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LM-80- und TM-21-Tests: Lebensdauer von LEDs auf dem Prüfstand

Trotz allmählichen Nachlassens des Lichtstromerhalts sind viele LED-Leuchten über die Zeitspanne hinaus funktionsfähig, die mit dem L70-Verfahren errechnet wird. Um den langfristigen Lichtstromerhalt von Leuchtdioden zu ermitteln, setzt Cree daher Extrapolationsmethoden ein, die in IES TM-21 definiert sind.

Cree-Grafk Lichtstromerhalt High-Power-LED Bildquelle: © Cree

Bild 1: Auf den Lichtstromerhalt einer High-Power-LED-Leuchten wirken sich unterschiedliche Faktoren aus, neben dem Silikon, aus dem die Linse gefertigt wird, auch das Chip-Herstellungsverfahren sowie die Art und Qualität der Phosphor-Mischung.

Zu den Besonderheiten eines LED-Beleuchtungssystems zählt, dass es im Gegensatz zu einer Glühlampe nicht unmittelbar ausfällt, wenn es seine maximale Lebensdauer überschritten hat. Vielmehr ist bei LED-Leuchten eine Degradation festzustellen, also eine kontinuierliche Abnahme der Lichtleistung. Zu den Faktoren, die den Lichtstromerhalt (die Lumen Maintenance) von LEDs beeinflussen, zählen insbesondere die Betriebstemperatur und der Betriebsstrom. Idealerweise wird eine Leuchtdiode über den gesamten Lebenszyklus hinweg konstant mit dem vom Hersteller spezifizierten Betriebsstrom angesteuert. Zudem sollte sich die Betriebstemperatur im vorgegebenen Korridor bewegen. Diese Bedingungen sind in der Praxis jedoch nicht in jedem Fall gegeben.

So kommt es nach mehreren Tausend Betriebsstunden bei hohen Temperaturen zu einem Abfall der Effizienz in den Quanten-Well-Strukturen des Halbleiters. Der langfristige Lichtstromerhalt wird zudem von weiteren Faktoren bestimmt. Dies sind unter anderem die Herstellungsverfahren und die verwendeten Materialien.

In der Praxis, so Erfahrungswerte von Cree, beeinflussen vor allem folgende Faktoren die Lumen Maintenance von Leuchtdioden:

  • der Herstellungsprozess,
  • das Silikon, das als Linse der LED-Lampe dient,
  • die Materialien, aus denen der LED-Chip besteht, sowie
  • die Art und Qualität des verwendeten Phosphors in Verbindung mit dem Verfahren, mit dem das Material aufgebracht wird.

Eine präzise Ermittlung der Lumen Maintenance wird durch weitere Punkte erschwert. So reagiert jede Komponente einer LED-Lampe unterschiedlich auf Betriebsbedingungen, also Betriebsstrom und Temperatur. Die Folge ist, dass sich bei jeder Komponente der Leistungsverlust in unterschiedlicher Form bemerkbar macht.

Dies wird am Beispiel des Silikonmaterials deutlich, das bei LED-Chips als Vergussmasse verwendet wird. Bei Hochleistungs-LEDs setzen die Hersteller Polyorganosiloxan (Siloxan) ein. Allerdings reagieren Siloxane je nach chemischer Zusammensetzung in unterschiedlicher Weise auf die Betriebstemperatur: Ist sie höher, nimmt die Transparenz des Materials ab. Das wiederum verringert den Lichtstrom der LED-Leuchte. Außerdem können die Photonen, die der LED-Chip abgibt, das Siloxan-Material beschädigen und die Lichtdurchlässigkeit weiter vermindern. Das heißt: Je höher der Betriebsstrom, desto mehr Licht gibt eine LED ab und desto schneller nimmt die Lichtleistung ab. Ein hoher Betriebsstrom erhöht zudem die Betriebstemperatur und verstärkt diesen unerwünschten Effekt.

Neben Beleuchtungssystemen mit High-Power-LEDs nutzen auch Leuchtdioden für den mittleren Leistungsbereich Verguss-Systeme aus Siloxan. Allerdings gibt es einen wesentlichen Unterschied: Bei High-Power-Leuchten kommen meist Keramiksubstrate zum Einsatz, bei Modellen im mittleren Leistungsbereich dagegen Polyphthalamid-Polymere (PPA). Diese reagieren noch empfindlicher als Silikon auf Wärme und Photonen und dunkeln schneller nach. Das wiederum ist problematisch, weil die Innenseite des Gehäuses einen Großteil des Lichts reflektiert, den LEDs in Kunststoffgehäusen abgeben. Dadurch beschleunigt sich der Verfärbungsvorgang und die Lichtleistung nimmt weiter ab.

LED-Leuchten im mittleren Leistungsbereich mit PPA eignen sich daher nur für Anwendungen, bei denen der Lichtstromerhalt eine weniger wichtige Rolle spielt. Entwickler, die LEDs für spezielle Anwendungen suchen, müssen daher folgende Faktoren berücksichtigen:

  • Wie die LED-Komponenten aufgebaut sind,
  • wie sie auf bestimmte Umgebungsbedingungen reagieren und
  • welche Lumen-Leistung langfristig erforderlich ist.