LED-Lebensdauer
Spontan-Temperaturregelung für LED-Lampen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wo greifen die bekannten Spontanregelungskonzepte zu kurz?
Fakt ist, dass die Lebensdauer von Beleuchtungs-LEDs durch Absenkung der Chip-Temperatur erheblich verlängert werden werden könnte. Hierzu ist weiter unten eine Kurvenschar in Bild 4 gezeigt, die für diverse Chip-Temperaturen die Degradadionsverläufe darstellt und belegt, dass 70 % vom anfänglichen Lichtstrom bei 85 °C in 30.000 Stunden erreicht sind und bei 45 °C erst nach 300.000 Stunden, was einer durchgängigen Betriebsdauer von rund 34 Jahren entspräche.
Dies bedarf aber nicht nur einer effizienten Entwärmung sondern auch einer Drosselung der Stromaufnahme, während diese Entwärmung aufgrund der Wärmeausgleichsverzögerungen nicht sofort zum LED-Chip durchdringt. Diese Verzögerungen spielen sich je nach Aufbau des Kühlkörpers im Sekunden- bis Minutenbereich ab, in denen der LED-Chip aber bereits durch Überlastung degradiert bzw. geschädigt wird. Bei Retrofit-LED-Lampen im unteren Leistungsbereich kann man mittels Reihenschaltung von NTC-Widerständen und unter Inkaufnahme zusätzlicher Leistungsverluste mit einem Soft-Start gegensteuern, der dann aber auch nur pauschal erfolgt und nicht angepasst bzw. optimiert ist auf die jeweiligen Startbedingungen bezüglich der Anfangsumgebungstemperatur mit Berücksichtigung der LED-Exemplarstreuung und -Alterung.
Initiale Charakterisierung im System
Heutzutage ist allerdings die Größe eines flüchtigen oder nichtflüchtigen Control-ler-Speichers kaum noch kostenrelevant. Insofern ist es durchaus sinnvoll, unter Zuhilfenahme eines externen Temperatursensors auf der Kühlfläche als Referenz für die Umgebungstemperatur zum Startzeitpunkt und für die Teach-in-Parametrierung des LED-Treibers über mindestens drei stromgestaffelte Impulse – wegen der Abweichungen vom linearen Verlauf – nicht zuletzt wegen der degradationsbedingten Veränderung der Parameter vor jeder Inbetriebnahme zu charakterisieren bzw. technologietypisch zu extrapolieren und die entsprechenden Kurvenscharen in einer Look-up-Table zur Einstellung der Spontanregelung anhand der periodisch per Vorwärtsspannung überwachten Chip-Temperatur für die jeweilige Einschaltdauer abzulegen bzw. alternativ auch nur die für eine Online-Berechnung extrahierten Koeffizienten.
Grundsätzlich zeigen die Vorwärtsspannung und der Lichtausbeuteschwund eine leidlich lineare Temperaturabhängigkeit – zumindest im oberen Temperaturbereich (Bild 5). Allerdings handelt es sich bei der vermessenen LED lediglich um eine „Mid Power“-Variante zur Display-Hinterleuchtung.
Nachhaltigkeit von LED-Lampen noch nicht ausgereizt
Eine massive Entwärmung von LED-Lampen ist noch längst keine Gewähr für deren Nachhaltigkeit bezüglich Energieeffizienz und Lebensdauer. Es sind bereits Ansätze bekannt, unverzögert eine auch nur kurzzeitige Überhitzung und Degradation der LED-Chips durch spontane Abregelung der Stromaufnahme zu unterbinden, die die Alterung hinauszuzögern und dabei gleichermaßen den temperaturbedingten Schwund der Lichtausbeute einzugrenzen. Die Kurvenschar in Bild 2 gibt einen Hinweis, dass die Interdependenz der diversen Parameter (Stromdichte, Chip-Temperatur, Spannungsabfall, Lichtausbeute) mehrdimensional komplex ist. Das bedeutet jedoch nicht, dass ein intelligenter Treiber-Chip diese komplexen Abhängigkeiten nicht ausregeln könnte, um die LED zu schonen und die Lichtausbeute zu optimieren.
In den Anfängen der LED-Beleuchtung, die zunächst vorrangig auf dekorative Lichteffekte, Taschenlampen oder die Hinterleuchtung von LC-Displays ausgerichtet war, gab es bezüglich Lebensdauer und Effizienz noch keinen industriellen Fokus. Vielmehr war es im globalen Wettbewerb geboten, die Wafer-Ausbeute durch möglichst kleine LED-Chip-Flächen zu maximieren. Inzwischen weichen diese Anwendungen aber zunehmend dem Ersatz von Energiesparlampen und Neonröhren als Alterna-tive zu vergleichsweise extrem ineffizienten und kurzlebigen Glühlampen und Halogenstrahlern. Da nun mit der verstärkten Massenproduktion von „High Power“-LED-Chips auch auf größeren Wafern diese nicht mehr unbedingt den dominierenden Kostenfaktor bei der Herstellung von LED-Lampen darstellen, wäre ein Paradigmenwechsel der LED-Chip-Industrie geboten, der darauf abzielt, die Herstellungs- und Betriebskosten der kompletten Lampe bzw. auch die Amortisation eines Beleuchtungssystems in eine ganzheitliche Betrachtung einzubeziehen – spätestens seit der „Efficiency Droop“-Effekt der LED [1] erkannt ist und dessen Ursachen und Auswirkungen eingehend untersucht werden.
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