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Electro Transformación Industrial, S.A.
José Ignacio Garreta – José Leandro
Detección y análisis de fallos en equipos,
módulos y luminarias de LED
Introducción
Ha pasado tiempo suficiente para tener conocimiento de
las diferentes causas del los fallos en los equipos, módulos
y luminarias de LED.
En esta ponencia daremos una breve explicación sobre los
diferentes tipos de averías con los que nos hemos
encontrado en instalaciones reales, con equipos de
diferentes marcas y fabricantes.
Detección y análisis de fallos en equipos,
módulos y luminarias de LED
Un poco de estadística
DISTRIBUCIÓN DE FALLOS DURANTE 39.000 HORAS DE FUNCIONAMIENTO EN UNA
INSTALACIÓN DE LUMINARIAS LED COMPUESTA POR 5.400 UDS.
FUENTE: APPALACHIAN LIGHTING SYSTEMS, INC.
Controladores.
1%
LEDs
7%
Envolvente.
17%
Solo una minoría de los fallos son
atribuibles a los LED.
Conexiones. 2%
Driver
Driver.
73%
La mayoría de los fallos se deben a los
Drivers.
Estos fallos suelen ser catastróficos.
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módulos y luminarias de LED
La curva bañera (Bathtub) de
distribución de fallos a lo largo de la vida
La mayor tasa de fallos en las horas iniciales suelen deberse a defectos de fabricación y errores durante la
puesta en marcha de la instalación.
A lo largo de toda la vida del producto, ocurren fallos aleatorios de diversa naturaleza.
Conforme nos acercamos al final de la expectativa de vida del producto, van incrementándose los fallos por
desgaste de materiales.
Detección y análisis de fallos en equipos,
módulos y luminarias de LED
Causas de fallos
Por orden de gravedad:
•
•
•
•
•
•
•
•
Depreciación de flujo lumínico del LED.
Envejecimiento de materiales.
Contaminación química.
Transferencia térmica deficitaria.
EOS (Electrical overstress). Hot plug (conexión en caliente).
Descargas electrostáticas (ESD).
Descargas atmosféricas
Sobretensiones de línea.
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módulos y luminarias de LED
Depreciación de flujo lumínico (vida útil del LED)
LM80, TM-21, L70, L80, L90…
Extrapolar según algoritmo
matemático TM-21
Ensayo LM-80 del LED (10.000h)
Realizado a una corriente y a dos o
mas temperaturas medidas en el
punto de soldadura (Tsp)
Φ (t): Flujo lumínico
en función del tiempo.
100%
110%
100%
90%
% Flujo Luminoso
% Flujo Luminoso
(Máximo 6 x Tiempo de ensayo)
90%
80%
70%
LM-80 85ºC 1A
LM-80 105ºC 1A
60%
5000
10000
Tiempo (horas)
Φ(Tsp 85ºC)
Φ(Tsp 95ºC)
Φ(Tsp 100ºC)
Φ(Tsp 105ºC)
70%
60%
50%
0
80%
15000
50%
1.000
10.000
100.000
1.000.000
10.000.000
Detección y análisis de fallos en equipos,
módulos y luminarias de LED
Depreciación de flujo lumínico (vida útil del LED)
LM80, TM-21, L70, L80, L90…
Un fabricante de luminarias debe conocer la
relación entre la Tsp del LED y la Tc o Tp del
módulo LED incorporado en la luminaria.
Tc = Tsp - ΔT
I = 1000mA
100%
Tc
% Flujo Luminoso
90%
80%
Φ(Tsp 85ºC)
Φ(Tsp 95ºC)
Φ(Tsp 100ºC)
Φ(Tsp 105ºC)
Tc 80ºC
Tc 90ºC
Tc 95ºC
Tc 100ºC
70%
60%
L70 (Tc=100ºC) proyectado > 1.000.000hrs
L70 (Tc=100ºC) según TM-21 > 60.000hrs
50%
1.000
10.000
100.000
Tiempo (horas)
1.000.000
10.000.000
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Envejecimiento de materiales.
El Policarbonato amarillea, las partes metálicas se oxidan, los cables y las
juntas se deterioran, aparece humedad, condensación, corrosión, etc.
La entrada de agua suele dar lugar a fallos catastróficos.
Con MBTS no se produce el arco eléctrico en presencia de humedad.
Las lámparas de descarga no podían funcionar con tensiones MBTS
(<60VDC), pero los LEDs sí.
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Envejecimiento de materiales.
Menos conocido es lo que ocurre en el interior de los propios LED.
Mas Azul
El fósforo se mueve y se degrada debido a la temperatura.
La silicona de la óptica primaria se degrada aumentando su índice de refracción.
La base de plata sobre el que se monta el chip, se oxida y pierde capacidad de reflexión.
Todo ello da lugar a pérdida de eficiencia y a cambios de cromaticidad
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Contaminación química.
El Outgasing y los VOC
El outgasing de un material consiste en la emisión de VOCs (sustancias orgánicas volátiles)
u otras sustancias volátiles.
Las cúpulas de silicona de
los LED son permeables a
los gases.
Los sustancias volátiles
pueden penetrar entre
las cadenas de silicona
Algunos compuestos volátiles
oscurecen con la temperatura.
Por eso la parte de cúpula, en
contacto con el chip, oscurece.
Puede ser un fenómeno reversible: Según el tipo de VOC y la ventilación interna de la luminaria, la
sustancia contaminante puede volatilizarse tras horas o meses de funcionamiento.
En la fabricación de luminarias LED, todos los selladores, adhesivos, etc deben ser adecuados.
Por ejemplo, los elastómeros vulcanizados con sulfuro pueden desprender H2S que, en contacto con la
base de plata sobre la que se monta el LED, produce Sulfito de plata y la oscurece.
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Contaminación química.
Prueba del chupito.
Detección y análisis de fallos en equipos,
módulos y luminarias de LED
Contaminación química.
Prueba del chupito.
Se rodea el LED y se sella el vaso de chupito con la sustancia a ensayar.
Si se emanan sustancias volátiles, estas quedarán dentro del chupito y el LED quedará inmerso en esa
atmósfera.
Tras un mes de funcionamiento se comprueba si la sustancia ha afectado al LED.
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Transferencia térmica deficitaria.
En función de lo crítica que sea la transferencia térmica en el diseño, su deficiencia
puede dar lugar a una degradación prematura del LED o a un fallo catastrófico.
LED multichip (COB)
LED individual
Calor distribuido
4,5W max.
2W utilización.
El uso de circuito de aluminio
(MCPCB) (19,2 W/m.K)
garantiza una buena
transferencia de calor hacia el
disipador.
15W max.
8,4W utilización.
Calor concentrado
73W max.
50W utilización.
Transferencia térmica del LED
mediante soldadura metálica
(65 W/m.K).
Transferencia térmica del LED
mediante contacto y TIM
(6 W/m.K).
Existen factores críticos:
- Mantenimiento de propiedades
del TIM
-Planicidad y baja rugosidad de
la superficie de montaje.
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Transferencia térmica deficitaria.
Problemas de transferencia
térmica en LEDS individuales.
Problemas de transferencia
térmica en LEDs multichip (COB).
Voids en soldaduras
Falta de planicidad o exceso de rugosidad
(>10µm) del disipador o luminaria.
Uso de TIM inadecuado:
Dilataciones y contracciones.
Ninguno es crítico en LEDs pequeños
Pérdida de propiedades del TIM.
(Solidificación, desplazamiento, etc.)
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EOS (Exceso de estrés eléctrico). Hot plug.
El Hot plug (conexionado en caliente) consiste en conectar un Driver de tipo
corriente constante ya alimentado, a un módulo de LEDs.
Evolución de la Corriente de LED (A)
En condiciones normales, al alimentar el driver, la
corriente del LED aumenta hasta alcanzar el valor
establecido en el ajuste del driver.
Evolución de la Corriente de LED (A)
Al hacer un Hot Plug, la energía acumulada en el
condensador interno del driver se descarga
bruscamente a través de los LEDs hasta que la tensión
de salida del Driver iguala a la de los LEDs.
Esta sobrecorriente puede producir daños en los LED.
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EOS (Exceso de estrés eléctrico). Hot plug.
El Hot plug y los EOS pueden ocurrir durante el proceso de fabricación o prueba de
los módulos y luminarias LED. Pero los efectos se manifiestan meses después…
Chip “dañado” Apagado y Encendido (azul)
Aparece una mancha que dará lugar a una
zona de sombra, sin emisión de luz
Se requieren dispositivos y procedimientos
específicos para la comprobación de módulos LED.
Durante el montaje
o la reposición de
módulos LED hay
que hacer caso a
las advertencias
Chip con daño catastrófico
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Descargas atmosféricas
Se trata de transitorios de alta tensión y corta duración.
Muchos componentes electrónicos se rompen si se supera su tensión máxima.
Los
protectores
contra
descargas (SPD) incorporan
varistores y descargadores
en gas (GDT) que actúan
disipando y derivando a
tierra las sobretensiones.
Sin conexión a tierra, no se
consigue una protección
completa (en modo común y
diferencial)
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módulos y luminarias de LED
Descargas atmosféricas
Uso de Protectores (SPD) ineficaces
700V
275V
La tensión de bloqueo de los varistores no es
constante. Va aumentando con la corriente
(energía ) que disipa.
Un varistor de 275V puede llegar a permitir
tensiones de 700V o más .
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Descargas electrostáticas (ESD).
Las luminarias aisladas de la tierra pueden acumular carga electrostática por la acción del viento.
Cuando la tensión acumulada supera la tensión de aislamiento se produce el salto del arco eléctrico de
la electricidad que busca un camino hacia tierra.
TVS incorporado en LED
Son transitorios de alta tensión y corta duración.
Daños catastróficos por ESD
Las ESD producen daños en el TVS o en el propio chip del LED. Los LED afectados suelen quedar
cortocircuitados (apagados).
Aunque los equipos incorporados sean Clase II (no necesitan tierra de seguridad) es recomendable
que las luminarias de LED tengan su envolvente conectada a tierra.
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Sobretensiones de línea
Los drivers de LED admiten un rango de tensiones de alimentación muy amplio
(90-310Vac) pero si se excede su tensión máxima se averían casi instantáneamente.
Los protectores contra sobretensiones transitorias (SPD) no protegen contra
sobretensiones de línea.
Los módulos LED suelen sobrevivir a las sobretensiones de línea.
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Estadísticas ETI:
Controladores.
1%
Averías en
Módulos LED
0,37%
LEDs
7%
Envolvente.
17%
Conexiones. 2%
Driver
Driver.
73%
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