Introduction

Ces dernières années, la technologie d’éclairage LED et le nombre d’applications qui l’utilisent ont connu un développement rapide, avec une pénétration croissante dans l’éclairage public, résidentiel et commercial. Cela s’explique par les nombreux avantages qu’offrent les LED au secteur de l’éclairage, notamment leur rendement élevé, leur durabilité, leur respect de l’environnement et une maintenance réduite grâce à leur longue durée de vie. Tous ces facteurs se traduisent par des économies d’énergie et de maintenance, mais ils reposent tous sur la longue durée de vie des produits LED. La durée de vie des LED est généralement exprimée par des termes tels que L70, L90 et LxxByy (Qu’est-ce que LxxByy ?). Par exemple, L70 > 100 000 heures signifie que la LED peut conserver au moins 70 % de son flux lumineux initial après 100 000 heures de fonctionnement. 100 000 heures équivalent à un lampadaire LED fonctionnant 12 heures par nuit, conservant ce rendement élevé (70 %) après 22 ans de fonctionnement. Par ailleurs, la durée de vie du driver LED est également un facteur important. Ce n’est que si le driver LED reste stable pendant cette période qu’il peut fournir un courant/tension d’entrée stable et continu à la LED. Quels paramètres peuvent donc être utilisés pour indiquer la durée de vie d’un driver LED ? La réponse est le MTBF (Temps moyen entre pannes). Cet article explique ses critères de calcul, ses facteurs d’influence et l’importance de ce paramètre. Entrons dans le détail et découvrons les valeurs MBTF des différents drivers LED.

Qu’est-ce que le temps moyen entre pannes (MTBF) ?

La durée de vie d’un driver LED (Comment choisir un driver LED ?) peut être exprimée par le MTBF. Le MTBF (Temps moyen entre pannes) est une mesure utilisée pour évaluer la fiabilité d’un produit, notamment d’un appareil électrique. Il se mesure en heures. Il reflète la qualité temporelle du produit et sa capacité à maintenir ses fonctionnalités dans un délai spécifié. Il peut désigner le temps de fonctionnement moyen entre deux pannes consécutives, également appelé « Mean Time To Failures ». Il peut également s’agir du temps moyen entre la mise en service et la première panne d’un nouveau produit dans des conditions de fonctionnement spécifiées. En règle générale, un produit présentant peu de pannes est plus fiable. À nombre de produits équivalent sur son cycle de vie, un produit avec un MTBF élevé connaîtra moins de pannes qu’un produit avec un MTBF plus faible. Pour les produits réparables, un MTBF élevé indique un temps moyen entre pannes plus long et une meilleure fiabilité. Pour les produits non réparables, bien que la réparation soit impossible après une panne, le MTBF peut être utilisé pour décrire la durée de vie moyenne du produit ou le temps moyen entre pannes. Le temps moyen entre pannes (MTBF) s’applique uniquement aux périodes de fonctionnement normal du produit et à un taux de défaillance constant, comme le montre la figure ci-dessous. On constate que la courbe du taux de défaillance implique le paramètre de Weibull (β). Lorsque β < 1, la distribution de Weibull décrit une défaillance prématurée des composants. Lorsque β = 10, une usure rapide se produit. En théorie, la courbe du taux de défaillance des équipements électroniques est un mélange de courbes de taux de défaillance avec différents paramètres de Weibull, appelée courbe de bain cubique.

Comment est calculé le temps moyen entre pannes (MTBF) ?

Les recherches sur la fiabilité et la durée de vie des drivers de LED présentent un intérêt pratique considérable. Il existe deux méthodes pour prédire la fiabilité et la durée de vie des drivers de LED : la première est la méthode d’estimation de la fiabilité des équipements électroniques basée sur la norme MIL-HDBK-217F, un manuel publié par l’armée américaine, d’où le préfixe standard MIL-HDBK ; la seconde est une méthode expérimentale de test de durée de vie accélérée. Initialement utilisée pour tester la fiabilité des équipements militaires, la première est désormais également employée par de nombreux fournisseurs de drivers de LED (tels qu’Osram, Philips et Inventronics) pour tester la fiabilité de leurs produits. La seconde simule la stabilité et la fiabilité des composants des drivers de LED dans différentes conditions de température (température de fonctionnement du driver), d’humidité, de tension et de cycles de commutation continus. En appliquant des contraintes élevées (température élevée, humidité élevée, tension élevée, etc.) pour accélérer le vieillissement du produit, la fiabilité peut être prédite plus rapidement, et le MTBF (temps moyen entre pannes) peut être obtenu par analyse de Weibull. Cet article se concentre sur la première méthode, car l’auteur a observé que la plupart des principaux fabricants de pilotes LED adoptent cette approche, tandis que la seconde est rarement mentionnée.

Philips a effectué des tests MTBF sur ses drivers LED de la série Xitanium, conformément à la norme MIL-HDBK-217F. Comme indiqué, pour un driver LED Xitanium de 150 W standard fonctionnant à une température de boîtier d’environ 50 °C, le taux de défaillance théorique est de 500 ppm/1 000 heures, ce qui signifie que le driver LED de la série Xitanium présente un taux de défaillance de 500 ppm sur 1 000 heures d’utilisation. Cela correspond à 500 défaillances par million d’unités en 1 000 heures. À partir de là, nous calculons le MTBF = Durée totale de fonctionnement / Nombre de défaillances = 1 000 × 1 000 000 / 500, soit environ 2 millions d’heures. Il est important de noter que ce paramètre n’indique pas qu’un driver LED tombera en panne après 2 000 000 d’heures d’utilisation, mais représente plutôt la probabilité de défaillance d’un nombre spécifique de drivers LED sur une période donnée. Par exemple, si notre projet prévoit d’utiliser 2 000 pilotes LED de la série Xitanium, avec une durée de vie du projet de 10 ans et un fonctionnement quotidien pendant 12 heures, nous pouvons estimer le nombre d’unités défectueuses après 10 ans, soit 10 × 365 × 12 × 2 000 / 2 000 000 = 43,8.

Pourquoi nous soucions-nous du MTBF du driver LED ?

Améliorer la sécurité

Un MTBF élevé pour un driver LED signifie qu’il subit moins de pannes tout au long de sa durée de vie, tout en fournissant le courant/la tension requis à la LED. Contrairement à la dépréciation du flux lumineux des LED (qu’est-ce que la décroissance lumineuse et un flux lumineux constant ?), qui se produit progressivement, les pannes des drivers LED sont souvent catastrophiques. Le luminaire peut scintiller ou s’éteindre complètement, ce qui l’empêche de fournir un éclairage public adéquat. Prenons l’exemple des alimentations Inventronics EUM DG et EBS BT2. La première a un MTBF de 473 000 heures, tandis que la seconde a un MTBF de 203 000 heures. D’après les résultats fournis, la première présente clairement un avantage significatif. Pour un projet impliquant 1 000 lampadaires, après cinq ans d’utilisation, le taux de panne estimé pour la première est de 4,6 %, tandis que pour la seconde atteint 10,8 %. Si l’on prend en compte d’autres facteurs tels que les surtensions, la seconde nécessiterait des réparations importantes après cinq ans. Si l’entretien n’est pas effectué rapidement, la fiabilité du système d’éclairage diminuera, le rendant incapable de fournir un éclairage continu et stable. Cela augmenterait inévitablement les risques pour la sécurité routière, voire la probabilité d’accidents de la circulation.

MF plus élevé avec MTBF plus élevé

Pour calculer le facteur de maintenance, nous devons appliquer le facteur de survie de la lampe (LSF). Il représente la probabilité que la source lumineuse et/ou le luminaire continuent de fonctionner à un instant T. Les sources lumineuses LED ont généralement un faible taux de défaillance et ne sont généralement pas prises en compte. La principale probabilité de défaillance du luminaire provient du driver LED. Pour plus de détails, veuillez consulter la section « Facteur de maintenance en éclairage ». Il est facile de comprendre que LSF = 1 – taux de défaillance (sur la durée du projet). Par exemple, dans un projet d’une durée de vie de 5 ans utilisant une alimentation Inventronics de la série EUM, dont le MTBF est de 750 000 heures, le taux de défaillance peut être compris comme étant de 0,667 % pour 5 000 heures. Prenons l’exemple d’un système d’éclairage fonctionnant 12 heures par jour. La probabilité de panne sur l’ensemble du cycle de vie du projet est calculée comme suit : 0,667 % × 12 × 365 × 5/5 000 = 2,92 %, soit un LSF = 100 % – 2,92 % = 97,08 %. À l’inverse, plus le MTBF est faible, plus le LSF est faible. L’article sur le facteur de maintenance indique que plus le LSF est élevé, plus le MF est élevé. Par conséquent, pendant le cycle de vie du projet, l’impact d’un éclairage insuffisant dû à une défaillance des drivers LED est minimisé et il est souvent possible d’obtenir l’effet lumineux souhaité avec un nombre réduit de luminaires. Ceci est très utile pour réduire l’investissement initial en luminaires. De même, si le remplacement des spots est utilisé pour la maintenance des luminaires, bien que le LSF soit de 1, il faudra néanmoins remplacer davantage de luminaires à faible MTBF, ce qui augmentera également les coûts de maintenance futurs.

Améliorer l’expérience utilisateur et l’influence de la marque

Comme nous l’avons mentionné, un MTBF élevé indique un faible taux de défaillance pour les drivers LED. Les utilisateurs accordent naturellement une plus grande confiance à ces produits et s’attendent à ce qu’ils restent fiables pendant des années sans pannes fréquentes. Grâce à la réduction des pannes, les clients n’ont généralement pas besoin de remplacer ou d’entretenir les drivers LED. Imaginez la différence d’expérience utilisateur entre devoir remplacer les ampoules plusieurs fois par an et ne devoir remplacer les luminaires qu’après quelques années. De même, les fabricants de drivers LED et de luminaires LED (ZGSM et ses produits) s’efforcent d’améliorer la qualité de leurs produits afin de garantir un MTBF élevé. Cela contribue grandement à renforcer la réputation du produit et, par conséquent, à attirer un nombre croissant de clients vers ces produits. À l’inverse, si votre driver LED présente un taux de défaillance de près de 20 % ou plus après plusieurs années d’utilisation, nous (consommateurs) pensons que les utilisateurs perdront confiance en votre produit.

Quel est l’effet sur le MTBF du driver LED ?

Qualité des composants

L’un des principaux défis de la fabrication de drivers LED est le choix des composants. Pour les fabricants de drivers LED, chaque composant doit être soigneusement sélectionné et soumis à des certifications de conception, des tests et des contrôles internes de fiabilité à long terme approfondis. Un processus rigoureux de sélection des fournisseurs et des partenariats durables avec eux garantissent l’utilisation de composants de la plus haute qualité dans les drivers LED. Par exemple, les condensateurs électrolytiques constituent un maillon faible de la durée de vie des drivers LED, car leur durée de vie est directement liée à la température. À haute température, les différents matériaux se dilatent à des vitesses variables, ce qui entraîne des contraintes internes de traction ou de compression. Par conséquent, le choix de condensateurs présentant de bonnes caractéristiques de température est très avantageux pour améliorer le MTBF (temps moyen entre pannes) des drivers LED. De plus, du point de vue de la conception, une analyse approfondie des contraintes des composants et la mise en œuvre de mesures de déclassement adéquates garantissent une fiabilité extrêmement élevée du driver LED. Par exemple, pour un driver LED d’une puissance de sortie maximale de 100 W, nous pouvons réserver 10 % (puissance réelle de 90 W) en utilisation pratique pour atteindre une durée de vie exceptionnelle.

Température ambiante

Les lampes LED sont clairement indiquées avec leur température de fonctionnement. En effet, des températures trop basses peuvent empêcher leur démarrage, tandis que des températures trop élevées peuvent entraîner une panne et un dysfonctionnement des LED. La principale cause de ces pannes est la température élevée, qui peut engendrer des problèmes au niveau des inductances, des optocoupleurs et des circuits imprimés. Ces pannes incluent la dégradation accélérée des matériaux isolants à haute température, augmentant le risque de courts-circuits ; la défaillance des optocoupleurs à haute température, entraînant une défaillance du circuit de rétroaction ; et les variations de contrainte sur les soudures des circuits imprimés causées par les températures élevées, entraînant des soudures de mauvaise qualité. Par conséquent, pour les lampes LED conçues pour fonctionner dans des environnements à haute température, le choix d’un driver LED résistant aux hautes températures est tout aussi important. Par exemple, les drivers LED à courant constant SS-100VB et SS-100VP de Sosen sont présentés comme étant plus adaptés à un fonctionnement à haute température. Les courbes de durée de vie suivantes montrent que la durée de vie du premier est considérablement réduite lorsque sa température de fonctionnement atteint environ 60 °C. Ce dernier, en revanche, convient aux environnements à température plus élevée, avec une température de fonctionnement maximale de 90 °C. La lampe haute baie HB13 de ZGSM (En savoir plus sur la série ZGSM HB13 highbay) utilise cette série de pilotes LED, adaptés aux usines de forgeage à haute température, aux usines de verre, aux fonderies et à d’autres applications.

Conception des produits et mécanismes de protection

La conception des luminaires LED est tout aussi importante pour prolonger la durée de vie du driver LED. Le driver LED et le module LED sont souvent intégrés dans un même boîtier, le premier fournissant en permanence tension et courant au second tout au long de son cycle de vie. Cependant, tous deux génèrent de la chaleur, et l’accumulation de chaleur peut inévitablement entraîner un dysfonctionnement du luminaire. Idéalement, les deux composants devraient être placés indépendamment afin de minimiser les interférences (voir la figure ci-dessous). De plus, une fois le luminaire conçu, il doit être testé pour simuler les conditions de fonctionnement réelles. Par exemple, le test ISTMT exige que le luminaire soit testé à 25 °C ou 50 °C pour la température du point Tc du driver LED et la température du point Ts des LED. Le point Tc détermine le temps moyen entre pannes (MTBF) et la dégradation du flux lumineux des LED. Le ZGSM exige généralement une valeur Tc inférieure de 5 à 10 °C à la température maximale spécifiée. Par exemple, la série EUM DG offre une température de garantie Tc de 80 °C, tandis que la série ZGSM exige une valeur Tc mesurée inférieure à 70 °C à 25 °C. De plus, si le driver LED dispose d’une fonction de déclassement haute température, celle-ci peut être utilisée pour réduire la puissance si nécessaire, prolongeant ainsi sa durée de vie. Si le driver dispose de fonctionnalités plus avancées (comme un CTN), celles-ci peuvent être activées. Par exemple, lorsqu’une lampe fonctionne anormalement, la fonction CTN (CTN et son application dans l’éclairage public) peut détecter la température du boîtier ou des LED. Lorsque la température dépasse la limite, le courant de sortie du driver LED est réduit afin de limiter les pertes de puissance et, in fine, de garantir que la température des composants internes du driver ne dépasse pas le seuil, améliorant ainsi la fiabilité et la durée de vie du driver.

Lumières LED ZGSM avec une longue valeur MTBF

Les valeurs du temps moyen entre pannes varient selon les drivers LED. Les produits LED de ZGSM peuvent être équipés de drivers LED de différentes marques et séries, telles qu’Inventronics, Philips, Osram, Meanwell, Done, etc. Le MTBF des différentes séries de drivers LED Inventronics varie considérablement. Par exemple, la série EUM DG présente un MTBF d’environ 300 000 à 600 000 heures, tandis que la série EUM MG (adaptée aux lampadaires avec détecteur de mouvement) affiche un MTBF encore plus élevé, pouvant atteindre 1 500 000 heures. La série haut de gamme de Philips peut atteindre 2 000 000 heures, tandis que la série XLG de Meanwell n’atteint que 1 000 000 heures (selon la norme Telcordia SR-332, et même moins si elle est testée selon la norme MIL-HDBK). Si votre projet présente des exigences MTBF spécifiques, contactez ZGSM pour plus d’informations. Vous trouverez ci-dessous les différentes séries de produits LED de ZGSM ; cliquez sur l’image pour plus de détails.

Résumé

Les drivers LED sont des composants clés des dispositifs d’éclairage LED. Ils alimentent et contrôlent les LED pour obtenir l’effet lumineux souhaité. Ils constituent également le maillon faible des systèmes d’éclairage LED, et leur durée de vie a un impact significatif sur la durée de vie de l’ensemble du système. Cet article explore de manière systématique le temps moyen entre pannes (MTBF) des drivers LED et son calcul. Pour un fonctionnement durable et sans panne de votre luminaire, choisir un luminaire avec un MTBF élevé est judicieux. L’utilisation de drivers LED avec un MTBF élevé dans le secteur de l’éclairage routier offre de nombreux avantages pratiques, notamment l’amélioration de la sécurité publique, la réduction des coûts de maintenance et le renforcement de la compétitivité des marques. Pour les fabricants de drivers LED, le choix de composants de haute qualité est crucial pour améliorer le MTBF. Il est tout aussi important pour les fabricants de LED d’optimiser la conception des luminaires afin de garantir un fonctionnement stable du driver LED dans la plage de température ambiante spécifiée. Le MTBF n’est pas seulement un paramètre technique ; il reflète la solidité globale du fabricant et est crucial pour la maîtrise des coûts (coût de l’éclairage public) et la gestion de la sécurité tout au long du cycle de vie du projet. Contactez ZGSM pour plus d’informations.

Questions fréquemment posées

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