СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ СВЕТОДИОДНОГО ИСТОЧНИКА СВЕТА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для светодиодных систем освещения с регулируемым световым потоком.

Известен способ отбраковки (прогнозирования срока службы) мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, включающий измерение значения спектральной плотности низкочастотного шума светодиодов при подаче напряжения в прямом направлении и плотности тока J из интервала 0.1<J<10 А/см, проведение процесса их старения, осуществляемого в течение времени не менее 50 часов при температуре T_J p-n-перехода из интервала T_J=50-150°С, температуре T_b окружающей среды из интервала T_b=25-120°С, плотности тока J через светодиод при напряжении в прямом направлении из интервала J=35-100 А/см, повторное измерение значения спектральной плотности низкочастотного шума светодиодов при упомянутых условиях и отбраковку светодиодов со сроком службы менее 50000 часов по превышению уровня спектральной плотности низкочастотного шума светодиодов после процесса старения более чем на порядок по сравнению с значением до процесса старения [патент RU 2523105, МПК H01L 33/30, 2010.01, опубл. 20.07.2014 Бюл. №20].

Известен способ определения срока службы (отбраковки) мощных синих светодиодов, предложенный фирмой Philips Lumileds (США) [статья Liftime Behav oire of LED Systems White Paper WP15, сайт http://www.philipslumileds.com]. В этом способе учтен вклад в срок службы катастрофических отказов и медленного развития старения до уровня эффективности (мощности) L₇₀. Способ содержит следующую последовательность операций: измерение внешней квантовой эффективности контрольной группы светодиодов (100 шт.) из каждой партии; проведение процесса старения светодиодов в течение 1000 часов в режиме, использующем комбинацию значений параметров T_J, T_b и I_F из соответствующих диапазонов: T_J=50-120°C, T_b=25-85°C, I_f=0.35-1A (соответствует плотности тока J=35-100 А/см); измерение эффективности (мощности) контрольных светодиодов; определение вероятности отказов из экспериментальных данных о числе отказов в контрольной группе из 100 светодиодов из каждой партии после старения в течение 1000 часов, с учетом количества вышедших из строя светодиодов до 1000 часов и минимального времени работы этих светодиодов; определение по полученным значениям вероятности отказа среднего значения срока службы светодиодов при фиксированных значениях T_J, T_b, J, из ранее рассчитанных зависимостей, связывающих вероятность отказов и срок службы светодиодов по уровню L₇₀. Расчетные зависимости учитывают оба явления (катастрофические отказы и медленное развитие старения). Если отказов за 1000 часов нет, то используется вероятность 0.5, отражающая средний уровень L₇₀.

Недостатком известных способов является то, что они могут быть использованы для источников света (ИС) с установившимся режимом работы (с постоянным световым потоком) и не корректны для ИС с изменяющимся режимом работы (с изменяющимся принудительно световым потоком) в процессе эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является прогнозирование срока службы светодиодного источника света с изменяющимся режимом работы (с изменяющимся принудительно световым потоком) в процессе эксплуатации.

Решение поставленной задачи позволяет планировать замену светодиодного источника света с изменяющимся режимом работы для снижения экономического ущерба от несвоевременной замены.

Поставленная задача решается выполнением способа, включающего измерение температуры нагрева светодиодного источника света и величины потребляемой мощности при изменении светового потока, построение функциональной зависимости температуры нагрева светодиодного источника света от величины потребляемой мощности, вычисление за расчетный период работы средней величины потребляемой мощности и на ее основе определение по функциональной зависимости средней температуры нагрева светодиодного источника света, вычисление в относительных единицах доли от максимального срока службы светодиодного источника света при температуре нагрева в установившемся режиме и при средней температуре нагрева в процессе эксплуатации, прогнозирование (определение) срока службы светодиодных источников света путем сравнения температуры нагрева в установившемся режиме и средней температуры нагрева в процессе эксплуатации.

До начала эксплуатации из партии источников света (ИС) создают представительную выборку и экспериментальным путем измеряют температуру нагрева светодиодного источника света и величину потребляемой мощности при изменении светового потока. Затем на основе полученных данных определяют функциональную зависимость температуры нагрева светодиодного источника света от величины потребляемой мощности при изменении светового потока.

В процессе эксплуатации среднюю величину потребляемой мощности Р_ср за расчетный период работы определяют по выражению:

где W_раб - потребленная электроэнергия светодиодными источниками света в процессе работы за расчетный период, кВт⋅ч; Т_раб - время работы светодиодными источниками света, час; N - количество светодиодных источников света, шт.

Зная величину потребляемой мощности, по функциональной зависимости, полученной до начала эксплуатации, определяют среднюю температуру нагрева светодиодного источника света в процессе эксплуатации t_ср.

Вычисляют в относительных единицах долю от максимального срока службы (при температуре нагрева светодиодного источника света 40°С) при температуре нагрева в установившемся режиме и при средней температуре нагрева в процессе эксплуатации по выражению:

где t - температура нагрева светодиодного источника света, °С.

Определяют (прогнозируют) срок службы светодиодных источников света в часах путем сравнения температуры нагрева в установившемся режиме и средней температуры нагрева в процессе эксплуатации по выражению:

где - прогнозируемый срок службы светодиодного источника света с изменяющимся принудительно световым потоком в процессе эксплуатации, часы; - срок службы светодиодного источника света в установившемся режиме (с постоянным световым потоком), часы; - доля от максимального срока службы светодиодного источника света при температуре нагрева в установившемся режиме, отн. ед.; - доля от максимального срока службы светодиодного источника света при средней температуре нагрева с изменяющимся принудительно световым потоком в процессе эксплуатации, отн. ед.

Способ иллюстрируется на фиг., где показана функциональная зависимость температуры нагрева светодиодного источника света от величины потребляемой мощности

Пример. Способ осуществляется при облучении салата в зимней теплице. Необходимо спрогнозировать срок службы светодиодных тепличных светильников единичной мощностью 100 Вт с регулируемым световым потоком со сроком службы в установившемся режиме 30000 часов. Общее количество светильников 120 шт. Время работы светильников 3 сезона (9000 часов). Потребленная электроэнергия за 3 сезона составила 93200 кВт⋅ч.

До начала эксплуатации определим функциональную зависимость температуры нагрева светодиодного источника света от величины потребляемой мощности при изменении светового потока. Полученная функциональная зависимость показана на фиг. Температура нагрева в установившемся режиме (потребляемая мощность равна номинальной) составляет 78°С.

По выражению (1) за расчетный период работы определим среднюю величину потребляемой мощности Р_ср по выражению:

что составляет 86% от номинальной мощности светодиодного источника света.

По функциональной зависимости, показанной на фиг., определим среднюю температуру нагрева светодиодного источника света в процессе эксплуатации t_ср. t_ср=65,8°С.

По выражению (2) вычислим в относительных единицах долю от максимального срока службы при температуре нагрева в установившемся режиме:

Т''=4,9358⋅e^-0,042*78=0,19 о.е.

По выражению (2) вычислим в относительных единицах долю от максимального срока службы при средней температуре нагрева в процессе эксплуатации по выражению:

Т''=4,9358⋅e^-0,042*65,8=0,31 о.е.

По выражению (3) спрогнозируем (определим) срок службы светодиодных источников света в часах путем сравнения температуры нагрева в установившемся режиме и средней температуры нагрева в процессе эксплуатации:

Вывод. При данном режиме работы необходимо произвести замену светодиодного источника света для снижения экономического ущерба от несвоевременной замены не позднее 48950 часов эксплуатации.