Temperatur, Elkos und Testmethoden Lebensdauer von LED-Treibern verlängern

Ausfall des LED-Beleuchtungssystem

LED-Lebenserwartungen von bis zu 100.000 Stunden suggerieren schnell, dass auch die gesamte LED-Leuchte entsprechend lang hält. Bei vorzeitigem Leuchten-Ausfall wird schnell die Qualität der Elektronik im LED-Treiber angezweifelt - allerdings spielt auch das Treiber-Design eine gewichtige Rolle.

Für LED-Treiber gilt das Gleiche wie für alle Netzteile: Das Design und die Umgebungsbedingungen bestimmen die Betriebsdauer. Die erste Betrachtung gilt daher der Temperatur, denn sie ist der limitierenden Faktor für die Lebenserwartung.

Der Einfluss der Temperatur

1889 entdeckte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius im Zuge seiner Forschungen über die Elektrolytische Dissoziation, wofür er 1903 den Chemie-Nobelpreis erhielt, den Zusammenhang zwischen chemischer Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur. Dieser fundamentale Zusammenhang lässt sich durch die Arrhenius-Gleichung beschreiben (Formel 1).

left parenthesis 1 right parenthesis space space space space k equals A times e to the power of fraction numerator negative E subscript A over denominator R times T end fraction end exponent space space

R ist die universelle Gaskonstante und T die Temperatur in Kelvin. Die Aktivierungsenergie EA ist der bestimmende Faktor: Je geringer die benötigte Aktivierungsenergie eines Systems ist, desto schneller verläuft eine Reaktion. Dieser Zusammenhang ist allerdings nicht nur für chemische Reaktionen anwendbar, sondern gilt für viele andere Systeme, wie z.B. die Elektronik, in gleicher Weise. Aus der Gleichung folgt der Beschleunigungsfaktor [k], wie er in Formel 2 beschrieben ist.

(2)    open square brackets k close square brackets space equals e to the power of 11600 minus 0 comma 6 V times open parentheses fraction numerator 1 over denominator T r e f end fraction space minus space fraction numerator 1 over denominator T a m b end fraction close parentheses end exponent

Tref ist die Referenztemperatur, bei der die typische Lebensdauer eines LED-Treibers spezifiziert wurde, meist 25 °C. Tamb ist die Umgebungstemperatur des LED-Treibers. Der Beschleunigungsfaktor ist ein Maß für die Alterung elektronischer Systeme. Vereinfacht ergibt sich aus Formel 2 die bekannte Faustformel, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C die Ausfallwahrscheinlichkeit verdoppelt. Anders gesagt: Die Lebenserwartung halbiert sich alle +10 °C.

Thermografie – der Blick unter die Oberfläche

Soweit zu den theoretischen Grund¬lagen. Doch wie hilft dies beim Design eines LED-Treibers weiter? Auf den ersten Blick nur dahingehend, dass es beim Design des LED-Treibers darauf zu achten gilt, Wärmequellen zu eliminieren bzw. Hotspots zu vermeiden. Schließlich soll die Temperatur in der Elektronik so niedrig wie möglich gehalten werden. Dies ist kein einfaches Unterfangen, da der LED-Treiber gemäß seiner Anwendung möglichst klein und flach, aber trotzdem robust sein soll. Das bedingt wiederum eine große Packungsdichte und damit oft eine ungünstige Bauteilanordnung.

Um trotzdem ein zuverlässiges Design und eine lange Lebenserwartung zu realisieren, leistet die Thermographie wertvolle Dienste. Sie ermöglicht es, buchstäblich dem LED-Treiber unter die Haut zu schauen. Ein Beispiel für eine gute Wärmeverteilung in einem LED-Treiber zeigt Bild 1.

Eine Wärmebildkamera ist ein ausgezeichnetes Messinstrument für die Bewertung des Elektronik-Designs, allerdings ist für eine aussagekräftige Aufnahme viel Vorarbeit und Know-how erforderlich. Es genügt leider nicht, die Kamera auf die Elektronik zu richten, um aus der gemachten Aufnahme die potenziellen Schwachstellen gewissermaßen auf dem Silbertablett zu erhalten. Für eine wirklichkeitsgetreue und fehlerbereinigte Wärmebildmessung ist eine relativ aufwendige Vorbereitung notwendig.
Da die Abwärme der einzelnen Bauteile aufgrund unterschiedlicher Oberflächenstrukturen nicht einheitlich dargestellt wird, ist ein Homogenisieren der Platine notwendig. Die einfachste Art und Weise ist eine mattschwarze Beschichtung des Prüflings. Wie die Erfahrung zeigt (Kasten: Aus dem Laboralltag), können schon bei diesem Schritt die ersten, eventuell folgenschweren Fehler auftreten

Zusätzlich gilt es, die externen Lichtquellen zu eliminieren. Sie können
Reflexionen hervorrufen, die das Mess¬ergebnis verfälschen. Als optimaler Messaufbau eignet sich hierfür eine homogenisierte „Blackbox“ in welcher der Prüfling von jeglichen externen Lichteinflüssen abgeschirmt ist.

Aus dem Laboralltag
Für eine Thermografiemessung wurde die Leiterplatte eines LED-Treibers mit
Graphitspray homogenisiert. Theoretisch eine gute Idee, da es im relevanten
Wellenlängenbereich sehr gut ausgleichende Eigenschaften aufweist.
Nachdem der Test gestartet wurde, war die Überraschung jedoch groß, als es
urplötzlich aus dem Klimaschrank rauchte. Des Rätsels Lösung: es wurde zuvor nicht bedacht, dass Graphit elektrisch leitend ist. Und so brannte der Prüfling durch Kurzschlüsse an den Leiterbahnen schließlich ab.

 

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Temperaturverteilung innerhalb eines Designs erheblich mit der Umgebungstemperatur und den elektrischen Betriebskonditionen variieren kann. Für die messtechnische Erfassung dieser Effekte ist es notwendig, die Messung nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei anderen Umgebungsbedingungen durchzuführen. Dabei sind explizit auch die Grenzbereiche eingeschlossen, für die der LED-Treiber spezifiziert werden soll. Dafür bedarf es einer eigenen Klimakammer mit Spezialglas, das die Infrarotstrahlung (im relevanten Bereich zwischen 25 °C und 100 °C) weder dämpft noch verfälscht. Vor der Messung durch das Glas muss die Wärmebildkamera entsprechend kalibriert werden. Nur so entsteht ein realitätsgetreues Messergebnis.