LED-lys finder vej ind i alle belysningsprodukter. Men hvordan står det til med levetid og robusthed af lyskilden og især strømforsyningsdelen?

29. oktober 2018

LED-lys er med stormskridt på vej ind i alle belysningsprodukter, og erfaringerne med håndtering af lyskilder og strømforsyning udvikler sig hastigt. Levetid og robusthed af især strømforsyningsdelen er fortsat emne for undersøgelser blandt andet i projektet ”LED Power Electronics to Last”, som er finansieret af Innovationsnetværket Smart Energy (INNO-SE). Men også EU’s markedsovervågning har et øje på LED-produkter og deres godkendelser. Vi deler i denne artikel resultater og konklusioner fra INNO-SE-projektet og fra EU’s markedsovervågning.

LED og strømforsyningen i vigtigt samspil

En LED-lyskilde består i store træk af 2 dele: Selve lyselementet (LED-chippen) og så effektelektronikken (driveren), der leverer strømmen til lyselementet. Lyselementerne, LED-dioderne, har efter nogle års udvikling nået et højt kvalitetsniveau, hvor lysudbytte og holdbarhed er fordelagtigt. Driveren er i princippet blot en switched-mode strømforsyning, der kan levere passende strøm til lyselementet. Resultatet er rigtig meget lysudbytte pr. W elektrisk effekt, og udover den lysmæssige opgave med at fastholde spektralforhold og lysstyrke er det en udfordring at få især strømforsyningsdelen til at leve i et 2-cifret antal år.

Den teknologiske forandring i lyskilderne smitter efterhånden også af på de tekniske krav i fx EMC- og elsikkerhedsstandarder. Det elektriske brugsmiljø har ligesom det mekaniske, det termiske og det fugtmæssige brugsmiljø en indflydelse på, hvor længe produktet kan leve. Og den indflydelse er under luppen i disse år, da LED-lyskilderne ikke agerer på samme måde som de hidtidig kendte lyskilder såsom glødelamper og udladningslamper.

Strømforsyningen og forsyningsnettet

Spændingstransienter på forsyningsnettet har i tidligere artikler været omtalt som en mulig risikofaktor for LED-belysningsudstyr. Denne risiko er altid til stede, skønt projektet ”LED power electronics to last” har vist, at transientregistreringer i Danmark viser en meget moderat forekomst af transienter på forsyningsnettet. I projektet er det også undersøgt, om de særlige installationsforhold i forbindelse med gadelys kan tænkes at udgøre en særlig risiko, fordi forsyningsnettet består af luftledninger, der elektrisk set kan opfattes som transmissionslinjer. AAU har opbygget en model for en streng af gadelamper. Der er udført elektriske simuleringer af transientrespons for en sådan streng af lamper for at afgøre, om der dannes resonanser som følge af kilometerlange transmissionslinjer og samspillet med den reaktive impedans i hver gadelampes inputfilter.

De detaljerede data er stadig under analyse, men hovedkonklusionen kan ses af Figur 1. Der er påtrykt så høj en transientspænding, at varistorerne i hver enkelt gadelampe er aktive og hjælper med til at begrænse den maksimale spænding mellem fase og nul til mellem 700 V og 900 V. Man kan se, at den største spænding optræder over den første varistor i strengen af lamper, og at alle øvrige spændinger er lavere. Hvis transienten er kraftig nok til at ødelægge/sprænge varistoren (eller sikringen) i denne første lampe, vil de næste lamper i kæden fortsat fastholde spændingen indenfor varistorernes begrænsningsområde. Oscillationerne, der optræder efter hovedforløbet (dvs. efter indikation 6 på tidsaksen), skyldes refleksioner på transmissionslinjen. Refleksionerne er ikke ubetydelige, men for de praktisk valgte ledningslængder ser det ikke ud til, at der optræder voldsomme forstærkninger af spændingen, som vil kunne forværre spændingsforholdene for de enkelte lamper. Topologien med lamper fordelt langs transmissionslinjen af luftledninger ser dermed ikke ud til at udgøre en speciel risiko for transientskade af lamper.

Figur 1: Transientspændinger over gadelamper 1-9 ved påtrykning af en høj transient. Lampe 1 sidder nærmest transientkilden. Der er 10 s (mikrosekunder) mellem hver tidsangivelse.

ADCO er EU’s vagthund

EU har en ’vagthund’ ved navn ADCO, som løbende gennemfører kampagner for markedskontrol af elektriske og elektroniske produkter. ADCO udsendte sidst i 2017 en rapport over produkterne ”LED Floodlights”, der omfatter arbejdslamper og punktbelysning til for eksempel garager, arbejdspladser og lignende. Den udsendte rapport nr. 7 har titlen: ”Report on the 7th Joint Cross-Border EMC/LVD Market Surveillance Campaign on LED Floodlights (2017)”. Rapporten kan findes her.

Produkterne er ikke helt den samme slags som den tilsvarende rapport dokumenterede i 2015: “Report on the 4th Joint Cross-Border EMC Market Surveillance Campaign on LED lamps (2011)”. Rapporten kan findes her.

De LED-produkter, der blev undersøgt i 2011-2015, havde samlet set en succesrate på 17,3 % (se figur 2). Evalueringen blev dengang udført efter kravene til CE-mærkning efter EMC-direktivet 2004/108/EC. Der blev udført måling af ledningsbåret emission, og den samlede, tekniske dokumentation blev gransket i forhold til direktivets krav. De konstaterede fejl og mangler var af meget forskellig karakter. Nogle produkter savnede et CE-mærke, andre havde fejl vedr. direktiver og standarder eller manglede information om produktet selv eller dets producent.
Figur 2: Den samlede konklusion fra 2011-2015 undersøgelsen af LED lighting products.

Safety med i nyeste undersøgelse

Den nyeste undersøgelse fra 2017 for LED Floodlight produkter er udvidet i forhold til tidligere og inkluderer både EMC-krav og elektrisk sikkerhed (safety). Undersøgelsen er lavet efter det samme (gamle) EMC-direktiv 2004/108/EC og det gamle LV-direktiv 2006/95/EC. Dermed er de nyere direktiver og deres udvidede dokumentationskrav til produkt og fabrikant ikke benyttet. De tilsvarende nye direktiver, der er i kraft i dag, er 2014/30/EU hhv. 2014/35/EU.

Den samlede konklusion fra den nyeste undersøgelse ses i figur 3.
Figur 3: Den samlede konklusion fra 2015-2017 undersøgelsen af LED Floodlights.

Umiddelbart ser det voldsomt ud. Undersøgelsen har dog rigtig mange detaljer, og det anbefales derfor at læse de nærmere omstændigheder for hver undersøgelse for at kunne sammenligne og vurdere de detaljerede konklusioner.

Den nyeste undersøgelse fra 2017 har lidt forskellig konklusion for de to fagområder, EMC og sikkerhed. Rapporten opgør delkonklusioner for EMC-emissionskrav (se figur 4) og for elektriske sikkerhedskrav. Desuden opgøres resultater for overensstemmelseserklæring (Declaration of Conformity eller DoC) samt for produktmærkning og elektriske sikkerhedsparametre som risiko for elektrisk stød, krybeafstande og ledningsføring.

Bemærk, at 76 % af produkterne udviste sikkerhedsmæssige fejl, der er af kategorien ”Criticism” eller ”Serious criticism” (se figur 5).

Figur 4: Delkonklusion vedrørende EMC-emissionsforhold, 2015-2017 undersøgelsen.
Figur 5: Delkonklusion vedrørende elektrisk sikkerhed, 2015-2017 undersøgelsen.

Omfattende EU-krav – og nu er de endda revideret!

På grund af det udvidede omfang i den nyeste undersøgelse er det svært direkte at sammenligne de to undersøgelser. Et fælles træk for de to undersøgelser er dog andelen af producenter udenfor Europa. Kun 5-7 % af de indsamlede produkter er produceret af producenter i EU. Rapporterne viser dog også, at de europæiske producenter i det store hele ikke klarer sig bedre end de øvrige med hensyn til den samlede overholdelse af CE-mærkningskravene. Det kan konkluderes, at det åbenbart er svært at klare sig forbi alle kanter og hjørner i de omfattende regelsæt. Erfaringsmæssigt bliver der ofte tilføjet endnu flere krav, når et direktiv eller en teknisk standard opdateres. Det er sjældent, at krav fjernes eller simplificeres, skønt det måske er intentionen.

Siden afslutningen af de to rapporter er direktivkravene til EMC og elsikkerhed, som nævnt, ændret. Der er nu lagt mere vægt på dokumentation af sporbarhed fra produkt til producent. EU-kommissionen har ønsket at kunne fastslå oprindelsen af produkter, der måtte give anledning til problemer på det europæiske marked. Derfor er de nye direktiver også forsynet med krav til både fabrikanter, importører og distributører. Holdningen fra kommissionen har tydeligvis været, at produkter uden en dokumenteret oprindelse ikke er accepteret på markedet. Men de skal selvfølgelig lige findes, før en myndighed kan stille krav om tilbagetrækning eller brugsforbud for et farligt produkt.

LED ændrer på standarder

Samtidig med de nye direktivkrav er visse EMC-standarder også opdateret. Det gælder fx EMC-produktstandarden for belysningsudstyr EN 55015:2018. Den er opdateret med blandt andet krav til feltbåret emission i området 300-1000 MHz.

Også basisstandarden om harmonisk strømemission EN 61000-3-2 er under revision og forventes vedtaget i løbet af 2018. Sidstnævnte standard er blevet opdateret med hensyn til nedre effektkrav, der nu justeres ned fra 25 W til 5 W. Dette sker for at kunne stille krav til LED-lyskilder, der med deres lave effektforbrug ellers ville være undtaget fra krav til harmonisk strømemission.

Det kan være en stor opgave at følge med i udviklingen indenfor både direktiver og standarder. Ændringer kan ske med kort varsel. Den bedste måde at sikre sin egen dokumentation for produkter er ved at følge eller deltage i standardiseringsarbejde eller benytte en anerkendt rådgiver indenfor de relevante direktiver.

Bemærk i øvrigt, at ADCO også har lavet markedsundersøgelser indenfor andre produktkategorier, som fx strømforsyninger og induktionskogeapparater.