electro transformación industrial, s.a.³n-y-análisis-de... · diferentes tipos de averías con...

Electro Transformación Industrial, S.A.

José Ignacio Garreta – José Leandro

Introducción

Ha pasado tiempo suficiente para tener conocimiento delas diferentes causas del los fallos en los equipos, módulos

Detección y análisis de fallos en equipos, módulos y luminarias de LED

las diferentes causas del los fallos en los equipos, módulosy luminarias de LED.

En esta ponencia daremos una breve explicación sobre losdiferentes tipos de averías con los que nos hemosencontrado en instalaciones reales, con equipos dediferentes marcas y fabricantes.

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.

LEDs 7%

Solo una minoría de los fallos sonatribuibles a los LED.

La mayoría de los fallos se deben a losDrivers.Estos fallos suelen ser catastróficos.

Driver

Envolvente. 17%

Controladores. 1%

7%

Conexiones. 2%

Driver. 73%

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 lapuesta 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 pordesgaste de materiales.

Causas de fallos

Por orden de gravedad:

• Depreciación de flujo lumínico del LED. • Envejecimiento de materiales.


• Envejecimiento de materiales.• Contaminación química. • Transferencia térmica deficitaria.• EOS (Electrical overstress). Hot plug (conexión en caliente).• Descargas electrostáticas (ESD).• Descargas atmosféricas • Sobretensiones de línea.


Depreciación de flujo lumínico (vida útil del LED)

LM80, TM-21, L70, L80, L90…

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.

Extrapolar según algoritmo

matemático TM-21

(Máximo 6 x Tiempo de ensayo)

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

0 5000 10000 15000

% F

lujo

Lum

ino

so

Tiempo (horas)

LM-80 85ºC 1A

LM-80 105ºC 1A

en función del tiempo.

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

% F

lujo

Lu

min

oso

Φ(Tsp 85ºC)Φ(Tsp 95ºC)Φ(Tsp 100ºC)Φ(Tsp 105ºC)

Tc = Tsp - ΔTUn fabricante de luminarias debe conocer la relación entre la Tsp del LED y la Tc o Tp del módulo LED incorporado en la luminaria.

I = 1000mA


Depreciación de flujo lumínico (vida útil del LED)

LM80, TM-21, L70, L80, L90…

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

% F

lujo

Lu

min

oso

Φ(Tsp 85ºC)

Φ(Tsp 95ºC)

Φ(Tsp 100ºC)

Φ(Tsp 105ºC)

Tiempo (horas)

Tc 80ºCTc 90ºC

Tc 95ºC

Tc 100ºC

L70 (Tc=100ºC) proyectado > 1.000.000hrsL70 (Tc=100ºC) según TM-21 > 60.000hrs

I = 1000mA

Tc

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.

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


El Outgasing y los VOCEl outgasing de un material consiste en la emisión de VOCs (sustancias orgánicas volátiles)

u otras sustancias volátiles.

Contaminación química.

� 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.

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.

Las cúpulas de silicona de

los LED son permeables a

los gases.



Prueba del chupito.



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.


Transferencia térmica deficitaria.

LED

in

div

idu

al

4,5W max.2W utilización.

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.

Transferencia térmica del LED mediante soldadura metálica(65 W/m.K).

El uso de circuito de aluminio

Calor distribuido

LED

in

div

idu

alLE

D m

ult

ich

ip (

CO

B)

15W max.8,4W utilización.

73W max.50W utilización.

El uso de circuito de aluminio (MCPCB) (19,2 W/m.K) garantiza una buena transferencia de calor hacia el disipador.

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.

Calor concentrado


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:

Ninguno es crítico en LEDs pequeños

Dilataciones y contracciones.

Pérdida de propiedades del TIM. (Solidificación, desplazamiento, etc.)

Uso de TIM inadecuado:


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) 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.

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.


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)

Se requieren dispositivos y procedimientos específicos para la comprobación de módulos LED.

Aparece una mancha que dará lugar a una zona de sombra, sin emisión de luz

Durante el montaje o la reposición de módulos LED hay que hacer caso a las advertencias

Chip con daño catastrófico


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 contradescargas (SPD) incorporanvaristores y descargadoresen gas (GDT) que actúandisipando y derivando atierra las sobretensiones.Sin conexión a tierra, no seconsigue una proteccióncompleta (en modo común ydiferencial)


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 .


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. Son transitorios de alta tensión y corta duración. TVS incorporado en LED

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.

Daños catastróficos por ESD


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.

Estadísticas ETI:


Averías en Módulos LED

0,37%Envolvente.

Controladores. 1%

LEDs 7%

Driver

Envolvente. 17%

Conexiones. 2%

Driver. 73%

Electro Transformación Industrial, S.A.

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