Wie LED-Leuchten Extrembedingungen dauerhaft standhalten

Als Halbleiterbauelemente haben LEDs verschiedene temperaturabhängige Parameter wie Flussspannung, Wellenlänge und Lichtausbeute. Unter Hitze leidet weniger die Lebensdauer der Leuchtdioden selbst als vielmehr die der integrierten Steuerungselektronik. Weil es sich bei den LED-Chips und der Vorschaltelektronik um thermosensible Komponenten handelt, ist das Temperaturmanagement beim Leuchtendesign von großer Bedeutung. Hochwertige LED-Leuchten verkraften heute problemlos Temperaturen bis +60 °C. Kritisch wird es jedoch, wenn Werte von +70 °C und mehr zu verzeichnen sind.

Für den Großteil an Verlustleistung innerhalb der Leuchte sind die LEDs selbst verantwortlich. Entscheidend ist dabei die Temperaturentwicklung am p-n-Übergang der verwendeten Chips: die sogenannte Sperrschichttemperatur oder Tjunction (T_j). Da während der Lichterzeugung ca. 70 bis 80 % der Energie in Wärme umgewandelt werden, kann sich der Chip im laufenden Betrieb schnell auf Temperaturen von über +100 °C aufheizen, was auf längere Sicht die Lebensdauer und Lichtausbeute der Leuchte massiv beeinträchtigt.

Laut Faustregel führt bereits ein Temperaturanstieg, der das zulässige Maximum um 10 °C überschreitet, zur Halbierung der Lebensdauer. Hinzu kommt, dass die LED-Technik den Bau immer kleinerer und kompakterer Leuchten begünstigt, wodurch sich der thermische Pfad zur Elektronik verkürzt. Dank optimierter Steuerungselektronik erreichen Spitzenprodukte wie unsere LED-Rohrleuchte 6036 allerdings eine weit bessere Temperaturbeständigkeit.

Je nach Einsatzort sind LED-Leuchten eventuell erheblichen Temperaturen ausgesetzt – etwa im Geräte- und Anlagenbau sowie im Maschinenbau, wo sie beispielsweise in der Nähe von Generatoren installiert werden. Solche Leuchten müssen besonders hitzebeständig konstruiert sein und Betriebstemperaturen von mehr als +70 °C standhalten.

Aber auch extreme geografische Bedingungen, wie sie beispielsweise bei verfahrenstechnische Anlagen in den Wüstenregionen des nahen und mittleren Ostens vorherrschen, können den Leuchten stark zusetzen, wenn sich die Gehäuse durch Sonneneinstrahlung auf über +60 °C erhitzen. Für solche Einsatzorte müssen die Gehäusematerialien und Dichtungen daher so beschaffen sein, dass sie große Hitze und starke Temperaturschwankungen dauerhaft verkraften. Dies gilt auch für andere umweltbedingte Belastungen durch beispielsweise hohe Luftfeuchte oder UV-Strahlung.

Das Ziel des Thermomanagements besteht in einer möglichst effektiven Wärmeabfuhr auf den Wegen der Wärmeleitung und Konvektion. Eine optimale Wärmeleitung ergibt sich durch möglichst direkten physischen Kontakt der Bauteile, um die Verlustwärme von der Sperrschicht durch das LED-Gehäuse zum Leuchten- oder Kühlkörper abzuführen. Für eine ungehinderte Wärmeleitung dürfen im Wärmeleitpfad keine Luftspalte oder -einschlüsse vorhanden sein. Durch Konvektion wird die Wärme dann über die Gehäuseoberfläche an die umgebende Atmosphäre abgegeben, weshalb große Oberflächen und eine möglichst freie Luftzirkulation die Wärmeabfuhr durch Konvektion begünstigen.

Bei Leuchten mit großen Leistungsklassen, also Leistungen jenseits der 150 W, und starker Wärmebildung lässt sich die Außenfläche zur Entwärmung beispielsweise durch Kühlrippen vergrößern. Das kann allerdings in rauen Industrieumgebungen, wo ein hohes Staub- oder Schmutzaufkommen herrscht, zu Problemen führen. Wenn sich verstärkt Schmutz zwischen den Rippen ablagert, leidet die Wärmeabfuhr und erhöht sich der Reinigungsaufwand.

Zur aktiven Kühlung können Ventilatoren in die Leuchten integriert werden, was jedoch vor allem in explosionsgeschützten Bereichen wegen der erforderlichen Redundanz aufwändig und teuer ist.

Neben Berechnungen zur Temperaturbeständigkeit führen wir im Verbund mit unseren Partnerfirmen diverse Belastungstests durch. Um schon während der Produktentwicklung Schwachstellen und Belastungsgrenzen zu ermitteln, unterziehen wir unsere Geräte unter anderem testweise einem beschleunigten Alterungsprozess gemäß HALT (Highly Accelerated Lifetime Test). Bei diesem Verfahren werden die Leuchten in Klimaprüfkammern unterschiedlichsten Temperaturen, schnellen Temperaturwechseln und Vibrationen ausgesetzt, um die Ausfallraten der kritischen Elemente zu ermitteln und die daraus für den zulässigen Temperaturbereich erwartbare Lebensdauer zu definieren.

Weil LEDs im Unterschied zu anderen Leuchtmitteln nicht schlagartig ausfallen, sondern mit der Zeit immer weniger Licht emittieren, bemisst sich das Ende ihrer Lebensdauer an der Degradation der Leuchtkraft auf 90 % ihres Anfangswertes.