.

Das Grenzfunktionsverfahren hat selbstredend ebenfalls Vor- und Nachteile. Pluspunkte sind seine einfache Handhabbarkeit sowie seine Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Messschwankungen. Minuspunkte sind zum einen die stark konservative Prägung der Vorhersage und zum anderen, dass auch hier jede Temperatur einzeln bewertet wird (s. o.).

Eine 2. Alternative: Die Arrhenius Temperaturbeschleunigung

Das an den Standard IEC 62506 angelehnte Arrhenius Modell baut auf der Annahme auf, dass die Lichtstrom-Degradation durch höhere Temperaturen beschleunigt wird. Die Arrhenius-Formel bestimmt die Temperaturabhängigkeit von der LED-spezifischen Aktivierungsenergie Ea:

In den Abbildungen 2 wird deutlich: Links werden die Messdaten bei drei Temperaturen und die Ermittlung der Wertepaare für die Arrhenius-Berechnung gezeigt. Rechts erkennt man, wie aus diesen Wertepaaren die Aktivierungsenergie und dadurch auch der Beschleunigungsfaktor AFT abgeleitet wird.

Abbildung 2a: Arrhenius Temperaturbeschleunigung – aus den Messdaten der drei Temperaturen werden die Daten für die Arrhenius-Berechnung entnommen: Drei Werte-Paare von Zeit und Lichtstromerhalt.

Abbildung 2b: Die drei Werte-Paare aus Abbildung 5a werden in einem "Arrhenius-Diagramm" dargestellt. Aus der Steigung der linearen Anpassung berechnet sich die Aktivierungsenergie.

Abbildung 2c: Die Arrhenius-Vorhersage der Lichtstromalterung. Quelle: Osram GmbH

Mithilfe des berechneten Beschleunigungsfaktors lässt sich, wie auf Abbildung2c zu erkennen ist, die Lichtstromalterung prognostizieren.

Das Arrhenius-Verfahren besticht dadurch, dass es in Industrie wie Naturwissenschaften gleichermaßen anerkannt und etabliert ist, um Vorhersagen bezüglich der Alterung durch Temperaturerhöhung zu treffen. Allerdings führt eine 6000 Stunden Prüfung bei höherer Temperatur in der Regel nicht zu einer L70-, sondern z. B.  „nur“ zu einer L90-Prognose. Dies zeigt sich ebenfalls auf Abbildung 2c.

Fazit und Ausblick

Fassen wir zusammen und schauen wir nach vorn: der oben behandelte Norm-Entwurf spiegelt einen Konsens wieder, auf den sich die Experten des Projektteams PT 63013 in IEC TC34 einigen konnten – der kontrovers geführten Diskussion zum Trotz. Die Veröffentlichung des entsprechenden IEC-Standards 63013 ist für Mitte 2017 geplant.

Diese IEC 63013 bietet eine einheitliche Basis für den Bereich LED-Lebensdauervorhersage und bietet eine Kenndaten-Transparenz bei der LED-Beleuchtung. Dies ermöglicht die Optimierung des Planungsprozesses, denn so kann prognostiziert werden, welcher Lichtstromrückgang über die Zeit erwartet werden kann. Dies eröffnet wiederum Möglichkeiten angepasster Konzepte. Für den nachhaltigen und energieeffizienten Einsatz sowie Betrieb von LEDS wird dies entscheidend sein.

 

Autor des Artikels:

Philipp Plathner