LED ürün tasarımında performans takibi: Üretici verileri gerçek çıkışa karşı

Bakalım okuduğunuzda aşina gelecek mi…

Yazan: Kevin L. Willmorth

Yeni bir aydınlatma ürünü tasarımı sürecinde işe üretici verilerini toplayarak başlarsınız. LED veri sayfalarını altüst edip LED’ler için lümen çıkışı arar ve 158 lümen/watt için [email protected], 3000K CCT / 90CRI (test akımı) ve 350mA’da (hesaplanan değer) 188 lümen/LED ölçülmüş lümen çıkışına sahip bir tanesini seçersiniz. Harika!

Hedefi 1.000 lümen çıkışı yapabilmek için ihtiyacınız olanı hesaplarsınız ve verilerle hesaplamalar etrafında bir ürün tasarlar, üretici veri sayfalarına göre optik kayıpları ve sıcaklığı telafi etmek için hedefin %30 üstünü dahil ederek 350mA’da çalışan 7 LED kullanırsınız. İlk malzeme parçalarını kullanarak bir prototip üretmek üzere fotometrik laboratuvarına gönderir ve hesapladığınıza çok yakın sonuçlar görmeyi umarsınız. Minimum 900 lümen de size uyar ama 1.000’den daha iyisini görmeyi beklersiniz çünkü parça üreticilerinin sağladığı veri sayfaları böyle olması gerektiğini söylemektedir.

Beklentileriniz şunlara dayanır:

LED veri sayfası LED’lerin 50mA’da 188 lümen üretebileceğini söyler.
· 188 lümen x 7 LED = 1.316 lümen, istenen nihai sonuçtan %30 fazlası
· Optik veri sayfası %92’lik bir verim iddia eder (%8 kayıp)
· Sürücü veri sayfası 350 mA/18-34Vf voltaj aralığında, 12W güçte %97 verim gösterir (23,8 Vf dizgi voltajını kapsar –hesaplanmış 9,8W watt yükü ile)
· Seçilen CCT LED veri sayfalarında 3.000K’dır, 90 CRI
· LED’inizin kutu sıcaklığı 20 dakika sonra 40°C olarak ölçülmelidir, ki bu noktada üretici veri sayfaları minimal lümen kaybı belirtmektedir, beklenti dahilinde 1514 lümen gibi bir değer gösterirler.
· Hesaplanan ve beklenen sonuçlar >1.000 lümen, 9.8W, 102 lm/W.

Sizin beklediğiniz sonuçlar

· Armatür toplam lümen 1.100+
· Sürücü kaybıyla watt 10+/-
· Lm/W = 108+
· CCT = 3000 / CRI = >90

Laboratuvar sonuçları gelir, siz endişeyle dosyayı açar ve şunları görürsünüz:

· Armatür toplam lümen 620.6
· Watt yükü 8.7
· Lm/W = 71
· CCT = 2850 / CRI = 88.5
· Ölçülen LED’in kutu sıcaklığı 66°C
· Optik altında LED ortam ısısı 40°C

Ne olmuştur?

Verimli bir armatür çıkışını üretici veri sayfaları etrafında oluşturulan beklentilerin altına düşürecek sayısız değişken devreye girebilir. İşte bu örneğin başına gelmiş olabilecek birkaçı:

1. CCT genel bir terimdir. Gerçek LED CCT’si değişkenlik gösterir. Ayrıca optik sistemler 200CCT’ye kadar LED renk sıcaklığında azalmaya (daha sıcak hale gelmesine) sebep olabilir. LED’leri düşük akımla çalıştırmak da CCT’lerin azalmasına neden olur.
2. CRI ortalama bir değerdir ve LED bin ya da üretim koşumu ile bir şekilde değişir.
3. Sipariş edilen ürünün gerçek LED lümeni 25°C Tj’de 167,32 lümendir – satın alınan bin grubu bazında %11 kayıp olmuştur.
4. LED üretici verileri, 25°C ortam ısında, 20 milisaniye kesin bir şekilde 25°C Tj’ye tutulmuş, dikkatle seçilmiş LED testlerine dayanır. LED’lerin gerçek LED kutu sıcaklığı, 77°C jonksiyon sıcaklığı ile sonuçlanan 40°C ortamda 66°C idi. Sonuç, -%15’lik ölçülmemiş LED kaybıdır.
5. LED üretici verileri her zaman, board’a montajlanmamış LED testlerine dayanır. Bu nedenle burasıyla ilgili termal çevrim süreçlerini deneyimlememiştir. Bir termal çevrim ölçülen LED çıkışını %7 düşürür.
6. Sürücü üretici verileri, tam olarak 120VAC’de, maksimum Vf.’de çalışan 25°C ortam sıcaklığı varsayar. –Gerçek sürücü çalışma şartları ortam sıcaklığı 42°C’dir – bu da %3 verim kaybı yaratır.
7. Gerçek sürücü çıkışı 350mA değildir, 340,4mA’dır ki bu da %3 akım ve LED lümen kaybı için +/-%5 toleransı dahilindedir.
8. Gerçek LED dizgisi voltajı 22,4 ölçülür ve LED Vf’nin 3,2 olduğunu gösterir; veri sayfasında olduğu gibi 3,4 değil –lümen çıkışını azaltarak LED’lerde %6 enerji kaybı
9. Sürücü, bir LED dizgisine bağlandığında 22,4 Vf voltaj düşüşü sergilerken 340,4mA’yı koruyarak, gerçekte 21,97Vf sağlar, %2 LED lümen kaybı.
10. Sürücü verim oranı tam yükte %97’dir. Tasarıma bağlanan yük %62’dir ve %89 gerçek verim ölçüşüyle sonuçlanır.
11. Kullanılan optiğin ölçülen verimi %97’dir. Ama bu, üretici tasarım yazılımından alınmış simüle veriye dayanır. Gerçek optik verimi %88 olarak ölçülür, %9 kayıp.

Bütün bunları alt alta koyunca elde ettiğiniz:

· Gerçek LED lümenleri/üretici verileri lümen kaybı = %33 (188 x .67 = 125.96)
· Üretici veri sayfasına karşılık gerçek uygulama koşullarında termal koşullardan dolayı LED’deki lümen kaybı = 15% (125.96 x .85 = 107.066)
· Sürücü akım-altı/voltaj-altı koşullarından lümen kaybı = 9% (107.066 x .91 = 97.43)
· Gerçek optik verimliliğe bağlı lümen kaybı = 9% (97.43 x .91 = 88.661)
· Ortam şartlarına bağlı sürücü verim kaybı = 3% (.97 x .97 = .949)
· Düşük yük şartına bağlı sürücü verim kaybı = 8% (.949 x .92 = .873)

Toplam gerçek lümen/LED = 88.661
Toplam armatür lümen= 620.63
Gerçek sürücü LED yükü = 7.625
Gerçek yükte toplam sürücü verimi = .873
120VAC’de gerçek sürücü watt = 8.733
Sistem lümen/watt = 71.07 lm/W

Peki şimdi?

Bir sonraki adım, çıkışı 500mA’ya yükseltmek için akımı LED’lere ayarlamak ve şunları elde etmektir:

Toplam gerçek lumen/LED = 120.243
Toplam armatür lümen = 841.70
Gerçek sürücü LED yükü = 10.9
Gerçek yükte toplam sürücü verimi = .903
120VAC’de gerçek sürücü watt = 12.07
Sistem lümen/watt = 69.73 lm/W

Ya şimdi?

Olanlar aşağıdaki gibidir:

· Daha yüksek akım LED çıkışını artırdı, ama ısıyı da artırdı. Bu nedenle lümen artışı sağlanan akımdaki artıştan daha azdı. Sonuç, beklenen çıkış artışından daha az ve etki daha düşük.

O zaman, LED’i maksimum test akımı olan 700mA’ya yükseltir ve şunu elde edersiniz:

Toplam gerçek lumen/LED = 159.59
Toplam armatür lümen = 1117.13
Gerçek sürücü LED yükü = 16.3
Gerçek yükte toplam sürücü verimi = .88
120VAC’de gerçek sürücü watt = 18.53
Sistem lümen/watt = 60.28 lm/W

Peki şimdi ne oldu?

· Daha fazla akım, hem LED noktalarında hem de armatürün içindeki ortamda ısıyı daha da yükseltti
· Daha yüksek akım sürücü LED yükünü ilk seçilen sürücünün ötesinde yükseltti. Bu da 12W kapasitede bir sürücüden, 16,3W ile yüklendiğinde daha düşük bir verimi olan 18W kapasitede bir sürücüye geçişi gerekli kıldı.
· Isı kompoziti ve sürücü seçimi etkiyi azaltmak için birleşti, ama tasarım hedefini aşmak için lümen çıkışını artırdı.

Çözüm?

Birkaç çözüm mevcut:

1. Beklentiyi düşürün. İlk hedef belli ki seçilen LED konfigürasyonunun sınırlarını zorluyor. Üretici verileri ile gerçek performans arasındaki farkı çözüme ulaştırmanın bir yolu yok, basitçe bu teknolojinin gerçeği bu.
2. Daha yüksek etkili LED’ler, daha verimli optikler ve daha verimli sürücüler bulun. Sürücüde %10, optiklerde %5 ve LED’de %10 iyileştirme şu sonuçları verecektir:

Toplam gerçek lumen/LED = 144.3 (@ 500mA)
Toplam armatür lümen = 1010.1
Gerçek sürücü LED yükü = 12.6
Gerçek yükte toplam sürücü verimi = .93
120VAC’de gerçek sürücü watt = 13.55
Sistem lümen/watt = 74.55 lm/W

3. Termal tasarımda yapılacak ek iyileştirmeler, ek güce gerek kalmaksızın lümen çıkışını artırarak etkide ek kazanım yaratabilir.

Bu, LED ürün tasarımında yaygın bir meseledir. veri sayfası değerleri göründükleri gibi düzenli yığılmaz ve uygulama şartlarında görülmeyen değerleri temsil ederler. Bu, hem LED’ler hem de sürücüler için geçerlidir ve ürün partisine göre de değişiklik gösterir.

Peki sonra neler mi olur…

Araştırır ve çok daha iyi LED’ler ve sürücüler bulursunuz, gücü düşürüp en iyi toplam paketi üreten özel yapım bir optiğiniz olur. Belki istediğiniz gibi 100lm/W değildir ama buna yakındır. Müşteriler buna bayılır, kâr edersiniz ve haydi pazara!

Bu arada, LED üreticisinden, kullanmakta olduğunuz LED’in yeni versiyonunun üretimine yıl sonunda son verileceğini, yerine %10 daha yüksek lümen üreten ve 3,1Vf’de çalışan, aynı zamanda daha az lümen kaybıyla daha yüksek Tj sıcaklığında çalışabilen Gen MCMVLXX üretileceğini bildiren bir not alırsınız. Sürücü üreticisi de bir not gönderip seçtiğiniz sürücünün stoklarda olmadığını, Çinli tedarikçinin ne zaman ürün göndereceğinin kesin olmadığını bildirir. Peşinden optik üreticisi, seçtiğiniz optiğin Gen MCMVLXX LED sürümü ile uyumlu olmadığını, ama konu üzerinde çalıştıklarını açıklar. Bunların hepsi, daha önce yapılmış testlerin yeniden yapılması, alınmış kararların yeniden değerlendirilmesi anlamına gelir. Ayrıca potansiyel olarak UL listelerinin revizyonunu ve bu noktada yeni testlere yol açacak araştırmaları gerekli kılar.

LED ürün tasarlama ve geliştirme dünyasına hoş geldiniz!

Ciddi olacak olursak, bu inceleme gerçek olmamakla birlikte, komponent üretici verileri etrafında tasarım yapmayı, tamamen güvenilmez olmasa bile tahmin edilemez kılan değişkenleri sunmaktadır. Buradan çıkarılacak bazı sonuçlar var:

· Asla bir LED’den veri sayfalarında sergilenen lümeni alabileceğinizi varsaymayın. Bütün verileri okuyun ve gerçek uygulama şartlarına daha yakın olacak şekilde düzeltmeler yapın –sonra güvende olmak için bundan bir %15 daha çıkarın.

· Asla sürücülerin kutuda yazan akımı ve VF’yi tam olarak sağlayacağını varsaymayın. Şüpheye düştüğünüzde seçilen ürünü, kullanılacağı şartlar altında test edin. Ayrıca unutmayın ki verim sayı değerleri gerçek uygulama şartlarıyla nadiren eşleşen genellemelerdir. Tam verimin ne olduğunu öğrenmenin tek yolu, söz konusu sürücüyü planlanan LED / LED dizilişi ile test yüklemesi yaparak sınamaktır.

· Asla optik üretici verim verilerinin doğru, hatta gerçek test verilerine dayandığını varsaymayın. Gerçekleşen optik verim ile üretici verileri arasında önemli bir fark olabilir.

· Hem sürücü hem de LED için termal şartların lümen üretimi ve sistem verimi açısından büyük etkisi vardır. Bir sistemi çok düşük sıcaklıkta çalıştıramazsınız. Ayrıca, sağlanan verilerin gerçek uygulama şartlarında pek gerçekçi olmadığını unutmayın. Yani tek başına bu bile sistem performansı üzerinde önemli bir etki yaratır.

· Son bir not: Sistem performansını tahmin edilen tüm şebeke gerilimlerinde doğrulayın. Bir sürücünün 5 dakika boyunca bir sırada 120VAC’de çalışması, 12 saat hiç durmadan 277V’ta çalışacağı anlamına gelmez. Kısılma problemlerine, yüksek gerilimde (277V), 120VAC’de olduğundan daha sık rastlanır. Bu yüzden tüm kısılma aralığında her ikisi için de test edin.

· Ah, evet… kısma sürücüsü verimliliği korumak da, tam parlaklıkta bile çok kötüdür –ve ürün oradan kısıldıkça daha da kötüleşir.

Haber kaynağı: https://lumeniquessl.com/2018/04/18/chasing-performance-in-led-product-designs-manufacturer-data-vs-realized-output/