Het testen van led s en drivers Parameters en testmethoden Door het steeds toenemende gebruik van led s is er een behoefte ontstaan aan nieuwe metingen, op basis van de eigenschappen van de led en alle andere onderdelen van het verlichtingssysteem. In dit artikel beschouwen we de parameters die moeten worden gemeten en de manier waarop dat kan gebeuren. NICO MOMBERS, TT&MS Led s zijn niet meer weg te denken uit het hedendaagse aanbod aan lichtbronnen. Ze zijn zuinig, hebben een lange levensduur, zijn compact en relatief goedkoop. Het is een lichtbron waarbij het licht niet ontstaat uit een gloeidraad maar uit puur halfgeleidermateriaal. Hierdoor hebben ze geen burn-out en dus een veel langere levensduur. Ook is er veel minder warmteontwikkeling dan bij conventionele lichtbronnen: het rendement is veel hoger. Theorie Testparameter: Deze spanning moet natuurlijk zeer stabiel zijn. Een onstabiele spanning resulteert in een onstabiele lichtsterkte van de led. Daarom mag hij niet meer dan ± 5% afwijken van de constante V o. Voor een led echter kan gaan branden is er een voorwaartse biasspanning (V f ) nodig. Dus V o moet hoger zijn dan V f, anders licht de led niet op. Aan de andere kant mag deze V o ook niet te hoog zijn want dan zal ook de stroom door de led te groot worden en dit verkort de levensduur. stroom I o moet ook hier weer hoog genoeg zijn om de led te laten branden, dus hoger dan I min van de led. Als meer led s gelijktijdig moeten worden aangestuurd, resulteert de parallelschakeling in figuur 1 in verschillende stromen in de verschillende kringen en dit resulteert op zijn beurt in verschillende lichtsterkten per led. Daarom is het aan te raden serieel te werken zoals figuur 2 toont. Ook zal een onstabiele stroom ervoor zorgen dat de levensduur van de led wordt verkort. Om een duidelijk beeld te krijgen van wat er moet worden getest, is het van belang om te weten wat een led nu eigenlijk is en welke parameters van belang zijn voor de driver. Een overzicht: Uitgangsspanning van de driver Uitgangsstroom van de driver Testparameter: De toelaatbare variatie in stroom is ± 10% van de constante stroom van de driver-uitgang alvorens dit zichtbaar is in de lichtsterkte. De Rimpelstroom: Testparameter: De rimpel op de constante stroom moet minder zijn dan 20%. De lichtopbrengst van de led wordt beïnvloed als de rimpelstroom Figuur 1. Parallelschakeling van led s resulteert in verschillende lichtsterkten per led. Figuur 2. Bij serieschakeling is de stroom door alle led s even groot. 16 elektronica 11/12-2013
Meettechniek Figuur 3. De rimpel bij het aanschakelen van twee verschillende led s. Figuur 4. Dimmen met impulsduurmodulatie. stijgt. Afhankelijk van de sterkte van de rimpelstroom zal de junctietemperatuur in de led stijgen en nemen de prestaties af. Het is belangrijk deze temperatuur laag te houden want elke 10 verhoging van de junctietemperatuur, halveert de levensduur van de led. Het moge duidelijk zijn dat deze rimpelstroom dus klein moet zijn om de levensduur van de led te garanderen. De grootte van de rimpel wordt echter mede bepaald door het dynamisch gedrag van de led zelf. Figuur 3 toont het aanschakelen van twee verschillende led s, en hoe deze rimpel eruit ziet. Dimmen Naast gebruik als constante lichtbron kan men de led natuurlijk ook dimmen. Hier zijn verschillende methoden voor maar de meest voorkomende is impulsduurmodulatie (PWM). Test parameter: bij het dimmen zijn drie parameters van belang: Dimstroom: deze moet liggen binnen ± 5% van de ingestelde dimstroom; Dimfrequentie: de afwijking van deze frequentie mag maximaal ±1% zijn; Dim duty cycle (puls/pauzeverhouding): ook de duty cycle moet binnen ±1% nauwkeurig zijn. Het is noodzakelijk dat deze parameters worden getest en dat aan de nauwkeurigheidseisen is voldaan om een perfecte dimming te verkrijgen met een zo hoog mogelijk rendement. Rendement van de driver Dit is de procentuele verhouding tussen het effectieve uitgangsvermogen en het ingangsvermogen: Inschakel overshoot: Dit is de overgangspiek (Ipeak) van de Figuur 5. De dimstroom. Figuur 6. De dimfrequentie. Figuur 7. De duty cycle. Figuur 8. Inschakelovershoot. elektronica 11/12-2013 17
uitgangsstroom als de led-driver wordt ingeschakeld. Led s testen Om voor applicaties de juiste led te selecteren is het nodig om ze te testen op lichtsterkte, de juiste kleur en uiteraard ook levensduur. Tot de daarvoor benodigde test- en meetapparatuur behoren een nauwkeurige gelijkstroombron en meter, een luminantie/chrominantiemeter en een spectrocolorimeter. Gezien de kleine lichthoeveelheid worden de metingen verricht in een zogeheten integrerende bol. Voor de levensduurtesten zijn specifieke systemen beschikbaar met diverse kanalen en eventueel een temperatuurcycluskamer. Ook zijn er specifieke systemen voor het testen van complete ledbars of andere halffabricaten met led s. Naast de led is een led-driver nodig voor de correcte aansturing van de led. Dat is een stuk stuurelektronica waarmee een zo hoog mogelijk rendement uit de led wordt verkregen. Eveneens kan de driver dienen om led s te dimmen en actief aan te sturen. Het is daarom ook essentieel dat deze elektronica optimaal kan worden getest. Led-drivers testen Voorlopig zijn er nog geen algemene teststandaarden beschikbaar voor het testen van led-drivers. Hierdoor is de validatie minimaal en dit resulteert in grote kwaliteitsverschillen van leddrivers. Het is daarom des te belangrijker om over een goed testsysteem te beschikken waarmee alle genoemde specificaties kunnen worden gemeten en gevalideerd. Er bestaan gelukkig totale testsystemen die deze testen automatisch kunnen uitvoeren. Zo n systeem wordt opgebouwd als geschetst in figuur 10. Testen van de uitgang Led-drivers worden vaak gebruikt voor verschillende armaturen. Dat houdt in dat er ook een variëteit is aan verschillende testen. Hoe simuleer je de verschillende led-belastingen? Fabrikant Chroma heeft hiervoor een oplossing met zogeheten led-loads. Die zijn in staat om een led volledig te simuleren zodat een driver exact hetzelfde kan worden belast als bij een echte led. Je kunt je afvragen wat eigenlijk het verschil is tussen deze led-load en een klassieke weerstandsbelasting of een elektronische belasting in constante weerstand- en constante spanningsmodus. Als we een belastingsweerstand aan de led-driver hangen kunnen we nooit de IV-curve van een led simuleren (zie figuur 11). Dit kan ervoor zorgen dat de driver simpelweg niet zal opstarten. Als we een elektronische belasting gebruiken in CR- en CV-modus testen we alleen een led in de stabiele fase. We kunnen dus geen lichtsterktetesten uitvoeren tijdens de opstart en PWM-dimming. Hierdoor kan de leddriver mogelijk niet correct functioneren en kunnen de beveiligingen in de driver worden getriggerd, zodat de driver zal uitschakelen. Door gebruik te maken van echte led s kan alles wel worden getest, maar dan krijgen we te maken met problemen als de veroudering van die led s en de veelheid aan verschillende typen led s. Daarom is de led-load een eenvoudige oplossing die het snel testen van alle soorten drivers en het simuleren van alle soorten en aantallen led s mogelijk maakt. Figuur 10. De opbouw van een automatisch testsysteem voor led-drivers. Figuur 11. IV-curve. Figuur 9. Het ledtestsysteem 58158 van Chroma. Figuur 12. 18 elektronica 11/12-2013
Meettechniek Figuur 13. Simulatie van een aantal verschillende led s. Figuur 14. Simulatie van verschillende led-karakteristieken. Door het instellen van de uitgangsspanning en stroom van de led-driver kan de led-load een ledbelasting simuleren. Ook is de bandbreedte voldoende groot om PWM-gestuurd dimmen te testen. Verder kan ook Rd of de Rd-coëfficiënt van een bekende led worden berekend en ingevoerd, om deze zo correct mogelijk te simuleren. Testen van de ingang Ook moeten we de driver grondig testen aan de AC-kant, want deze hangt tenslotte aan het lichtnet. Daarom moet hij bestand zijn tegen alle storingen vanuit het net, maar de driver mag ook geen storingen terugleveren in het net. Dit zijn de te meten parameters: Ingangsaanloopstroom Dit is de stroom die de driver uit het net trekt bij het inschakelen, dat wil zeggen een koude start met aangesloten led op kamertemperatuur. De netspecificaties bepalen de maximaal toelaatbare aanloopstroom. Ingangsvermogen: Stroom harmonischen De totale harmonische vervorming (THDi) is de verhouding tussen de som van de RMS-waarden van alle harmonischen en de RMS-waarde van de basisfrequentie. Ingangs power factor De power factor is natuurlijk belangrijk als we veel drivers gaan toepassen. Zij mogen de belasting op het net niet inductief of capacitief verschuiven. hebben op het opgenomen vermogen aan de AC-kant. Totale regulatie Dit zijn de afwijkingen in spanning en stroom die ontstaan wanneer zowel de spanning aan de AC-kant als de belastingswaarde aan de uitgang verandert. Inschakeltijd Dit is de tijd die de led-driver nodig heeft om bij een statische belasting en inschakelen van de AC-spanning, de spanning en de stroom op de uitgang op te bouwen. Uitschakeltijd Dit is de tijd die de led-driver nodig heeft om bij een statische belasting en uitschakelen van de AC-spanning, de spanning en de stroom op de uitgang af te breken. Ingangs-RMS-stroom: Dit is de RMS stroom die wordt aangeboden aan de led. Ingangspiekstroom: Simulatie netstoringen Dit zijn variaties die in het net kunnen optreden door het wijzigen van de spanning en frequentie. Zo is het mogelijk om het gedrag op de uitgang te analyseren. Lijnregulatie Als de netspanning verandert, zal dit een aanpassing veroorzaken in de uitgangsspanning en stroom van de driver. Deze variaties moeten worden vastgelegd. Loadregulatie Als de belasting op de uitgang van de driver verandert, zal dit ook invloed Figuur 15. Uitschakeltijd. Stijgtijd De stijgtijd is gespecifieerd voor de uitgangsstroom als de tijd waarbinnen de stroom stijgt van 10% tot 95% van de uiteindelijk waarde, wanneer de leddriver statisch wordt belast. elektronica 11/12-2013 19
Figuur 16. Stijgtijd. Figuur 17. Daaltijd. Daaltijd De daaltijd is de tijd waarbinnen de uitgangsstroom daalt van 90% tot 5%, wanneer de led-driver statisch wordt belast. Veiligheidstesten Naast de karakteristieke testen zijn er ook enkele veiligheidstesten die moeten worden uitgevoerd om een veilige werking te kunnen garanderen. Kortsluittest: Testen van het beveiligingssysteem bij een kortsluiting op de uitgang; Overspanningsbescherming: Testen van het beveiligingssysteem bij een overspanning op de ingang; Overstroombeveiliging: Testen van het beveiligingssysteem bij een te grote stoom aan de uitgang; Oververmogenbeveiliging: Testen van het beveiligingssysteem bij een oververmogen op de uitgang. Er zijn ook complete testsysteemoplossingen, inclusief software, waarmee alle testen kunnen worden geautomatiseerd. Deze systemen zijn opgebouwd uit een AC-voeding, power analyser, led-load, DC-voeding, multimeter, oscilloscoop, overspanningsbeveiligingen kortsluitbeveiligingstester, eventueel uit te breiden met een datalijntester om eventuele interfaces van interactieve drivers te testen. Ook voor het uitvoeren van lichtmetingen bestaan testsystemen. Er zijn AC/ DC ledtestsystemen waarmee led s kunnen worden getest met en zonder AC-driver. Het zijn geïntegreerde systemen die AC, DC en optische eigenschappen kunnen testen in een platform. Met zo n systeem zijn dus zowel AC- (met driver) als DC-led s te testen en zijn uitgebreide lichtmetingen uit te voeren. Dit alles kan automatisch gebeuren via de beschikbare software. n TTMS Tel.: 0252-621080 www.ttms.nl Figuur 18. Compleet testsysteem. 20 elektronica 11/12-2013