Lebensdauer von LEDs in der Praxis – Der LEDvolution-Ansatz LED-Leuchten haben eine lange, aber nicht unendliche Lebensdauer!

April 2015

Jedes Beleuchtungsprodukt fällt irgendwann aus …

Konventionelle, leuchtmittelbasierende Beleuchtungssysteme (z.B. Glühfaden-, Leuchtstoff- und HID-Systeme), fallen im

Normalfall aus, wenn das Leuchtmittel „ausbrennt.“ Der Großteil der anderen Systembestandteile (z.B. Vorschaltgerät

oder Gehäuse) verfügen zumeist über längere Lebenszeiten als das Leuchtmittel.

leuchtmittelbasierende Beleuchtungssysteme = Leuchtmittel „brennt aus”

Im Gegensatz zu konventionellen Beleuchtungssystem sind LED-Systeme zumeist nicht leuchtmittelbasierend, sondern

ein Verbund aus verschiedenen integrierten Bestandteilen wie LED-Modul, Kühlköper, Netzteil, Gehäuseteile und

optischen Elementen. Unabhängig von der Art des Produktes, werden die Leistungsfähigkeit und Lebenszeit eines LED-

Systems typischerweise von den Wechselwirkungen zwischen den Systembestandteilen beeinflusst.

LED-System = Ausfall wenn ein Bestandteil defekt wird

Fazit: Die Festsetzung einer bemessenen Lebenszeit bei einem LED-System wird sowohl durch die Kosten als auch der

wenig praktikablen herkömmlichen Lebensdauerprüfung erschwert. Besonders auch deshalb, weil durch die permanente

Technologieweiterentwicklung Testergebnisse bereits veraltet sind, noch bevor der Test abgeschlossen ist. Somit kann

die typische Herangehensweise für die Festlegung der Lebensdauer für LED-Systeme nicht angewandt werden.

Lebensdauer von LEDs in der Praxis – Der LEDvolution-Ansatz

LEDvolution definiert die Lebensdauer von LED-Leuchten wie folgt:

Die von LEDvolution zugeteilte bemessene Lebenszeit ist eine statistische Schätzung wie lange das Produkt

voraussichtlich seine vorgesehenen Aufgaben unten der vorgegebenen Umwelt-, Elektro- und mechanischen

Bedingungen leisten wird.

Licht

EIN

Struk-

tur

L70

Ab-

strahl-

winkel

CCT

1Alle vorgesehen Aufgaben setzen voraus, dass die Leuchte innerhalb der im

Produktdatenblatt oder der Installationsanleitung angegebenen elektrischen

Werte, dem Einsatzbereich und den Umweltbedingungen betrieben wird..

Die während der gesamten Lebensdauer vorgesehen

Aufgaben von LEDvolution-Leuchten umfassen:1

1. Die LED-Leuchte produziert Licht.

2. Die LED-Leuchte liefert mindestens 70% des

ursprünglichen Lichtstroms (L70).

3. Die Farbtemperatur (CCT) der LED-Leuchte darf nicht

um mehr als +/- 10% des ursprünglichen Wertes

abweichen (Farbverschiebung).

4. Der Abstrahlwinkel und die Lichtverteilung dürfen nicht

mehr als +/- 10% von den ursprünglichen Werten

abweichen.

5. Die LED-Leuchte darf keine wesentlichen

Strukturveränderungen aufweisen.

Begriffe:

Die Bezeichnungen „Lebensdauer“ oder „Lebenszeit“ werden allgemein in Bezug

auf die Langlebigkeit von Beleuchtungsprodukten verwendet. Die korrekte

technische Bezeichnung lautet jedoch „Nutzungslebensdauer,“ welche auch auf

den Produktdatenblättern von LEDvolution Verwendung findet.

Die bemessene Lebensdauer eines LED-Systems wird unter anderem von Design, Materialien, Aus-

wahl der Bestandteile (LED-Chip, Netzteil etc.), dem Herstellungsprozess und den Umweltbedin-

gungen im Betrieb beeinflusst (Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit etc.). Wichtig: Die bemessene

Lebenszeit eines kompletten LED-Systems kann nie länger als die einer seiner Bestandteile sein.

Netzteil PCB Linsen

(sofern

verwendet)

Reflektoren

(sofern

verwendet)

Diffusor

(sofern

verwendet)

Wärmemanagement

Kühlkörper

Stom-

einspei-

sung

Licht-

ausgabe

LED-Leuchte Zuverlässigkeitsmanagement für die Bestimmung der bemessenen Lebenszeit

LED-Chip

1 2 2 3 5 4 6 7 3

LED-System / LED-Leuchte

5.000 bis 70.000 Stunden2

20.000 bis 75.000 Stunden2

> 50.000 Stunden2

> 100.000 Stunden2

Strommanagement: Diese Funktionseinheit enthält das Netzteil / den Treiber. Es stellt sicher,

dass die LED Light Engine korrekt mit Strom versorgt wird. Die Zuverlässigkeit des Netzteils oder

Treibers nimmt eine Schlüsselstellung bei der Schätzung der Lebenszeit einer LED-Leuchte ein.

Wärmemanagement: Diese Funktionseinheit stellt sicher, dass die von der LED Light Engine

und dem Netzteil erzeugte Wärme in geeigneter Weise abgeführt wird um die Lebensdauer des

LED-Pakets und der Stromversorgungskomponenten zu maximieren.

Optisches Mgment: Diese Funktionseinheit sorgt dafür, dass das von der LED Light Engine

erzeugte Licht gebündelt und in die gewünschte Richtung gelenkt wird. Sie umfasst Linsen,

Reflektoren und Diffusor.

> 100.000 Stunden2

unbegrenzt sofern in unter den richtigen Bedingungen verwendet

> 100.000 Stunden2

2Geschätzte Lebensdauer abhängig von den

gewählten Komponenten, Lieferanten,

Produktdesign und Umweltbedingugen.

Fazit: Jeder Defekt in einer dieser Funktionseinheiten kann zum Ausfall der LED-Leuchte führen. In der Praxis kann die Lebenszeit einer

LED-Leuchte statistisch durch Kenntnis der Lebenszeit und Ausfallrate jeder dieser Funktionseinheiten ermittelt werden.

Montagemanagement: Diese Funktionseinheit stellt sicher, dass die gesamte Gehäusekonstruktion und der Herstellungsprozess für einen

langfristigen und ausreichenden Schutz vor Staub, Feuchtigkeit, Vibration und anderen widrigen Umwelteinflüssen sorgen.

Strommanagement Optisches Management

LED-Leuchte Montagemanagement

Optisches Mgment

1 2

3 3

5

4

6 7

LEDvolution Designziele und Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit einer LED-Leuchte

Strommanagement Designziel: Für einen einwandfreien Betrieb müssen das Netzteil und die zugehörige Elektronik einen streng kontrollierten und (von elektrischen

Störsignalen) geschützten Treiberstrom sowie u.U. weitere Kontroll- und Überwachungsfunktionen liefern. Alle Bestandteile müssen so gebaut

sein, dass sie während der Lebenszeit störungsfrei funktionieren.

Auswirkung auf die Zuverlässigkeit: Komponentenversagen aufgrund unzulänglich geplantem und umgesetztem Strommanagement können zu

einem Totalausfall der LED-Leuchte führen. Es kann aber auch zu wesentlich weniger offensichtlichen Effekten wie einer reduzierten Licht-

leistung oder Flackern kommen. Ein gutes Strommanagement beinhaltet auch Schutz vor elektrischen Störsignalen. Dieser Schutz kann im

Treiber integriert oder ein separates Teilsystem der LED-Leuchte sein.

Wärmemanagement Designziel: Ein zuverlässiges Wärmeleitsystem, entweder aktiv oder passiv, ist notwendig, um die von LED-Paket und der Leuchte erzeugte

Wärme abzuleiten. Die Konstruktion soll sicherstellen, dass das LED-Paket unterhalb der vom Hersteller vorgegebenen LM-80-Messtemperatur

arbeitet und so die gewünschte Lichtstromstabilität der Leuchte erzielt. Weiters muss das Design gewährleisten, dass die Betriebstemperaturen

anderer Bestandteile (Netzteil, Steuerungen, optische Komponenten etc.) unter den von den Herstellern angegebenen Maximalwerten liegen.

Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit: Unzureichend konzipiertes und ausgeführtes Wärmemanagement verursacht normalerweise einen

beschleunigten Lichtstromrückgang und führt u.U. zu einer verminderten Farbqualität oder Farbverschiebung des LED-Pakets.

Optisches Mgement Designziel: Komponenten und Herstellungsmethode sollten so gewählt sein, dass optische Elemente während der Lebenszeit unversehrt

bleiben. Es ist wünschenswert, dass diese Bauteile keinen Einfluss auf die Lebenszeit haben.

Auswirkung auf die Zuverlässigkeit: Defekte bei optischen Komponenten können den Lichtstrom des LED-Pakets reduzieren. Es kann aber auch

aufgrund von Verfärbungen zu Farbverschiebungen kommen. Nur in den seltensten Fällen führen Defekte bei optischen Bauteilen zu System-

ausfällen.

Montagemanagement Designziel: Das Gehäuse der Leuchte muss so gestaltet sein, dass es ausreichend Schutz der LEDs in den zu erwartenden Umwelt-

bedingungen des Einsatzgebietes bietet. Reparaturfähige Gehäuse sollten so gestaltet sein, dass das defekte Bauteil vor Ort ausgetauscht

werden kann, und der Gehäuseverbund durch den Austausch nicht beschädigt oder in seiner Funktion beeinträchtigt wird.

Auswirkung auf die Zuverlässigkeit: Bei Anwendungen im Außenbereich oder in schwierigen Umweltbedingungen kann ein Gehäusedefekt den

Totalausfall lichtproduzierender Komponenten zur Folge haben. Mechanische Defekte können andererseits zu unzureichendem Schutz von

innenliegenden Bauteilen führen. Jede Montageschritt birgt das Risiko eines zufälligen Fabrikationsfehlers, der jederzeit einen Defekt während

der Lebensdauer des Produkts verursachen kann. Dies sollten aber nicht ernsthaft den Verschleiß bis zum Ende der Lebensdauer beeinflussen.

LEDvolution ECO Grid Light T3

31W / 3.000lm / 4.000K

Lebensdauer: 50.000h

Faktor Lampenlichtstromerhalt: L80

Einsatztemperatur (Ta): +10 to +40°C

Beispiel einer Lebensdauer-Schätzung von LEDvolution

Strommanagement Netzteil / Treiber von ELT (Spanien): Ref. LC 142/600C

maximale Umgebungstemperatur (Ta) = +50°C

Lebensdauer bei max. Ta = 50.000 h

Zuverlässigkeit:

•Ausfallrate 0,2% pro 1.000 h

•Überlastschutz

•Schutz gegen Nulllast

•Überhitzungsschutz

•Eingangsspannung: 198 bis 264V (in Europa liegt der Eingang bei 230V)

•Leistungsfaktor: 0,99 (extrem effizient)

Die zulässige max. Ta für unsere Leuchte ist +40°C. Das erlaubt uns eine Schätzung von 50.000 Stunden

für die Lebensdauer des Netzteils.

LED-Paket LED-Chip von Nichia (Japan): Ref. NF2L757DRT

maximale Umgebungstemperatur im Betrieb (Ta) = +100°C

Lebensdauer Ta 25°C = 100.000 h (L70) (getestet von Nichia über 1.000 h = 0% Ausfallrate) und

Lebensdauer Ta 100°C = 50.000 h (L70) (getestet von Nichia über 1.000 h = 0% Ausfallrate).

Zuverlässigkeit:

•Ausfallrate < 0,1% pro 1.000 h bei Ta > 40°C

•Feuchtigkeitsbeständigkeit: 90%

Die strikte Einhaltung der max. Ta und einer Stromversorgung wie vom Hersteller vorgegeben, erlaubt uns eine

Schätzung von über 50.000 Stunden (L80) für die Lebensdauer des LED-Pakets.

Wärmemanagement Passives Kühlsystem aus Aluminium (AU4SG) mit 3M Wärmeleitpad:

Aluminium-Wärmeleitfähig ca. 237W pro m2 (bei 1mm Stärke) 237 W/m-K.

Der gesamte Gehäusekörper ist aus Stahl der ebenso in der Wärmeableitung mitwirkt.

Wärmesimulation über mind. 24 Stunden ununterbrochendem Betrieb bei max. Ta (+40°C).

Die Position des Netzteils innerhalb der Leuchte verhindert ein Überhitzen aufgrund der Wärmeentwicklung

des LED-Pakets.

Die passive Kühlung ist überdimensioniert und kann doppelt soviel Wärme (Watt) abführen als das LED-Paket

erzeugt; die Wärmesimulation bestätigt die Tragfähigkeit des Wärmemanagements.

Fazit: Das schwächste Bauteil beim LEDvolution ECO Grid Light T3 ist das Netzteil mit einer Lebenszeit von 50.000

Stunden bei 40°C. -> Dieses Bauteil bestimmt die Gesamt-Lebenszeit der Leuchte.