Advances in LED Photometry and Ageing Procedures of LED Luminaires

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2021-10-22
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
62 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 135/2021
Abstract
LED-based lighting has grown rapidly since the incandescent lamp phase out by the European Union. The increase of LED lamps in the market and the termination of incandescent lamp manufacturing introduces challenges to the calibration procedures in optical metrology. In photometry, the field of optical metrology that studies the light as human eye perceives it, move to LED based calibration sources is advantageous in many ways as most of the luminaires used for illumination already are LED based. The emitted light of white LED lies only in the visible wavelengths, and thus, when utilizing LED sources, the need for V(λ)-filter, the weighting function of the sensitivity of the human eye, is not necessary in physical measurements as the spectral responsivity difference of the detector and the human eye sensitivity can be corrected numerically. This opens the possibility to replace one of the single largest uncertainty source in primary photometric measurements with that of another type of spectral measurement which is easier to address accurately. In this thesis, various advancements in LED photometry have been pursued. The first significant finding is related to photometric measurements with silicon based unfiltered detectors utilizing nitrogen flow through the entrance aperture. The nitrogen flow, utilized for restricting dust particles and moisture entering the unfiltered detector, was found to increase the measured photocurrent. It was found out that the nitrogen flow forms a gas lens varying in length at different flow rates that effectively increases the aperture size of the detector even though the refractive index difference between nitrogen and air is only 6.2 x 10-6. Two methods to overcome the erroneous measurement results were presented: (1) adding an additional cross-flow in front of the detector and (2) using synthetic air as the purging gas. More advances were obtained in the field of ageing LED lamps and luminaires. In a study of adaptive control effect on the LED street luminaire lifetime and lifecycle costs, it was discovered that traffic-aware control can decrease the luminaire lifetime. However, the energy savings of it exceed multiple times the effect of potential lifetime reduction. In a 9-year study of retrofitted LED lamps, it was shown that the lifetime estimates at different periods during the ageing, performed according to standard, give reasonable lifetime predictions suggesting that the manufacturers should reinforce the use of current standards. An organic LED panel ageing presented a novel method with spectrally resolved ultraviolet radiation in underfilled condition that gave information of natural and accelerated ageing simultaneously at different exposure wavelengths.

LEDeihin perustuvan valaistuksen käyttö on kasvanut nopeasti Euroopan Unionin säätämän hehkulamppujen vaiheittaisen poistamisen johdosta. LED-lamppujen määrän nousu markkinoilla sekä hehkulamppujen valmistuksen loppuminen tuo haasteita optisen metrologian kalibrointitoimintaan. Fotometriassa, joka on optisen metrologian ala ihmissilmän valonhavainnoinnin mittaamisesta, siirtyminen LED-pohjaisiin kalibrointivalonlähteisiin tuo etuja, sillä suurin osa valaisimista käyttää jo LEDejä. Valkoiset LEDit säteilevät vain näkyvän valon aallonpituuksilla, ja siten ihmissilmän herkkyyskertoimen mukaisen V(λ)-suotimen käyttö ei ole välttämätöntä fyysisissä mittauksissa LED valonlähteitä käytettäessä, koska detektorin ja silmän herkkyyseron voi korjata numeerisesti. Tämä mahdollistaa primaaristen fotometristen mittausten yhden suurimman epävarmuuskomponentin vaihtamisen spektrisen mittauksen epävarmuuteen, joka on helpommin määriteltävissä tarkasti. Tässä väitöskirjassa saavutettiin useita parannuksia LEDien fotometriassa. Ensimmäinen parannus liittyy fotometrisiin mittauksiin suodatimettomilla piipohjaisilla detektoreilla, joissa käytetään typpihuuhtelua apertuurin läpi. Typpivirtaus, jota käytetään estämään pölyhiukkasten ja kosteuden pääsy suodattamattomaan detektoriin, kasvattaa mitattavaa valosignaalia. Typpivirtaus muodostaa eri mittaisen kaasulinssin eri virtausnopeuksilla, mikä käytännöllisesti katsoen kasvattaa detektorin aukon pinta-alaa, vaikka typen ja ilman taitekerroinero on vain 6,2 x 10-6. Työssä esitellään kaksi menetelmää havaitun mittausvirheen poistamiseen: (1) lisätään erillinen ristivirtaus detektorin eteen ja (2) käytetään synteettistä ilmaa puhdistuskaasuna. Työssä tutkittiin myös eri LED lamppujen ja valaisimien ikääntymistä. Tutkimuksessa mukautuvan ohjauksen vaikutuksesta LED pohjaisten katuvalaisimien elinikään ja elinkaarikustannuksiin huomattiin, että liikenteeseen perustuva ohjaus voi pienentää valaisimien elinikää. Tutkimuksessa kuitenkin saatiin selville, että säästöt energiankulutuksessa olivat moninkertaiset mahdolliseen eliniän alenemaan verrattuna. Jälkiasennettavien LED lamppujen yli 9 vuotta kestäneessä ikääntymistestissä selvitettiin, että standardin mukaisesti lasketut elinikäarviot ovat kohtuullisia antaen ymmärtää, että lamppuvalmistajien pitäisi käyttää standardin mukaisia menetelmiä. Ikäännytystestissä orgaanisille LED paneeleille esiteltiin uusi, spektrisesti erotellulla ultraviolettisäteilyllä suoritettu ikäännyttämistapa, joka mahdollisti samanaikaisesti sekä luonnollisen että nopeutetun ikäännyttämisen tulosten saavuttamisen eri altistusaallonpituuksilla.
Description
Supervising professor
Ikonen, Erkki, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
Thesis advisor
Poikonen, Tuomas, Dr., VTT MIKES, Finland
Keywords
metrology, photometry, LED, ageing, metrologia, fotometria, ikäännytys
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Janne Askola, Kinza Maham, Petri Kärhä, and Erkki Ikonen. Increased detector response in optical overfilled measurements due to gas lens formation by nitrogen flow through the entrance aperture. Metrologia, 58, 5, 055008 (5 pages), August 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109299349
    DOI: 10.1088/1681-7575/ac0e7b View at publisher
  • [Publication 2]: Janne Askola, Petri Kärhä, Hans Baumgartner, Santeri Porrasmaa, and Erkki Ikonen. Effect of adaptive control on the LED street luminaire lifetime and on the lifecycle costs of a lighting installation. Lighting Research & Technology, pp. 1-15, May 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106167375
    DOI: 10.1177/14771535211008179 View at publisher
  • [Publication 3]: Janne Askola, Petri Kärhä, and Erkki Ikonen. Comparison of the detected lifetimes of LED lamps and their estimates at varied test periods. Submitted to IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, August 2021
  • [Publication 4]: Janne Askola, Yusuf Calkin, Anna Vaskuri, Tuomas Poikonen, and Erkki Ikonen. Accelerated ageing of organic LED panels using ultraviolet exposure. Lighting Research & Technology, 51, 8, pp. 1263-1274, December 2019.
    DOI: 10.1177/1477153518819654 View at publisher
Citation