Messung und Vorhersage des LED-Lichtstromrückgangs

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Die Vor- und Nachteiles des TM-21-Verfahrens

Vorteile des in den USA etablierten TM-21-Verfahrens sind, dass es einfach zu handhaben ist und es dafür bereits frei verfügbare Software-Tools gibt. Auch Unternehmen, die ihre Produkte im Rahmen des Energy-Star-Programms zertifizieren lassen möchten, sind verpflichtet, die Verfahren von TM-21 einzuhalten. Die Exponentialfunktion des TM-21 kann als ein konservatives Szenario angesehen werden. Das heißt, man liegt mit diesem Modell in der Regel auf der sicheren Seite für die Praxis. Die rechnerisch mögliche TM-21-Projektion eines Anstiegs des LED-Lichtstroms ist durch die neu geplante IEC-Norm ausgeschlossen.

Die Nachteile des TM-21-Verfahrens liegen darin, dass zum einen die Korrelationsgüte nicht geprüft wird: Es wird eine exponentielle Funktion angelegt. Dabei wird nicht bewertet, ob die Testdaten wirklich ein exponentielles Verhalten zeigen. Zum anderen wird jede Temperatur einzeln extrapoliert.

Die zusätzliche Information, die aus der Prüfung bei drei Temperaturen vorliegt, wird nicht genutzt. So kann es zu einem Ergebnis kommen, das für niedrigere Temperaturen eine schnellere Alterung vorhersagt. Das ist ein klarer Widerspruch zur Realität (Arrhenius-Verletzung), den das Verfahren nach TM-21 nicht absichert. Das Verfahren nach TM-21 ist zudem anfällig für kleinste Schwankungen in den gewonnenen Messdaten.

Zwei Alternativen zum TM-21-Verfahren sind das Vorhersage-Verfahren mit einer Grenzfunktion und das Arrhenius-Modell. Bei der Vorhersage mit einer Grenzfunktion liegt die Annahme zu Grunde, dass ein exponentielles Modell eine konservative Vorhersage trifft. Im Gegensatz zum TM-21-Verfahren wird jedoch nicht eine Exponentialfunktion an die Messdaten angepasst. Bei dem Grenzfunktionsverfahren werden exponentielle Grenzfunktionen mit typischen Werten berechnet. Für den L_x-Wert ein Vielfaches von 5000 Stunden anzusetzen und für den x-Wert 70, 80 oder 90%. Die berechneten Grenzfunktionen werden mit den Messdaten verglichen. Der vorhergesagte Wert darf auf die geprüfte LED angewandt werden, wenn:

• Alle Messpunkte der letzten 2000 Stunden liegen oberhalb der anwendbaren Grenzfunktion und

• Die Steigung der Messpunkte der letzten 2000 Stunden ist flacher als die Steigung der anwendbaren Grenzfunktion.

Wenn ein Datensatz der zu prüfenden LED in diese Grenzfunktionsmethode mündet, sollten alle Datensätze dieser LED mit der gleichen Methode betrachtet werden, um so durchgängig konsistente Aussagen treffen zu können. Vorteile des Grenzfunktionsverfahrens sind eine einfache Handhabbarkeit und seine Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Messschwankungen. Ein Nachteil liegt darin, dass die Vorhersage sehr konservativ ausfallen kann. Zum anderen wird jede Temperatur einzeln bewertet und keine Information aus dem Vergleich der Messergebnisse bei unterschiedlichen Temperaturen gezogen.

Lichtstrom-Degradation und erhöhte Temperaturen

Das Arrhenius-Modell ist an den Standard IEC 62506 angelehnt und wird in einem informativen Anhang zur neuen Norm IEC 63013 enthalten sein. Es beruht auf der Annahme, dass die Lichtstrom-Degradation durch eine erhöhte Temperatur beschleunigt wird. Die Temperaturabhängigkeit wird von der LED-spezifischen Aktivierungsenergie
E_a bestimmt:

Das Vorgehen wird im Bild 3 deutlich: Auf der linken Seite werden die Messdaten bei drei unterschiedlichen Temperaturen und die Ermittlung der Wertepaare für die Arrhenius-Berechnung gezeigt. Rechts ist zu erkennen, wie aus diesen Werte-Paaren die Aktivierungsenergie und somit der Beschleunigungsfaktor AF_T abgeleitet wird.

Vorteil des Arrhenius-Verfahrens ist, dass es in der Industrie und in den Naturwissenschaften etabliert und akzeptiert ist, um Vorhersagen für die Alterung auf Grund der Temperaturbeschleunigung zu treffen. Aber die Temperaturbeschleunigung führt in der Regel nicht zu einer L₇₀-Vorhersage, sondern beispielsweise nur zu einer L₉₀-Prognose. Eine L₇₀-Vorhersage ist nur in Kombination mit anderen Methoden möglich.

Für den Fall, dass unterschiedliche Alterungserscheinungen zu beobachten sind, sollte das Arrhenius-Verfahren auf jeweils einen Alterungsmechanismus, in der Regel auf den zuletzt auftretenden, angewendet werden. Die IEC 63013 bietet eine einheitliche Basis für die LED-Lebensdauervorhersage und schafft eine Kenndaten-Transparenz bei der LED-Beleuchtung. Ist der Lichtstromrückgang über die Zeit bekannt, kann entsprechend konzipiert und rechtzeitig gehandelt werden.

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* Dr. Philipp Plathner ist Referent Normung bei Osram in Garching und Dr. Christian Jung ist Qualitätsingenieur bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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