»Die LED ist immer als Teil eines Systems zu sehen« Prognose der LED-Lebensdauer abhängig von Temperatur und Stromstärke

Die LEDs von Cree, die auf der »Easywhite«-Technik beruhen, können sich in puncto Toleranzbreite der Farborte durchaus mit Glühlampen und anderen Leuchtmitteln messen.
Die LEDs von Cree, die auf der »Easywhite«-Technik beruhen, können sich in puncto Toleranzbreite der Farborte durchaus mit Glühlampen und anderen Leuchtmitteln messen.

Zur Realisierung kompletter Lighting-Lösungen von der LED über die Sekundäroptiken und Treiber-ICs bis zum Wärme-Management hat die MSC Vertriebs GmbH jetzt europaweit ein umspannendes Netz von MSC Lighting Competence Centers etabliert. Das Ziel ist, das individuelle Beleuchtungssystem als Ganzes zu betrachten und die einzelnen Komponenten aufeinander abzustimmen. Nur so lässt sich eine lange Lebensdauer des Systems sicherstellen.

Der Einzug von LEDs in die Beleuchtungstechnik ist nicht mehr aufzuhalten. Gerade durch die gestiegenen Energiepreise und aufgrund der Verordnung 245/2009 der europäischen Kommission, die die Rahmenbedingungen für den Ausstieg aus den veralteten Beleuchtungstechniken festlegt, eröffnet sich ein riesiges Marktpotenzial für Leuchtdioden. Derzeit liegt nach einer DisplaySearch-Studie die Durchdringungsrate von Beleuchtungssystemen auf LED-Basis im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zwar erst bei mageren 1,4 Prozent. Für 2014 rechnen die Marktexperten jedoch mit einem Anstieg auf 9,6 Prozent.

Neben ihrer Umweltfreundlichkeit überzeugen hochwertige Leuchtdioden vor allem durch ihre hohe Energieeffizienz und ihre Robustheit, die sie für Indoor und Outdoor-Anwendungen prädestiniert. LEDs zeichnen sich sowohl durch eine hohe Stoß- und Schockfestigkeit als auch durch eine niedrige Vibrationsempfindlichkeit aus. Ein weiterer Pluspunkt ist ihre lange Lebensdauer, die je nach Systemdesign zwischen 25.000 und weit über 50.000 Stunden liegen kann. Wichtigste Parameter für die Alterung von Leuchtdioden sind die Temperatur im Inneren und die Temperatur im direkten Umfeld der LED, z.B. die Gehäuseinnentemperatur der Leuchte. Beide Werte sind stark abhängig vom thermischen Design der Applikation. Die Lebensdauer einer LED wird darüber hinaus noch von der Stromstärke bestimmt, mit der das Bauteil betrieben wird. Häufige Ein- und Ausschaltzyklen haben keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer.

Die Lebensdauer, die Temperatur, der Lichtstrom, und weitere Betriebsparameter hängen wesentlich vom Aufbau des kompletten Beleuchtungssystems ab. Deshalb genügt es nicht, einfach nur die gewünschten Einzelkomponenten zur Verfügung zu stellen, sondern Hersteller, Lieferanten und ihre Kunden müssen heutzutage die komplette Lighting-Lösung betrachten und optimieren. Dazu ist natürlich ein breites technisches Wissen gefordert. Für erfahrene Distributoren ist dies heute wie zukünftig eine interessante und lohnende Aufgabe.

Auch MSC hat diesen Trend erkannt und auf ihn reagiert. Der Distributor hat vor wenigen Wochen in Deutschland zwei MSC Lighting Competence Center - in Frankenthal und Wiesbaden - etabliert. Während in Frankenthal die verantwortlichen Linemanager agieren, unterstützen die Business Development Manager des Wiesbadener Kompetenzzentrums alle MSC-Vertriebsbüros im deutschsprachigen Raum und in den Benelux-Ländern. Ausgehend von den beiden Kernkompetenzzentren wurde darüber hinaus europaweit ein umspannendes Netz von MSC Lighting Competence Centers in Belgien, Frankreich, Italien, den Niederlanden, Österreich, der Schweiz und Spanien eingerichtet. »Die LED Competence Solution Teams verfügen über fundiertes technisches und ökonomisches Beratungs-Know-how und haben große Erfahrung in der Abwicklung von Lighting-Projekten«, verdeutlicht Frank Schimmer, Director Marketing bei MSC.

Das Unternehmen arbeitet mit führenden Herstellern von hochwertigen LEDs, Sekundäroptiken, LED-Treibern und Power Controllern sowie der entsprechenden Elektromechanik zusammen. »Wir sind als technisch orientierter Distributor bestens gerüstet, nicht nur vielfältige Komponenten zu liefern, sondern unter Berücksichtigung des entsprechenden Kühl-Managements auch komplette, kundenspezifische Lighting-Lösungen zu realisieren«, erläutert Schimmer. »Unser Ziel ist, auch im Lighting-Bereich einer der Big Player zu werden. Dabei kommt uns natürlich als Modulhersteller und international agierender Entwicklungspartner die langjährige Erfahrung im Bauelementevertrieb und die ausgefeilte Logistik und Lagerhaltung zugute.«

Unterstützt werden die MSC-Spezialisten unter anderem vom Product Characterization Tool PCT, das vom LED-Hersteller Cree entwickelt wurde (Bild 2). PCT erlaubt die Berechnung des Lichtstroms einer LED, der sich aus unterschiedlichen, von der jeweiligen Anwendung abhängigen Parametern ergibt. Hierzu zählen die Bestromung, die Temperaturen im Umfeld der LED (dabei entspricht die Ambient-Temperatur Ta der Lötpunkttemperatur Tsp) und die daraus resultierende Temperatur im Inneren des LED-Chips (Junction-Temperatur Tj). Zwar lassen sich die notwendigen Daten und Kurven auch im LED-Datenblatt finden, doch gerade bei der Vorauswahl des LED-Typs, der möglichen Lichtstrom-Binnings und der entsprechenden Bestromung kann man mit dem Online-Tool experimentieren, um einen optimalen Betriebsarbeitspunkt auszuloten.

Für die Praxis erprobt, eröffnet das Tool sogar die Chance, Effizienzwerte für die Ansteuerung und die geplanten Sekundäroptiken einzugeben. Zudem kann man auf die Anwendung mit einer einzelnen LED (z.B. LED lm, LED lm/W, LED W) oder, oft noch viel interessanter, mit einem System aus vielen LEDs für eine spezielle Lichtstromvorgabe (z.B. Anzahl LEDs, System lm, System lm/W) eingehen. In allen Fällen spielt die Temperaturreferenz eine wichtige Rolle. Wird beispielsweise eine Lötpunkttemperatur vorgegeben, so lässt sich anhand der gewünschten Betriebsparameter die Junction-Temperatur im P-N-Übergang im Inneren des LED-Chips bestimmen. Die Tj beeinflusst die Effizienz und auch die Lebensdauer des Systems. Das bedeutet, dass sich die Möglichkeiten der LED voll ausschöpfen lassen. Bild 3 zeigt, dass beispielsweise die LEDs der Serie »XLamp XP-G« von Cree selbst bei stärkeren Strömen immer noch eine lange Lebensdauer erreichen können.

Bei den herkömmlichen Leuchtmitteln ist das Ende der Lebensdauer deutlich sichtbar, weil dann der Lichtstrom auf Null geht und die Lampe total ausfällt. LEDs hingegen verlieren allmählich ihre maximale Helligkeit, weshalb hier ein bestimmter Schwellenwert des Restlichtstroms als Grenze definiert wird. Als Standard für die Angabe der Lebensdauer hat sich der Wert L70 etabliert, der bedeutet, dass der Lichtstrom auf 70 Prozent des Maximalwerts gesunken ist. Die LED arbeitet bei L70 jedoch nicht fehlerhaft oder ist ganz defekt, sondern kann noch lange Zeit mit weiter abnehmendem Lichtstrom leuchten.

Ein weiteres wichtiges Qualitätsmerkmal, das bei der Lebensdauerbetrachtung berücksichtigt werden muss, ist die Stabilität des Farborts. Das menschliche Auge kann durchschnittlich ab etwa 30 Prozent Helligkeitsunterschiede bewerten. Ein wesentlich besserer Sensor ist das Auge bei etwaigen Farbortabweichungen (Bild 4). Driftet ein Weißlichtpunkt von der Schwarzstrahlerkurve nach oben oder unten ab, so fällt schon eine geringe Abweichung auf.

Kein Hersteller ist in der Lage, die LED-Lebensdauer von 50.000 oder mehr Stunden zu testen, bevor die Produkte auf den Markt kommen. Deshalb wird unter bestimmten Testbedingungen gemessen, die es erlauben, aus einer relativ kurzen Messzeit auf eine lange Lebensdauer zu schließen. Auf Betreiben der US-amerikanischen Energy-Initiative hat sich für diese Messprozeduren weltweit der Standard LM80 etabliert. Weil heutzutage zwar alle Hersteller unter gleichen Bedingungen testen, aber die Auswertung und Extrapolation der Daten nach unterschiedlichen Methoden durchgeführt wird, sind die Ergebnisse allerdings nicht wirklich vergleichbar.

Abhilfe soll hier das Projekt TM21 schaffen, das in Zusammenarbeit des DOE (US Department of Energy), des National Institute of Standards and Technology, des Pacific Northwest National Laboratory und vier führender LED-Hersteller erarbeitet wurde. Das Ziel ist, die Daten verschiedener Hersteller besser vergleichbar zu machen. Ein zentrales Thema ist die Festlegung, dass maximal mit einem Faktor von sechs extrapoliert werden kann. Das heißt, aus 10.000 Mess-Stunden darf jetzt nur noch auf 60.000 Lebensdauerstunden hochgerechnet werden, auch wenn der Kurvenverlauf auf wesentlich längere Lebensdauererwartungen schließen lässt. Darüber hinaus werden die ersten 1000 Stunden Betrieb nicht berücksichtigt, weil hier die LEDs eine Art Einschwingverhalten zeigen. TM21 soll für ein größeres Vertrauen in die Aussagen der LED-Hersteller in puncto Lebensdauer der LEDs sorgen.