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Dauerhaftigkeit im LED-Leuchten-Design

Leben und leuchten lassen

22. November 2010, 11:44 Uhr | Willem Ongena

Hochleistungs-LEDs stellen auch neue Anforderungen an die Langlebigkeit der Stromversorgung von Leuchten. Und vor allem müssen Leuchtdioden, Stromversorgung, Kühlung und alle weiteren Systemkomponenten optimal aufeinander abgestimmt sein.

Es hat sich herumgesprochen: Weiß emittierende Hochleistungsleuchtdioden (HB-LEDs) leuchten extrem lang und verbrauchen weniger elektrische Leistung als andere Leuchtmittel. Von 50.000 Betriebsstunden und mehr als 100 lm/W ist immer wieder die Rede. Damit HB-LEDs allerdings diese Vorteile wirklich ausspielen können, muss auch deren elektromechanisches Umfeld stimmen.

Gerade hier steckt der Teufel oft im Detail: Eine schlechte Steckverbindung, ein maroder Schalter oder schlicht eine kalte Lötstelle können alle sonstigen Mühen für eine hohe Lebenserwartung völlig ad absurdum führen. Und auch wenn man alle Komponenten sorgfältig ausgewählt und geprüft hat, kann eine Kleinigkeit alles andere zur Makulatur machen. So muss auch das Linsenmaterial sehr dauerhaft sein. Trübt es unter Wärme-, Wasser- oder Lichteinfluss mit der Zeit ein, ist das Lebensende der Leuchte früher da als erhofft. Und es soll auch schon vorgekommen sein, dass Auftragsfertiger vergaßen, die zwingend vorgeschriebene Wärmeleitpaste zwischen Kühlkörper und LED vor dem Zusammenbau aufzutragen. Die Folge war ein schneller Hitzetod der Leuchtdioden. Auch sonst steckt der Teufel häufig im Detail. »Es kann sogar schon katastrophale Auswirkungen haben, wenn eine Schraube nicht richtig angezogen wurde, sich lockert oder gar vollends fehlt«, weiß Philips-Lumileds-Fachmann Rudi Hechfellner.

Auch von außen droht oft noch Ungemach, auch wenn man »eigentlich« alle Hausaufgaben ordentlich erledigt hat. Denn während wohl kaum eine Design-Maßnahme zum Beispiel Schutz gegen Unfälle oder gar Vandalismus bietet, gibt es auch ungeahnte Risiken, gegen die man sich noch einigermaßen wappnen kann. So unterschätzen auch viele Fachleute den Einfluss von Wasser, das in die Leuchte eindringt. »Wasser ist ein großer Feind und führt in vielen Fällen zu großen Problemen«, bringt es Hechfellner klar auf den Punkt.

Deutlich dürfte auf jeden Fall sein: Eine viel wichtigere Größe als die reine Brenndauer der LED ist in der Regel die Lebenserwartung des Systems, es sei denn man gestaltet das System so, dass ein Modulaustausch einfach und billig ist. In allen anderen Fällen darf die Lebensdauer keiner der weiteren Systemkomponenten hinter jener für die LED zurückfallen.

Eine Betrachtung muss bei den Designüberlegungen immer im Vordergrund stehen: LEDs sind Halbleiterbauelemente, die an niedrigen Gleichspannungen betrieben werden müssen und eindeutig nicht für den Einsatz in 230-Wechselspannungsnetzen konzipiert sind! Sie sind also mit üblichen elektrischen Bauteilen nicht vergleichbar. Um dennoch aus LEDs eine funktionierende Lampe zu konstruieren, muss sich ein Designer also neben der ästhetischen Gestaltung des Gehäuses und der Auswahl passender LEDs auch mit Themen wie Stromversorgung und Kühlung befassen. Erst das überlegte Zusammenspiel aller drei Komponenten entscheidet über Effizienz und Lebensdauer - und damit über die Nachhaltigkeit des gesamten Systems.

Und es gilt, mit eine zweiten Missverständnis aufzuräumen: Auch die effizienteste Weißlicht-LED produziert im Betrieb immer noch mehr Wärme als Licht! Erst ab etwa 200 lm/W würden sich beide Energieströme wenigstens die Waage halten, aber auch dann noch würde eine Hochleistungs-LED ohne wirksame Kühlung extrem heiß werden, was ihren raschen Hitzetod nach sich ziehen würde. Diese starke Erhitzung geht nicht zuletzt darauf zurück, dass auch eine HB-LED im Vergleich zu nahezu jeder Glüh- oder Gasentladungslampe sehr klein ist, so dass die Verlustwärme sich auf kleinsten Raum, konzentriert.

Die somit unabdingbare Kühlung - oder, modern ausgedrückt, das »Wärme-Management« - ist deshalb ein prominentes Dauerthema bei LED-Lampen. Zum einen möchte man sich ein schönes Design nicht durch klobige Kühlkörper verderben, zum anderen aber haben hohe Sperrschichttemperaturen von mehr als +100 °C negative Auswirkungen auf die Lebensdauer.

Ein Kühlkörper muss deshalb so dimensioniert sein, dass die Temperatur an der Oberfläche immer unter +75 °C bleibt. Da dies unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet sein muss - also auch im Dauerbetrieb bei tropischen Umgebungstemperaturen - muss der Kühlkörper für den Normalbetrieb völlig überdimensioniert werden oder man muss zu intelligenten Lösungen greifen.

Solche intelligenten Lösungen, die weniger Material und Energie verschwenden gibt es. Mann kann eine LED in der Nähe der heißen Sperrschicht mit einem Thermistor ausstatten, dessen Widerstand laufend die Sperrschichttemperatur abbildet. Ein Regelkreis greift das Signal ab und regelt über einen dimmbaren LED-Treiber den Strom so, dass dieser in einem für diesen Betriebszustand ungefährlichen, optimalen Bereich bleibt. Durch diesen Kunstgriff lässt sich die Lebensdauer einer LED-Lampe wesentlich steigern, der Strombedarf reduzieren. Außerdem kann eine Überdimensionierung des Kühlkörpers dann unterbleiben. Das Design gerät deshalb kleiner und kostengünstiger, beziehungsweise der Leuchtenentwickler hat mehr Freiheitsgrade. Leuchtenentwickler müssen sich aber auch mit diesem Thema kaum befassen, wenn sie eine fertige LED-Stromversorgung einsetzen, die mit dieser Intelligenz ausgerüstet ist.