In the Heat of the Light

Temperaturbeständigkeit von LED-Leuchten

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01.12.2016 Langfeldleuchten sind in Prozessanlagen extremen Bedingungen ausgesetzt. Neben den Anforderungen an den Ex-Schutz spielt vor allem auch die Temperaturbeständigkeit eine wichtige Rolle. Der Beitrag beantwortet die wichtigsten Fragen rund um das Thema LED-Leuchten.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • In Prozessanlagen spielt die Lebensdauer von Leuchten eine wichtige Rolle. Sie hängt wesentlich von der Temperatur ab.
  • Hochwertige LED-Leuchten verkraften heute problemlos Temperaturen bis 60 °C.
  • Steigt die Temperatur auf über 70 °C, sinkt die Lebenserwartung von LED-Leuchten rapide ab: Übersteigt die Temperatur das zulässige Maximum um 10 K, halbiert sich die Lebensdauer.
  • Die thermische Belastung lässt sich auch durch den Einsatz intelligenter Leistungselektronik reduzieren.

Moderne LED-Technik zur Ausleuchtung von Industrieanlagen muss effizient und temperaturbeständig sein. Bild: R. Stahl

Moderne LED-Technik zur Ausleuchtung von Industrieanlagen muss effizient und temperaturbeständig sein. Bild: R. Stahl

LED-Leuchten liegen auch in der Industrie im Trend. Dort kommt es allerdings nicht nur auf deren Lichtleistung an, sondern auch die Lebensdauer spielt eine wichtige Rolle. Und diese hängt von einer ganzen Reihe an Einflussgrößen ab.

Großen Einfluss hat in erster Linie die Temperatur: 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, spielt das Temperaturmanagement beim Leuchtendesign eine wichtige Rolle. Hochwertige LED-Leuchten verkraften heute problemlos Temperaturen bis 60 °C. Kritisch wird es jedoch, wenn Werte von 70 °C und mehr zu verzeichnen sind.

Die Wärme entsteht in der Regel in der Leuchte selbst: Für den Großteil an Verlustleistung innerhalb der Leuchte zeichnen die LEDs verantwortlich. Entscheidend ist dabei die Temperaturentwicklung am p-n-Übergang der verwendeten Chips: die sogenannte Sperrschichttemperatur oder Tjunction (Tj). 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. Als Faustregel gilt, dass ein Temperaturanstieg, der das zulässige Maximum um 10 K überschreitet, die Lebensdauer halbiert. 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 sehr hochwertige Produkte wie die LED-Rohrleuchte 6036 allerdings eine weit bessere Temperaturbeständigkeit.

Schwankungen in der Umgebungstemperatur berücksichtigen

Neben der Wärme, die in den Leuchten aufgrund von Verlustleistung entsteht, spielt auch die Umgebungstemperatur eine wichtige Rolle. 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 z. B. bei verfahrenstechnischen 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-Licht.

Bei der Gehäusekonstruktion müssen diese thermischen Faktoren berücksichtigt werden – und hier unterscheiden sich LED-Leuchten deutlich von klassischen Leuchtstofflampen: In Letzteren fungiert Luft als thermischer Isolator. Deshalb werden Leuchtstoffröhren zur Begrenzung der Oberflächentemperatur am besten in Gehäuse mit großem Luftvolumen eingebaut. Bei LED-Leuchten verhält es sich umgekehrt. Weil hier die Wärme möglichst schnell nach außen abtransportiert werden muss, Luft aber ein schlechter Wärmeleiter ist, sollten die Gehäuse möglichst kompakt konstruiert sein, um möglichst wenig Luftvolumen zu enthalten. Dies hat uns zur Entwicklung der LED-Rohrleuchten geführt. Das Thermomanagement muss also dafür sorgen, dass die Wärme möglichst effektiv durch Wärmeleitung und Konvektion abgeführt wird.

Die thermische Belastung lässt sich durch intelligente Leistungselektronik reduzieren. Entscheidend ist eine gute Abstimmung der LED-Lichtquellen mit der Elektronik, um die optimale Balance zwischen Leistung, Lebensdauer und Temperaturbelastung zu finden. Auch durch intelligenteste Elektronik lässt sich Verlustleistung nicht komplett vermeiden. Mittels angebundener Sensoren kann die Elektronik jedoch auf die Systemtemperatur reagieren und die Leistung reduzieren, um die Lebensdauer des Systems zu sichern. Moderne Leistungselektroniken konsumieren unter 6 % der Gesamtleistung als Verlustleistung. Ein Beispiel dafür sind die LED-Scheinwerfer der Baureihen 6125 und 6525, die bei 210 W Leistungsaufnahme eine maximale Lichtstärke bis zu 82.000 cd bieten. Im Vergleich zu herkömmlichen, mit Gasentladungslampen betriebenen Scheinwerfern, die 400 W Leistung in etwa 30.000 cd maximaler Lichtstärke umwandeln, sind die neuen Geräte deutlich effizienter und zugleich wartungsärmer und langlebiger.

Bei Leuchten mit einer Leistung von 150 W und starker Wärmebildung lässt sich die Außenfläche zur Wärmeabfuhr 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 aufwendig und teuer ist.

Neben der Wärme kann auch Kälte zu Problemen führen: Grundsätzlich mag es die LED zwar kalt, doch bei Tiefsttemperaturen unter -50 °C, wie sie in arktischen Gefilden anzutreffen sind, ist die Leuchte aufgrund ihrer Eigenerwärmung einem hohen mechanischen Stress ausgesetzt. Darunter leiden frostsensible Komponenten und der EMV-Schutz. Deshalb müssen Leuchten für solche Einsatzbereiche besonders ertüchtigt sein, indem der Temperaturkontrast z. B. durch eine intelligente Schaltung abgemildert wird.

Belastungstests ermöglichen Aussage über Lebensdauer

Um die Temperaturbeständigkeit von LED-Leuchten sicherzustellen, werden bei der Entwicklung neben Berechnungen auch diverse Belastungstests durchgeführt. So werden die Leuchten beim beschleunigten Alterungsprozess gemäß HALT (Highly Accelerated Lifetime Test) in Klimaprüfkammern unterschiedlichen Temperaturen, schnellen Temperaturwechseln und Vibrationen ausgesetzt. Dies dient dazu, 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 70 % ihres Anfangswertes.

Ausblick: Obwohl die LED-Technik selbst mittlerweile ausgereift ist, bietet die Steuerungselektronik noch Potenzial, um die Geräte noch effizienter, sparsamer und ausfallsicherer zu machen. In mittlerer Zukunft dürften die organischen LED (OLED) auch für industrielle Beleuchtungsaufgaben infrage kommen. Mit ihrer blendfreien Abstrahlung eignen sich diese Lichtquellen besonders für die Innenbeleuchtung, die Beleuchtung im Umfeld von Monitoren und Displays sowie in Bereichen mit niedrigen Einbauhöhen der Leuchten.

Heftausgabe: Dezember 2016
Rico Schulz, Produktmanager Beleuchtungstechnik, R. Stahl

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Rico Schulz, Produktmanager Beleuchtungstechnik, R. Stahl
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