Co je činitel stárnutí světelného zdroje (LLMF)?

Činitel stárnutí světelného zdroje vyjadřuje, jaká část původního světelného toku zůstane světelnému zdroji po určité době provozu. Používá se pro něj zkratka LLMF – Lamp Luminous Flux Maintenance Factor nebo Lamp Lumen Maintenance Factor a jde o bezrozměrnou veličinu.

Pokud má například LED modul na začátku světelný tok 3000 lm a po stanovené době provozu 2700 lm, odpovídá tomu LLMF 0,90. Jinými slovy: zdroj si zachoval 90 % svého počátečního světelného toku. LLMF je proto důležitou součástí návrhu udržované osvětlenosti a celkového maintenance factoru osvětlovací soustavy.

Co je činitel stárnutí světelného zdroje?

Mezinárodní komise pro osvětlování CIE definuje činitel stárnutí světelného zdroje jako poměr světelného toku světelného zdroje v určitém okamžiku jeho provozního života k počátečnímu světelnému toku.

Jde tedy o jednoduchý poměr:

LLMF = Φ(t) / Φ₀

kde:

• Φ(t) je světelný tok po určité době provozu,
• Φ₀ je počáteční světelný tok.

LLMF nemá jednotku. V technických výpočtech se zapisuje například jako:

• 1,00 – 100 % počátečního světelného toku,
• 0,95 – 95 %,
• 0,90 – 90 %,
• 0,80 – 80 %,
• 0,70 – 70 %.

Pro návrh osvětlení se běžně pracuje s hodnotami nejvýše 1, protože LLMF zde reprezentuje předpokládané zachování světelného toku vůči novému stavu.

Co znamená zkratka LLMF?

Zkratka LLMF pochází z anglického:

Lamp Luminous Flux Maintenance Factor

Setkat se můžeme také s tradičním označením:

Lamp Lumen Maintenance Factor

CIE používá také symbol:

f_LLM

Slovo lamp pochází z terminologie vytvořené ještě v době, kdy byly běžným zdrojem samostatně vyměnitelné žárovky, zářivky nebo výbojky.

Princip se dnes používá také pro moderní:

• LED čipy,
• LED moduly,
• LED světelné zdroje,
• a při odpovídajícím způsobu hodnocení také integrované LED systémy.

Jak se LLMF vypočítá?

Princip je velmi jednoduchý.

Pokud známe:

• počáteční světelný tok Φ₀,
• světelný tok Φ(t) po stanovené době provozu,

vydělíme pozdější hodnotu počáteční hodnotou.

Například:

počáteční tok = 4000 lm

tok po 40 000 h = 3600 lm

potom:

LLMF = 3600 / 4000 = 0,90

Zdroj si tedy po této době zachoval 90 % původního světelného toku.

Příklad LLMF 0,80 a 0,90

Představme si dvě LED řešení se stejným počátečním světelným tokem:

5000 lm

Po stanovené době provozu má první systém:

• LLMF = 0,90,
• výsledný tok ≈ 4500 lm.

Druhý má:

• LLMF = 0,80,
• výsledný tok ≈ 4000 lm.

Proč světelný tok během provozu klesá?

Světelný zdroj se během provozu postupně mění. U LED nejde většinou o klasické „vyhoření“, jaké známe ze žárovky.

Častější je postupná degradace světelného výkonu.

Na změně se mohou podílet například:

• stárnutí polovodičové struktury LED,
• degradace luminoforu,
• změny zapouzdřovacích materiálů,
• tepelné namáhání,
• pracovní proud,
• materiály čočky nebo pouzdra,
• a dlouhodobé provozní podmínky.

Výsledkem může být postupný pokles počtu lumenů, i když LED stále normálně svítí.

Jak stárnou LED?

U LED je právě postupný pokles světelného toku jedním z nejdůležitějších mechanismů stárnutí.

LED může po desítkách tisíc hodin:

• stále svítit,
• elektricky fungovat,
• ale vytvářet například pouze 90, 80 nebo 70 % původního světelného toku.

Právě proto se u LED životnost často popisuje pomocí parametrů L70, L80 nebo L90, které úzce souvisejí se zachováním světelného toku.

Vliv teploty

Jedním z nejdůležitějších faktorů dlouhodobé degradace LED je provozní teplota.

Vyšší tepelné zatížení může urychlovat změny:

• LED čipu,
• luminoforu,
• pouzdra,
• optických materiálů,
• a dalších částí světelného zdroje.

Proto není možné hodnotit životnost LED pouze podle názvu použitého čipu.

Velkou roli hraje také:

• chlazení modulu,
• teplota uvnitř svítidla,
• okolní teplota,
• a konstrukce celého svítidla.

Stejný LED modul může mít při rozdílných provozních teplotách rozdílný průběh zachování světelného toku.

Vliv pracovního proudu

Dalším významným faktorem je proud, kterým jsou LED provozovány.

Vyšší proud zpravidla umožňuje z jednoho LED modulu získat více světelného toku, zároveň ale zvyšuje elektrické a tepelné namáhání.

Proto může mít stejná LED provozovaná:

• na nižším proudu,
• při nižší teplotě

výhodnější dlouhodobé zachování světelného toku než stejná LED provozovaná blízko horní hranice svých možností.

Moderní projekce životnosti LED proto pracují současně s teplotou i pracovním proudem.

Jak LLMF souvisí s L70, L80 a L90?

U LED se často setkáme například se zápisy:

• L70,
• L80,
• L90.

Písmeno L vyjadřuje hranici zachovaného světelného toku.

• L70 → 70 % počátečního toku,
• L80 → 80 %,
• L90 → 90 %.

Na první pohled tedy vypadají hodnoty velmi podobně jako:

• LLMF 0,70,
• LLMF 0,80,
• LLMF 0,90.

A skutečně spolu úzce souvisejí. Při světelně-technickém návrhu lze informace o zachování světelného toku použít jako podklad pro stanovení LLMF v požadovaném okamžiku provozu.

Je ale potřeba znát přesný význam celé životnostní specifikace a dobu, ke které se vztahuje.

Například údaj L90 po 50 000 hodinách neříká, že LLMF je 0,90 kdykoliv během životnosti. Tuto hodnotu vztahujeme právě k definovanému provoznímu času a podmínkám.

Jak do toho vstupuje B10 nebo B50?

LED životnost se často uvádí celým zápisem například:

L70B50 > 72 000 h

Část B doplňuje informaci o rozptylu degradace v populaci světelných zdrojů.

Například L70B50 říká, že při dané době provozu odpovídá 70% hranice světelného toku definovanému 50% podílu populace.

Proto není správné interpretovat L70B50 jako:

• „po této době polovina LED zhasne“,
• ani jako „celá instalace bude mít přesně 70 % původních lumenů“.

LLMF a zápis L_xB_y tedy popisují související, ale ne úplně totožnou věc.

Pro přesný návrh je nejlepší použít výrobcem uvedenou křivku zachování světelného toku nebo přímo doporučenou hodnotu LLMF pro požadovaný provozní čas, pokud je dostupná.

Podrobněji zápisy L70B50 a B10 vysvětlujeme v hesle střední doba životnosti LED.

LLMF není totéž co LSF

Tohle je jedno z nejdůležitějších rozlišení.

LLMF řeší postupný pokles světelného toku fungujícího zdroje.

Vedle něj existuje:

LSF – Lamp Survival Factor

česky činitel funkční spolehlivosti světelného zdroje.

Ten udává podíl světelných zdrojů, které po určité době provozu stále fungují.

Pokud například LED stále svítí, ale její světelný tok klesl z 1000 na 800 lm:

• LLMF se změnil na 0,80,
• ale z hlediska LSF je tento konkrétní zdroj stále funkční.

LLMF není znečištění svítidla

Činitel stárnutí světelného zdroje řeší pouze samotný světelný zdroj.

Nezohledňuje například:

• prach na difuzoru,
• mastnotu na svítidle,
• znečištění reflektoru,
• ani zhoršení odrazivosti stěn místnosti.

Tyto vlivy se při návrhu zohledňují jinými dílčími činiteli.

Například LMF – Luminaire Maintenance Factor řeší pokles světelného výkonu související se znečištěním a změnami svítidla.

LLMF jako součást maintenance factoru

Činitel stárnutí je jednou ze složek celkového maintenance factoru MF, který jsme podrobně popsali v hesle udržovaná osvětlenost.

Pro vnitřní osvětlení se tradičně používá vztah:

MF = LLMF × LSF × LMF × RMF

kde:

• LLMF – pokles světelného toku zdroje,
• LSF – podíl funkčních zdrojů,
• LMF – vliv znečištění svítidel,
• RMF – vliv znečištění a změny odrazivosti povrchů místnosti.

Například pokud použijeme pouze ilustrativní hodnoty:

• LLMF = 0,90,
• LSF = 1,00,
• LMF = 0,90,
• RMF = 0,95,

výsledný maintenance factor je přibližně:

MF ≈ 0,77

To znamená, že na konci stanoveného údržbového období očekáváme přibližně 77 % počáteční osvětlenosti nové instalace za předpokladů použitých ve výpočtu.

Vliv na udržovanou osvětlenost

LLMF má přímý vliv na to, jak velký výkon musí mít nová osvětlovací soustava.

Pokud má být například po určité době stále dosaženo:

Ē_m = 500 lx

musí být nová instalace navržena na vyšší počáteční hodnotu.

Čím nižší LLMF předpokládáme, tím nižší bude celkový maintenance factor a tím větší počáteční světelná rezerva bude potřeba.

Co je měření LM-80?

U moderních LED se dlouhodobé zachování světelného toku neposuzuje pouze odhadem.

Jednou z důležitých metod je ANSI/IES LM-80.

LM-80 stanovuje postup, jak dlouhodobě měřit vlastnosti polovodičových světelných zdrojů, například:

• LED pouzder,
• LED polí,
• LED modulů.

Během dlouhodobého testu se sleduje mimo jiné zachování světelného toku v čase při definovaných provozních podmínkách.

Důležitá je především:

• teplota,
• proud,
• doba provozu,
• a pravidelně měřený světelný výkon.

LM-80 tedy poskytuje skutečná naměřená data o degradaci LED zdroje.

Co je projekce TM-21?

LED mohou mít deklarovanou životnost podstatně delší než doba, po kterou je praktické je skutečně laboratorně testovat.

Proto se používá metodika ANSI/IES TM-21, která umožňuje z naměřených dat LM-80 vytvořit projekci dlouhodobého zachování světelného toku.

Zjednodušený princip je:

LM-80 → skutečně naměřená data

↓

TM-21 → statistická projekce dalšího vývoje

Je důležité rozlišovat naměřenou a projektovanou část.

Pokud například výrobce uvádí dlouhodobou životnost desítky tisíc hodin, nemusí to znamenat, že LED byla po celou tuto dobu fyzicky testována.

Část hodnoty může být vypočtena podle standardizované projekční metody z kratšího dlouhodobého testu.

LED modul vs. celé svítidlo

LLMF LED modulu a dlouhodobé chování celého svítidla nejsou úplně totéž.

Celé svítidlo obsahuje například:

• LED modul,
• LED driver,
• difuzor,
• optické prvky,
• kabeláž,
• a konstrukci odvádějící teplo.

Samotné LED mohou mít velmi dobré zachování světelného toku, ale výslednou životnost systému mohou ovlivnit také jiné komponenty.

Stejně tak může během dlouhodobého provozu degradovat například optický materiál, což ovlivní světelný tok vycházející z kompletního svítidla, přestože samotné LED čipy degradovaly méně.

LLMF a Constant Light Output

Pokles světelného toku LED lze u některých profesionálních systémů částečně kompenzovat funkcí Constant Light Output – CLO.

Princip spočívá v tom, že driver na začátku neprovozuje LED na maximální plánovaný výkon.

S postupným stárnutím může výkon mírně zvyšovat, a kompenzovat tak pokles světelného toku LED.

Výsledný světelný tok svítidla pak může být po velkou část provozního období výrazně stabilnější.

CLO ale:

• nezastaví fyzické stárnutí LED,
• nezabrání znečištění svítidla,
• nezabrání poruše driveru,
• a neřeší změnu odrazivosti místnosti.

Proto ani systém s CLO nemá automaticky celkový maintenance factor 1,00.

Jakou hodnotu LLMF použít při návrhu?

Nejlepší je použít skutečná data výrobce světelného zdroje nebo svítidla pro plánovanou dobu provozu a odpovídající provozní podmínky.

LLMF by měl odpovídat například:

• plánované době používání soustavy,
• pracovnímu proudu LED,
• provozní teplotě,
• konstrukci konkrétního modulu,
• a případnému režimu údržby.

Pokud plánujeme osvětlení například na dobu:

50 000 h

potřebujeme znát nebo odhadnout zachování světelného toku právě v okolí 50 000 hodin – nikoliv pouze údaj výrobce pro jinou dobu.

Není správné používat automaticky univerzální LLMF 0,80 pro každé LED svítidlo.

Moderní LED se mohou v dlouhodobé stabilitě výrazně lišit podle konstrukce a provozních podmínek.

LLMF a svítidla lampax

U světelně-technických návrhů lampax pracujeme s maintenance factorem tak, aby vypočtená udržovaná osvětlenost odpovídala očekávanému stavu soustavy také po určité době provozu.

Činitel stárnutí světelného zdroje je přitom jednou ze složek tohoto výpočtu.

Současné řady například BLOKK 60×60 a TURNN 60 aktuálně uvádějí životnost:

> 72 000 h (L70B50)

Tento údaj říká něco o dlouhodobém zachování světelného toku použitých LED, ale neznamená, že při každém výpočtu osvětlení automaticky nastavíme LLMF = 0,70.

Pro návrh je důležité, k jakému okamžiku provozu maintenance factor stanovujeme.

Pokud například počítáme stav soustavy podstatně dříve než při 72 000 hodinách, očekávaný LLMF může být vyšší.

Naopak výsledný maintenance factor dále ovlivňují také:

• znečištění svítidel,
• prostředí místnosti,
• plán údržby,
• a způsob řešení případných poruch.

Výsledný návrh proto není založen pouze na otázce, kolik lumenů svítidlo vytvoří při prvním zapnutí, ale také jak se může jeho světelný výkon a celá osvětlovací soustava v čase měnit.

Pro konkrétní projekty můžeme tyto vlivy zohlednit v rámci světelně-technického výpočtu.