Bedre liv til LED Power Electronics!

Store fordele ved LED

Det har ikke været svært at se fordelene ved LED belysning. Store energibesparelser, et politisk pres for samme og bedre lys har bl.a. ført til mange infrastrukturanvendelser som vejbelysning og lys i store byggerier, hvor LED lys indgår som løsningen. Skiftet til LED lyskilder har relativt nemt kunnet integreres i nye og eksisterende installationer. Investeringsmæssigt har skiftet økonomisk været fordelagtigt eller i hvert fald neutralt, fordi besparelser ved lang levetid og lavt energiforbrug kunne balancere omkostningen ved investering i udskiftning af lyskilde. Praktiske erfaringer har dog vist, at det ikke altid er gået som forventet. I fagpressen har der været omtaler af især sårbarhed overfor spændingstransienter (kortvarige høje spændinger på mange kV) ved lynnedslag, men også generelt dårlig holdbarhed, der ikke står mål med forventningen om 2-cifrede leveår.

Sårbar drivelektronik

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 fordelagtige. Driveren er i princippet blot en switchmode strømforsyning, der kan levere passende strøm til lyselementet. Nogle konstruktioner kan desuden styres, så der kan laves forskellige former for elektronisk dæmpning af lysstyrken, hvilket giver mere brugervenlighed og yderligere energibesparelser. Selv simple drivere består dog af langt flere komponenter end tidligere tiders passive forkoblinger. Med den mere komplekse opbygning er risikoen for nedbrud af en vital komponent også større, og den aktive elektronik er mere sårbar overfor miljøpåvirkninger som for eksempel temperaturer, fugtighed og spændingstransienter (”surges”). De elektriske påvirkninger kan blive meget kraftige. Figur 1 viser en test, hvor en surge når op på flere kA i printbanerne af en strømforsyning.

Fiktive levetidsdata

Traditionelt har belysningsbranchen angivet levetiden for en lyskilde på basis af selve lyselementets levetid, fordi det var den afgørende faktor. Øvrige indgående komponenter havde næsten altid en meget længere levetid. Sådan var det med glødepæren, kvartspæren (halogen), lysstofrør, mv. Men med LED belysning er situationen radikalt ændret, for selve LED lyselementet har meget lang levetid, mens de mange indgående komponenter, især i driverelektronikken, har meget kortere levetid. Det samlede systems levetid er bestemt af den mest kritiske komponent. Branchen har dog fasthold en tradition for at oplyse levetiden for selve lyselementet – måske fordi dette giver en meget positiv anprisning af teknologien. I realiteten er det dog ikke en dækkende levetidsangivelse. Den typiske levetidsangivelse, fx 50.000 timer, er i dag såkaldt ”lumen maintenance life”, altså en angivelse af, hvor meget lysstyrken falder over tid. Et fald til typisk 70 % af det oprindelige lys anvendes ofte som kriterium. Det dækker kun LED lyselementet, og kun dets ændring i lys. Men LED elementet fejler sjældent, og normalt slet ikke katastrofalt. Det gør imidlertid de mange elektrolytkondensatorer, varistorer, dioder, transistorer og andet, som indgår i driveren, og når driveren fejler, forsvinder lyset.

Mellem to verdener – producenter af konsumelektronik – infrastruktur

Driverkredsløbene indkøbes ofte fra underleverandører, der fremstiller meget store styktal af enhederne. Storskalaproduktionen er med til at sænke priserne, og drivere leveres til konsumprodukter i hele verden. Konsummarkedet er dog typisk ikke et marked, hvor man forventer at elektronikken lever i 10 eller 20 år. Det står i modsætning til infrastruktur installationer, hvor man vil sikre fejlfri gadebelysning uden vedligeholdelse gennem en lang årrække. Infrastrukturens behov for stor holdbarhed under krævende installationsforhold er et skrapt krav til elektroniske konstruktioner. Brugsmiljøet er velbeskrevet med hensyn til temperaturer, luftfugtighed og mekaniske påvirkninger, men de elektriske påvirkninger er ikke så kendte. Tænd/sluk funktion, spændingstransienter og overtoner (harmonisk forvrængning) i forsyningsnet med mange lyskilder kan være en større udfordring for elektronikken end forventet.

Måling og simulering af miljøet

Innovationsprojektet har til formål at måle og karakterisere det elektriske miljø i større installationer med LED lyskilder. Sammen med en række industripartnere samt AAU (Aalborg Universitet) skal DELTA (en del af FORCE Technology) udføre målinger og beregninger af det elektriske miljø. Aktiviteterne skal føre til bedre beskrivelse af de elektriske krav til belysningsnetværk, og derigennem bedre mulighed for at specificere og konstruere holdbar elektronik. Derved høster man den fulde gevinst ved LED lysteknologien. Ejerne af belysningsanlæg, fx kommuner ved gadelys og virksomheder ved større byggerier, kan da se frem til bedre driftsøkonomi.

Projektets resultater vil blive formidlet til industrien via fagnetværk og ved udgivelse af en offentlig rapport. Projektet blev afsluttet i 2017.