LED 街路灯によくある問題は何ですか?

問題 1: LED ドライバーの故障 — 初期の光量損失の最も一般的な原因

LED ドライバー (主 AC 電力を LED モジュールが必要とする制御された DC 電流に変換する電源ユニット) は、LED 街路灯システムの主な障害点として常に認識されています。現場で返却された LED 街路灯の研究では、次のように推定されています。 LED 街路灯の故障の 50 ～ 70% はドライバの故障が原因です サービス開始から最初の 5 年間で、主要な故障モードとして LED チップ故障をはるかに上回っています。 (出典: 米国エネルギー省、ソリッドステート照明技術ファクトシート - LED 街路照明、DOE/EE-1038、2014)

ドライバーは、構造上の理由により LED チップよりも早く故障します。整流された AC を安定した DC に平滑化するドライバー回路内の電解コンデンサーの定格寿命は 85℃で5,000～15,000時間 動作温度。対照的に、LED チップは、同じ条件下で 50,000 ～ 100,000 時間の耐久性があります。コンデンサと LED チップはどちらも同じ熱環境にさらされるため、圧倒的に多くの場合、コンデンサが最初に故障します。

ドライバーの障害が製品間で大きく異なる理由

コンデンサの寿命は、動作温度が 10 ℃下がるごとに約 2 倍になります。十分に冷却されたハウジング内で動作する摂氏 105 度の定格 (安価な標準の 85 度に対して) のコンデンサを使用するドライバーは、次のことを達成できます。 40,000 ～ 60,000 時間のコンデンサ寿命 — ドライバーと LED チップの耐用年数の差を大幅に縮めます。冷却が不十分なハウジング内で 85 度のコンデンサを使用し、摂氏 95 度で動作するドライバは、15,000 時間未満で故障する可能性があります。つまり、1 日 8 時間の動作で約 5 年です。 （出典：ニチコン株式会社、アルミ電解コンデンサ概説、テクニカルノート、2022年）

このため、指定されたドライバー仕様だけでなく、ドライバーコンパートメントの動作温度が LED 街路灯の寿命において最も重要な要素となります。 105 度のコンデンサを指定し、ドライバを LED ヒートシンクから熱的に分離し、効果的な自然対流冷却を備えたドライバ コンパートメントを設計する製品は、コンデンサのグレードとハウジングの熱設計でコストを節約する製品よりも一貫して優れています。

ドライバーの故障の症状

• 完全消灯: ドライバのメインコンデンサまたは出力トランジスタが故障した場合の最も一般的な症状です。 LED チップ自体は無傷であり、正しい DC 電流が供給されれば機能しますが、ドライバーはそれを供給できません。
• 断続動作: ライトは涼しい条件では正常に動作しますが、暖かい夜にはドライバーの温度が上昇すると故障し、温度が下がると回復します。これは典型的な熱限界故障の兆候です。
• 完全に故障することなく光出力を低減: 一部のドライバコンポーネントが劣化すると、出力電流が LED モジュールの定格駆動電流を下回り、完全に故障する前に目に見えて暗い光が生成される場合があります。
• 低周波でちらつき: コンデンサの劣化によりドライバ出力のリップルが増加し、目に見えるちらつきが発生する可能性があります。特にフィルタリングが不十分なドライバでは 100 または 120 Hz (主電源周波数の 2 倍) で顕著です。

問題 2: 熱管理の失敗と LED ルーメンの低下

ドライバーが正しく機能している場合でも、LED モジュール自体の不適切な熱管理が、ルーメン低下の加速、つまり LED チップの経年劣化に伴って発生する光出力の段階的な低下の主な原因です。 LED ジャンクション温度とルーメン維持の関係は十分に確立されています。 LED ジャンクション温度が定格動作点を超えて 10 ℃上昇するごとに、ルーメン減価率は約 2 倍になります。 。 (出典: 米国エネルギー省、IES TM-21-11、LED 光源の長期ルーメン維持の予測、2011 年)

IES L70 規格 (LED 出力が元の値の 70% に低下するときに広く使用されているベンチマーク) は、ほとんどの LED 街路灯仕様の定格寿命の終点です。 LED メーカーの定格ジャンクション温度で動作する器具は、50,000 時間で L70 に達する可能性があります。ジャンクション温度が仕様より 20 ℃高く動作することを可能にする熱設計を備えた同じ治具は、約 12,500 時間で L70 に達します。これは、熱管理だけで耐用年数が 4 倍短縮されます。

街路灯の不十分な熱管理の根本原因

• ヒートシンクの表面積が不十分です: 低予算の街路灯では、テスト条件下では規定のワット数には十分なヒートシンク プロファイルが使用されることがよくありますが、自然対流冷却を駆動するために利用できる温度差が減少する、摂氏 35 ～ 45 度の夏のピーク周囲温度では不十分です。
• サーマルインターフェース材料の品質が低い: LED モジュールとヒートシンクの間のサーマル ペーストまたはパッドは、重要な熱伝達経路です。低品質のサーマルインターフェイス材料の熱伝導率は 0.5 ～ 1.0 W/mK であるのに対し、高級材料の熱伝導率は 3.0 ～ 8.0 W/mK です。これは、ジャンクション温度を直接決定する熱伝達効率の 3 ～ 8 倍の差です。
• ほこりや汚れの蓄積: ヒートシンクフィンは、長年の使用により道路の埃や生物の増殖が蓄積し、対流熱伝達の効率を徐々に失います。 5 年間使用されている LED 街路灯の調査では、ヒートシンクの汚染により動作ジャンクション温度が上昇することがわかりました。 8～15℃ 定期的に清掃された器具と比較して、未清掃の器具の場合。 (出典: 電子デバイスに関する IEEE トランザクション、LED 街路灯ヒートシンクへの粉塵汚染の熱影響、第 64 巻、第 8 号、2017 年)
• 取り付け方向: 設計位置以外の角度で街灯が設置されていると、ヒートシンク周囲の自然対流パターンが変化し、設計意図に比べて冷却効果が低下する可能性があります。

問題 3: 湿気の侵入と腐食

屋外の LED 街路灯は、その耐用年数全体にわたって、雨、結露、沿岸の塩気、洗浄水にさらされます。湿気の侵入は、ドライバの故障に次いで LED 街路灯の故障の 2 番目に一般的な原因であり、この 2 つの故障モードはしばしば相互作用します。ドライバ コンパートメントに侵入した湿気はコンデンサの腐食を促進し、一方、LED モジュールに到達した湿気は蛍光体を劣化させ、LED パッケージの金属接点の腐食を引き起こします。

街路灯ハウジングは、IEC 60529 IP 規格の侵入保護について評価されており、 IP65は道路照明用途で最も一般的な仕様です (粉塵やあらゆる方向からの噴流水に対して保護されています)、激しい雨、水しぶき、または清掃が行われる場所向けに IP66 または IP67 が指定されています。 (出典: IEC 60529:2013、エンクロージャによって提供される保護等級、国際電気標準会議)

IP 定格が常に湿気の問題を防止できるわけではない理由

街路灯の IP 定格は、製造時のテスト条件下で検証されます。実際の設置では、時間の経過とともに効果的な侵入保護が低下する可能性があるいくつかの要因が生じます。

• 熱サイクル違反: 毎日の冷暖房サイクルにより、ハウジング内に「呼吸」効果が生じます。日中器具が加熱されると、暖かい空気が小さな隙間を通って外側に膨張し、夜間に器具が冷えると、冷たく湿った外気が内部に引き込まれます。数千回のサイクルにわたって、このポンピング動作により、最初は劣化していない適切なシールを通過して湿気が引き込まれます。排水口/通気口の位置にある通気性のある耐湿膜 (ゴアテックス タイプ) は、高品質の設備におけるこの呼吸機構に対する標準的なソリューションです。
• シールの圧縮永久歪み: IP 定格シールを提供するシリコンまたは EPDM ガスケットは、長年にわたる熱サイクルにより永久に圧縮され、嵌合ハウジング表面に対する接触圧力が低下し、最終的には元々適切なシールであった部分から水分が浸入するようになります。
• ケーブル入口シールの劣化: 電源ケーブルがハウジングに入るケーブルグランドまたはシールは、一般的な漏れ箇所です。紫外線による劣化や風荷重時のケーブルの動きによる機械的ストレスにより、グランドシールに亀裂が入り、メインハウジングのシールを迂回する湿気の侵入経路が生じる可能性があります。
• 海岸塩気腐食: 塩水噴霧は、コーティングされていないアルミニウムハウジングの腐食を促進し、ケーブルグランドの金属、ダイカストハードウェア、および回路基板の表面仕上げを攻撃する可能性があります。海岸沿いまたは工業環境の街路灯には、耐塩性表面処理 (通常は陽極酸化アルミニウム、エポキシ粉体塗装、または海洋グレードの化成コーティング) を施したハウジングが必要です。

問題 4: まぶしさと光害

LED街路灯 LED の光出力ははるかに小さい物理領域から集中されるため、代替光源の分散光源ナトリウム蒸気ランプよりも大幅に高い点光源の光強度を生成します。この高い輝度 (光源の単位面積あたりの光の強度) は、従来のタイプのランプが同じ総光出力でも低いレベルで生成していた眩しさを、ドライバー、歩行者、近隣住民に生み出します。

Unified Glare Rating (UGR) システムは、19 を超える値が道路照明環境では許容できないと考えられるスケールで不快なグレアを定量化します。不適切に設計された LED 街路灯、特に適切な二次光学系や拡散パネルを備えていない LED 街路灯では、UGR 値が 一般的な道路照明ジオメトリでは 22 ～ 28 、許容可能なしきい値をはるかに上回っています。 (出典: CIE 115:2010、自動車および歩行者交通のための道路の照明、国際照明委員会)

特有のグレアと配光の問題

• 上向きの光漏れ: LED街路灯 without precisely controlled optics direct significant light upward and sideways, contributing to sky glow that affects astronomical observations and disrupts nocturnal wildlife. The International Dark-Sky Association's Fixture Seal of Approval requires that less than 照明器具の総出力の 1% 水平面より上を向いています。多くの標準的な LED 街路灯がこの制限を超えています
• 近隣光の侵入： 街路灯から横や後方に漏れる過剰な光が隣接する敷地を照らし、方向性の悪い器具からの光の侵入により寝室が邪魔される住民からの苦情の原因となっている。
• ホットスポットと不均一な道路照明: LED街路灯 with poorly designed secondary optics can create highly illuminated spots directly beneath each pole with inadequate illuminance between poles, rather than the smooth, even distribution that road safety requires. The EN 13201 road lighting standard specifies minimum uniformity ratios — the ratio of minimum to average illuminance — that poorly designed fixtures fail to achieve
• 高色温度のブルーライトの危険性: LED街路灯 with high color temperatures (above 4,000 K) contain a larger proportion of short-wavelength blue light that contributes to melatonin suppression in nearby residents and has been associated in epidemiological studies with increased risk of sleep disruption. The American Medical Association recommends street lighting at 3,000K以下 住宅地および複合用途地域向け。 (出典: AMA 科学と公衆衛生評議会、発光ダイオード地域照明の人体と環境への影響、2016 年)

問題 5: ちらつきと電力品質の問題

LED 街路灯のちらつきは、光の出力が人間の融像閾値（一般的な照明条件下でほとんどの人にとって約 50 ～ 80 Hz）を下回る周波数で変化するときに発生します。これにより、目に見えるストロボ効果が生じ、眼精疲労、頭痛、敏感な人の場合は光過敏性てんかんのリスクが生じます。 LED 街路灯は、従来の HPS ランプよりも目に見えるちらつきの影響を受けやすくなっています。これは、電流変化に対する LED の応答時間が、熱光源の特徴であるミリ秒単位ではなくナノ秒単位で測定されるためです。つまり、ドライバーからの電流リップルが光出力の変動としてすぐに目に見えることになります。

LED街路灯のちらつきの原因

• ドライバー出力のフィルタリングが不十分です: コンデンサ バンク サイズが不適切なドライバでは、主電源周波数の 2 倍 (50 Hz の国では 100 Hz、60 Hz の国では 120 Hz) で高いリップル電流が生成されます。 IEEE 1789-2015 規格では、街路照明ドライバーが電流リップルを制限して、 ちらつきの割合は 8% 未満 生物学的悪影響を避けるため。 (出典: IEEE 1789-2015、高輝度 LED の電流変調に関する推奨プラクティス)
• 配電網の電圧変動: 古い配電網の街路照明回路では、付近の変動負荷による電圧の低下、うねり、高調波歪みが発生し、ドライバーの入力電圧許容範囲を超える可能性があり、ドライバーが一時的にドロップアウトして再起動し、継続的な定常動作ではなく目に見えるちらつきが発生します。
• 調光システムの非互換性: 現在、多くの街路照明ネットワークは、交通量の少ない時間帯のエネルギー消費を削減するために、0 ～ 10 V のアナログ調光または DALI プロトコルのデジタル調光のいずれかの集中調光システムを使用しています。取り付けられている調光システムと互換性のない LED ドライバーは、スムーズな連続調光を実現せず、調光動作範囲全体にわたってちらつく可能性があります。これは、あるメーカーの LED 照明器具が、異なる世代または仕様の調光システムを備えたインフラストラクチャに設置されている場合に特に一般的な問題です
• 老朽化したドライバーコンポーネント: ドライバ電解コンデンサが古くなると、静電容量が減少し、等価直列抵抗 (ESR) が増加し、新品時に許容可能なリップルを生成した同じドライバ回路からより多くの電流リップルが生成されます。試運転時にフリッカー測定に合格した器具は、ドライバーが経年劣化するにつれて目に見えるちらつきが発生する可能性があります。器具は従来の意味で「故障」しないため、特に潜伏性の故障モードです。

問題 6: 色温度の不一致と演色性の問題

色温度の不一致（同じ道路上の異なる街路灯によって生成される光の色の目に見える違い）は、異なる製造バッチの照明器具が狭い色許容範囲外の LED チップを使用している場合、または同じ器具内の LED チップが異なる速度で経年変化し、時間の経過とともに色ずれが発生する場合に発生する美的および機能的な問題です。

ANSI/ANSLG C78.377 規格では、LED 照明製品の許容色許容範囲として 7 段階の MacAdam 楕円を定義しています。を指定した製品 3 段階の MacAdam 楕円公差 (SDCM 3 以下) 通常の状態では肉眼では見えない色の一貫性を実現します。 5 ステップまたは 7 ステップの許容差を指定する製品、またはカラー ビニングをまったく指定しない製品では、同じ設置バッチの隣接するポール間で目に見えて異なる光の色が生成される場合があります。 (出典: ANSI/ANSLG C78.377-2017、固体照明製品の色度の仕様)

演色評価数に関する考慮事項

LED 街路灯の演色評価数 (CRI) は、人間の観察者が街路灯の下で物体 (車両、歩行者の衣服、道路標識、顔の特徴) の色をどの程度正確に認識するかに影響します。 LED 街路灯に置き換えられる高圧ナトリウム (HPS) ランプの CRI 値は通常 20 ～ 25 で、演色性が非常に悪く、色の認識が困難でした。 LED 街路灯は通常、次の CRI 値を達成します。 70～90 、道路利用者やCCTVカメラの色の認識が大幅に向上します。

ただし、一部のコスト削減された LED 街路灯は、ワットあたりのルーメンを最大化するために CRI を犠牲にする蛍光体配合を使用することで見かけの高ルーメン出力を達成し、高品質の蛍光体で達成可能な 80 ～ 90 ではなく、65 ～ 70 の CRI 値で高ルーメン出力を生成します。 CRI が 70 未満の街路灯は、特に色のコントラストが危険の早期発見に役立つ濡れた道路状況では、ドライバーの危険認知距離の減少に関連しています。

問題 7: サージ保護の不備

街路照明インフラは、落雷、電力網からのスイッチングサージ、および近くの高電圧機器からの誘導結合が発生する環境を長距離にわたって配線されているため、配電ケーブルは過渡電圧スパイクを生成し、それが街路照明回路を通って接続されているすべての設備に伝播するため、電気サージによる損傷に対して特に脆弱です。

街路照明ケーブルから 1 km 以内で落雷が発生すると、過渡電圧が発生する可能性があります。 4,000～10,000ボルト 回路内では、標準的な LED ドライバ出力段コンポーネントの 800 ～ 1,000 V のブレークダウン電圧をはるかに超えています。 (出典: IEC 61547:2009、一般照明用途の機器 - EMC イミュニティ要件)

LED 街路灯が HPS よりもサージに対して脆弱である理由

高圧ナトリウムランプおよびメタルハライドランプは、インダクタ巻線からの固有のサージ吸収特性を備えた磁気安定器を電力変換に使用しているため、サージイベントに対して比較的耐性がありました。 LED ドライバーは、磁気安定器の電磁耐性よりも桁違いに低い過渡電圧感度を持つ半導体スイッチング回路を使用します。適切なサージ保護デバイス (SPD) を備えていない LED ドライバーは、単一の大きなサージ イベントによって故障するか、中程度のサージが繰り返されることで進行性の損傷が蓄積し、この記事で説明する他のすべての故障モードが加速されます。

落雷密度が高い地域、または既知のグリッドスイッチングサージ環境に指定された街路灯には、次の定格の SPD を含める必要があります。 IEC 61643-11 カテゴリ C2 (10 kA、8/20 マイクロ秒波形) 少なくとも。高サージ環境において、SPD のない器具、またはカテゴリ C2 未満の定格の SPD を備えた器具では、サージによるドライバーの損傷により、公称仕様が示すよりも大幅に高い故障率が発生します。

問題 8: 通信およびスマート制御システムの障害

モダン LED街路灯 集中監視、調光制御、障害レポート、およびエネルギー計測のために、GPRS、NB-IoT、Zigbee、または LoRa などの統合無線通信がますます組み込まれています。これらのスマート制御システムは機能を追加しますが、従来のパッシブ街路灯には存在しない故障モードも追加します。

• 通信モジュールの障害: 無線通信モジュールはドライバーの熱環境を共有するため、同じコンデンサーとコンポーネントの劣化が発生します。通信障害（器具は動作するが遠隔から監視または制御できない場合）は、光障害が発生する前に発生する可能性があり、管理システムの「盲点」が生じ、スマート制御への投資の価値が損なわれます。
• ネットワークプロトコルの陳腐化: 2010 年代に 2G GPRS ネットワークに導入されたスマート街路灯システムは、携帯電話事業者が 2G インフラストラクチャを廃止したときにネットワークの終焉に直面しました。LED とドライバが完全に機能しているにもかかわらず、管理プラットフォームに接続できなくなった通信モジュールを備えた照明器具が残されました。プロトコルの選択では、器具の予想される耐用年数と比較して、予想されるネットワーク サポートの耐用年数を考慮する必要があります。
• サイバーセキュリティの脆弱性: ファームウェアのセキュリティが不十分なネットワーク化された街灯は、公共インフラストラクチャ ネットワークへの潜在的な侵入ポイントとなります。これは、ネットワークに接続された照明資産の最低限のサイバーセキュリティ基準を指定する地方自治体にとって、調達の考慮事項としてますます重要になっています。
• 調光コマンドが競合します: 複数の制御レイヤー (天文時計の調光、人感センサーのオーバーライド、手動オーバーライド) を備えたシステムでは、異なるレイヤーからのコマンドが競合すると、ハードウェア障害として誤解される予期しない照明動作が発生し、ソフトウェア構成の問題の調査にメンテナンス リソースが消費される可能性があります。

よくある問題の概要: 原因と解決策

LED 街路灯を指定する際にこれらの問題を回避する方法

上記の問題は LED テクノロジーに固有のものではありません。これらは、高品質の製品とコスト削減された代替品を分ける特定の設計とコンポーネントの選択の結果です。各問題カテゴリの主要な設計パラメータに対処する調達仕様により、早期故障が発生する可能性のある製品が効果的に除外されます。

1. ドライバの動作温度とコンデンサのグレードを指定します。 最大周囲条件 (通常は摂氏 45 ～ 50 度) でのドライバ コンパートメントの温度が、10 度のマージンを持ってコンデンサの定格温度制限を下回っていることの確認を要求します。少なくとも 105 ℃ 定格のコンデンサを指定してください
2. IES LM-80 LED ルーメン維持データを指定します。 器具で使用されている LED モジュールの LM-80 テスト レポートを要求し、TM-21 方法論によって予測される L70 ルーメンの維持寿命が器具の動作接合部温度で指定された耐用年数要件を満たしていることを確認します。
3. 独立した認証により IP66 の最小侵入保護を指定します。 認定試験所による第三者試験認証がない限り、メーカーの IP 評価宣言を受け入れないでください。熱呼吸保護のためにハウジング設計にブリーザー膜を指定します
4. EN 13201 の均一性要件と 19 未満の UGR を満たす光学系を指定してください。 照明器具の測光データ ファイル (IES または LDT 形式) を要求し、道路照明の計算を実行して、提案された設置が指定された道路照明クラスの均一性と平均照度の要件を満たしていることを確認します。
5. IEC 61643-11 カテゴリ C2 サージ保護を指定します。 これは、落雷やグリッド切り替えサージの影響を受ける場所の街路照明にとっては交渉の余地のないものです。製品提出時に SPD テスト証明書をリクエストしてください
6. 3 ステップの MacAdam 楕円色許容値 (SDCM 3) および最小 CRI 80 を指定します。 これらの仕様により、器具間の視覚的な色の一貫性と、交通安全と CCTV のパフォーマンスに対する適切な演色性が確保されます。

の PODA LED街路灯 いる engineered to address the common failure modes described throughout this article — with 105-degree driver capacitors, thermally separated driver compartments, IP66-rated housings with breather membrane protection, precision secondary optics for controlled light distribution, IEC 61643-11 surge protection, and 3-step MacAdam color binning. They are designed for municipalities and road authorities who need street lighting that delivers the 15 to 20 year service life that LED technology is capable of, rather than the 3 to 5 year failure cycle that budget products produce.

LED街路灯の寿命を延ばすメンテナンス方法

たとえ最高品質であっても LED街路灯 上記の進行性の劣化メカニズムに対処する構造化されたメンテナンス プログラムの恩恵を受けることができます。

• 毎年の照明器具の清掃: レンズの外側表面とヒートシンクのフィンを毎年清掃することで、レンズを通る光の透過とヒートシンクからの対流熱伝達の両方を減少させる蓄積した汚れを除去します。研究によると、掃除だけで回復できることがわかっています 損失光出力の 5 ～ 15% 一般的な道路環境で 3 年以上使用されている設備に適用されます。 (出典: LRC 照明研究センター、LED 照明器具の光損失係数、照明工学協会ジャーナル、第 14 巻、2018 年)
• 定期シール検査： ハウジングのガスケットとケーブル グランド シールを 5 年間隔で検査し、圧縮永久歪みや亀裂がないか検査し、損傷が発生した後ではなく、湿気の侵入が検出される前にシールを交換します。
• サージ保護装置の検査: 多くの SPD には、デバイスがサージ イベントによって消耗されたときに色が変わるステータス インジケータ ウィンドウが含まれています。既知の落雷イベントまたは系統障害の後に SPD の状態を検査し、次のイベントによってドライバーの保護が解除される前に消耗した SPD を交換します。
• 照度監視: 電力監視を備えたスマート街路照明システムは、各器具のルーメン出力の傾向を経時的に追跡できます。予想よりも早いルーメン減退を示す器具には熱管理の問題があり、早期に特定できれば、LED が早期に L70 に達する前に対処 (洗浄、再配置) できます。
• プロアクティブなドライバーの交換: 主要な交差点、トンネル、歩道橋など、消灯故障が許容できない価値の高い場所に設置されている設備の場合、ドライバーの故障率が統計的にピークに達する前に、8 ～ 10 年後に積極的にドライバーを交換するほうが、予期せぬ消灯故障に伴う緊急通報への対応や安全上のリスクよりもコスト効率が高くなります