LM-80- und TM-21-Tests Lebensdauer von LEDs auf dem Prüfstand

LM-80- und TM-21-Tests

Um verlässliche Angaben über den Lichtstromerhalt und die Lebensdauer von LED-Lampen machen zu können, setzen Hersteller von Leuchtdioden und Beleuchtungssystemen zwei Verfahren ein, IES LM-80-2008 (Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources, LM-80) und IES TM-21-2011 (Projection Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources). LM-80 wurde, ebenso wie TM-21, von der Illumination Engineering Society (IES) entwickelt. Die Norm spezifiziert die Verfahren, mit denen die Abnahme der Lumen-Werte von LED-Lampen und entsprechenden Modulen gemessen werden kann. Außerdem sind in LM-80 Methoden aufgeführt, mit denen sich die Messwerte in Berichte umsetzen lassen.

Ein zentrales Ziel von LM-80 ist es, die Messergebnisse unterschiedlicher Testlabore vergleichbar zu machen. Eine dieser Testeinrichtungen ist Crees Solid-State Lighting Testing Laboratory (SSL) in Durham (North Carolina). Es wurde im Rahmen des National Voluntary Laboratory Accreditation Program (NVLAP) offiziell als LM-80-Testlabor anerkannt.

IES TM-21-2011 wiederum enthält Empfehlungen, wie sich LM-80-Testergebnisse dazu verwenden lassen, um den Lichtstromerhalt beziehungsweise das Lumen Maintenance Life (LP) von LED-Lampen über einen längeren Zeitraum hinweg zu ermitteln. Unternehmen, die ihre Produkte im Rahmen des Energy-Star-Programms zertifizieren lassen möchten, müssen diese Vorgaben einhalten. Das Zertifikat wird an besonders energiesparende und umweltverträgliche Systeme vergeben, in Europa im Rahmen der Euro-Energy-Star-Initiative. Als Energy-Star-Partner nutzt auch Cree für seine LEDs der Reihe XLamp Verfahren, die in LM-80 und TM-21 spezifiziert sind.

Allerdings gibt es bei LM-80 folgendes Problem: Viele High-Power-LEDs weisen auch nach vielen Tausend Teststunden eine längere Lebensdauer auf, als in der L70-Spezifikation definiert wurde. L70 gibt den Zeitraum (in Stunden) an, bis die ursprüngliche Lichtleistung auf 70 Prozent des Ursprungswerts gesunken, und dies nach frühestens 50.000 Betriebsstunden. Eine Lösung für das angesprochene Problem besteht darin, nicht nur auf LM-80-Tests zurückzugreifen, sondern auch auf die in IES TM-21 beschriebenen Extrapolationsverfahren.

Das SSL-Testlab von Cree überprüft die Lumen Maintenance von LED-Lampen zunächst mithilfe von Verfahren, die den Vorgaben von LM-80 entsprechen. Dazu werden Leuchten mit Crees XLamp-LEDs auf Metal-Core-PCBs (Leiterplatten mit Metallkern) montiert. Ein typischer Testaufbau besteht aus 30 XLamp-LEDs. Die Platinen werden anschließend mit Kühlkörpern in einer Klimakammer verbunden.

Die TSP (Temperatur am Lötpunkt) jeder Lampe wird im Verlauf des Tests ständig überwacht. Das erfolgt über die Kühlkörper. Außerdem wird die Temperatur der Umgebungsluft in der Kammer (T-air) entsprechend angepasst. Außerdem ist laut LM-80 4.4.3 sicherzustellen, dass die Testobjekte keinem Luftzug ausgesetzt sind, denn dieser Kühleffekt würde die Testresultate verfälschen.

Vor Beginn der Tests, also bei t = 0, werden die elektrischen und photometrischen Eigenschaften jeder XLamp-LED-Lampe mit einer Ulbricht-Kugel ermittelt. Anschließend werden mehrere Lampen-Sets in der Klimakammer platziert und mit unterschiedlichen Treiberstromwerten angesteuert. Eine weitere Vorgabe von LM-80 ist, dass die Lampen mindestens alle 1000 Stunden aus der Kammer zu entnehmen sind und erneut Messungen mit der Ulbricht-Kugel durchgeführt werden müssen. Die minimale Dauer von LM-80-Tests beträgt 6000 Stunden. Erst dann sind zuverlässige Aussagen über den Lichtstromerhalt (Rated Lumen Maintenance Life, LP) einer Leuchtdiode möglich.

Im zweiten Schritt kommen die Extrapolationsverfahren zum Einsatz, die in IES TM-21 beschrieben sind. TM-21 bildet aus den Daten, die an einem Messpunkt anfallen, Durchschnittswerte und normalisiert diese auf den Wert 1 oder 100 Prozent zum Zeitpunkt 0. Anschließend werden die Durchschnittswerte, die für alle Datenpunkte zwischen der 1000. und 6000. Teststunde anfallen, in eine exponentielle Kleinste-Quadrate-Kurve überführt. Diese Kurve lässt sich bis zu dem Punkt weiterführen, an dem sie den gewünschten LP-Wert schneidet.

Für die Berechnung der LP-Werte kann auch die Gleichung der Exponentialkurve herangezogen werden. Eine Vorgabe von TM-21 ist, dass der LP-Wert, der auf Basis eines bestimmten Datensatzes ermittelt wurde, maximal das Sechsfache des Testzeitraums umfasst. Das heißt, der maximale LP-Wert kann nur mit » > 36.000 Stunden« (6 x 6000 h) angegeben werden.

Anders ist die Situation beim extrapolierten L85-LP-Wert. Da dieser in dem genannten Beispiel unter 36.000 Stunden liegt, ist es zulässig, den tatsächlichen Wert anzugeben, also 23.200 Stunden. Die Darstellung der LM-80-Resultate, die mithilfe des TM-21-Verfahrens errechnet wurden, berücksichtigt sowohl die LP-Werte als auch den Testzeitraum. Für den Datensatz des Beispiels in Bild 2 heißt das:

  • L85(6k) Lifetime = 23.200 Stunden
  • L70(6k) Lifetime > 36.000 Stunden

Die »6k« beziehen sich auf die 6000 Stunden, die der Test dauerte. LM-80-Tests müssen allerdings nicht zwangsläufig nach 6000 Stunden enden. Auch die Werte, die jenseits der 6000-Stunden-Grenze anfallen, finden Berücksichtigung und ermöglichen oftmals eine stabilere Extrapolierung. Betrug die Testperiode beispielsweise zwischen 6000 und 10.000 Stunden, werden für die Exponentialkurve die Durchschnittswerte der letzten 5000 Stunden herangezogen. Der Grund dafür ist, dass die Lumen-Werte

einer LED mit Fortschreiten des Tests häufig langsamer abnehmen. Das kann dazu führen, dass fälschlicher Weise höhere LP-Werte angegeben werden. Auch bei Langzeitmessungen ist laut TM-21 die im Testreport aufgeführte L70-Lebensdauer einer LED auf das Sechsfache der Testdauer beschränkt. Bild 3 zeigt die LP-Werte, die auf Basis derselben LM-80-Daten wie in Bild 2 ermittelt wurden:

  • L85(10k) Lifetime = 28.500 Stunden
  • L70(10k) Lifetime > 60.000 Stunden

Bei LM-80-Untersuchungen von mehr als 10.000 Stunden Dauer werden für die Exponentialkurve die letzten 50 Prozent der Datenpunkte herangezogen. Das heißt beispielsweise, dass bei Testläufen von 12.000 Stunden die Resultate der letzten 6000 Stunden relevant sind. Auch in diesem Fall wird bei der Ermittlung des LP-Wertes das Sechsfache der Werte berücksichtigt.

Cree publiziert für alle LED-Produkte der XLamp-Reihe LM-80-Testreports. Zusammenfassungen dieser Berichte sind in der Cree XLamp LED IES L-M80-2008 Testing Results Application Note zu finden. Die kompletten Berichte sowie TM-21-Reports für die gesamte XLamp-Produktreihe sind direkt bei Cree erhältlich.

 

Mitch Sayers ist Field Application Engineer bei Cree Europe.

Angaben zur Lebensdauer: Lumen-Maintenance-Life-Werte

Als Maßeinheit für die Lebensdauer von LED-Leuchten dienen Lumen-Maintenance-Life-Werte LP. Das P ist der Prozentsatz des ursprünglichen Lichtstroms, den eine Leuchte nach einer bestimmten Zahl von Betriebsstunden noch aufweist. Ein Wert von L70 (6k) > 70.000 bedeutet beispielsweise, dass der Lichtstrom eines LED-Beleuchtungssystems nach 70.000 Stunden auf 70 Prozent des Ursprungswerts zurückgegangen ist. Diese Zahl basiert auf Tests durch den Hersteller von 6000 Stunden Dauer. Gängige Lumen-Maintenance-Life-Werte sind L50, L70 und L85. Maßgeblichen Einfluss auf diese Daten haben Faktoren wie die Höhe und Konstanz des Ansteuerstroms (Treiberstroms), die Betriebstemperatur und die Art des Verguss-Materials.