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LEDs light emitting diodes  geben, wenn sie mit Strom betrieben werden, Licht ab, deren Wellenlänge dem Spannungsabfall, der Vorwärtsspannung der Diode entspricht Die Umwandlungsrate der elektrischen Energie in Licht erfolgt nicht zu 100% und der nicht umgewandelte Anteil führt zu einer Erwärmung der Diode. Unter normalen Betriebsbedingungen werden ungefähr  50% bis 60% der Energie in Wärme umgewandelt, der Rest in Form von Licht abgegeben.

 

 

Eine Hauptursache für den Ausfall von LEDs ist das unzureichende Wärmemanagement. Viele Leistungseigenschaften der LED hängen von der Betriebstemperatur ab. Das richtige Design einer LED Lampeneinheit kann nur dann erfolgreich sein, wenn man die grundlegenden Zusammenhänge der thermischen Anbindung und der davon abhängigen Betriebsart berücksichtigt. Ein nicht wieder rückgängig machbarer Verlust an Wirkungsgrad kann in Folge von Überhitzung stattfinden. Überschreitet man die zulässige Höchsttemperatur des Halbleiters, der Junction, die bei ungefähr 150°C liegt, so kann es zu dauerhaften Schäden oder und zum totalen vorzeitigen Ausfall der LED führen. 

 

                                                                      

Obige Grafik zeigt die Auswirkung der junction Temperatur Tj auf die  Lebensdauer von LEDs. Nur wenn man sicherstellt, dass Tj dauerhaft unterhalb 80°c betrieben wird, kann die maximale Lebensdauer von LEDs erzielt werden. Falls Lampeneinheiten angeboten werden, die keine Temperaturüberwachung besitzen, dann ist klar, dass eine Angabe der Lebensdauer nur ein Versprechen auf Annahmen ist.

Es muss insofern unter allen Umständen verhindert werden, dass es zu Betriebszuständen oberhalb 150° kommt. Anfänglich war das deutliche Überschreiten der maximalen Junction Temperatur die Hauptursache für den Totalausfall von LEDs. Mittlerweile sind gebrochene Bondings und Verbindungen in den Lagen die Hauptausfallursache, die durch die leicht unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien in den Lagen zu mechanischen Spannungen führt.Das Problem wird zusätzlich erschwert, weil ausgerechnet bei höheren Temperaturen der Wirkungsgrad der LED schlechter wird, die Erwärmung progressive ansteigt. Wird bei zu hoher Temperatur nicht die elektrische Leistung zurückgenommen, steigt die Temperatur noch weiter an. Das gleiche Problem ist über die Lebensdauer vorhanden. Mit zunehmenden Alter nimmt die Lichtabgabe stetig ab. Eine LED wird also über die Jahre stetig heißer betrieben werden

Um den vorzeitigen Defekt der LED zu verhindern, wird das Problem die Junction Temperatur unterhalb 150° zu halten immer ein wenig größer. Die Zuverlässigkeit einer jeden LED hängt direkt von der Junction Temperatur ab. Je höher diese gefahren wird, desto kürzer die Lebensdauererwartung. Will man überhaupt keine Lebensdauerverkürzung in Folge einer Junction Temperatur zulassen, so sollten  100°C nicht überschritten werden.   

Die thermische Anbindung und die Wärmeabfuhr der LEDs sollte deswegen immer gut sein, um punktuelle Übertemperaturen zu verhindern. Da die innere Anbindung des Halbleiters im Gehäuse der LED und die Anbindung des LED Gehäuses zu einem Kühlkörper nicht perfekt erfolgen kann, führt dies zu einem thermischen Widerstand, der dann wiederum zu einem Temperaturunterschied, gegenüber der Temperatur des Kühlblocks, der proportional zur Verlustleistung der LED ist. Die LED Junction wird also immer etwas wärmer betrieben als die Temperatur an der Kühlanbindung und deswegen muss bei hoher Temperatur der Umgebung der LED Strom und die Leistung ab einer bestimmten Temperatur progressiv zurückgenommen werden, um die LED Junction effektiv zu schützen.

Die Lösung von  Nucon® ermöglicht es jetzt ohne einen Sensor direkt und ohne zeitliche Verzögerung  die LED - Junction Temperatur zu ermitteln. Die LED Junction kann hiermit sicher immer unterhalb der kritischen maximalen Junction Temperatur betrieben werden. Durch die direkte Auswertung kann eine notwendige Strombegrenzung bzw. Leistungsrücknahme augenblicklich erfolgen und eine Anpassung ohne Flicker oder Regelschwingung erfolgen. Dadurch kann eine Überschreitung der maximalen Grenzwerte garantiert und die Lebensdauer der LED maximiert werden. Der Nachteil einer verzögerten Temperaturmessung über eine externen Temperaturfühler mit einer daraus resultierende möglichen Abschaltung nach Überschreiten eines Grenzwertes kann verhindert werden.

Da auf externe Temperaturfühler verzichtet werden kann, werden Kosten eingespart, die sich nicht nur auf das Bauteil eines NTCs beziehen, sondern die damit verbundene Einsparung dieser hierfür nötigen Anschlussleitungen, Kabel, Stecker, Platzbedarf, Sensoranbringung usw. Es können LED Strings oder Arrays in der Temperatur überwacht werden, bei der eine Platzierung eines Sensors durch die räumliche Verteilung nur eine sehr geringe Korrelation zulässt.

Die Neue Methode basiert auf kurze Unterbrechungen der LED Versorgung, während ein kleiner Kondensator über die LED entladen wird, um einen Messtrom geringer Stromstärke zur Vermessung der LED bereitzustellen. Die zeitliche Dauer der Unterbrechung kann hierbei kurz im Bereich von 20us gehalten werden, so dass diese Unterbrechung nicht zu einem bemerkbaren Flicker oder Interferenz führen kann.

Viele LED Schaltungsapplikationen nutzen schon bereits eine PWM zum Dimmen haben also schon periodische Unterbrechungen in ihrem Betrieb vorgesehen - somit ist eine Intergration des Verfahrens in ein solches System relativ einfach.

LED Junction Temperatur Messverfahren gelten als das Beste und möglicherweise als die einzigen Verfahren, um genaue Messungen der Temperatur und der Temperaturverteilung in einer LED Anwendung vornehmen zu können: LED thermal testing.

Auch die langlebigsten LEDs werden über die Zeit an ihrer Leuchtkraft verlieren. Die Dotierung des Kristalls ändert sich z.B. , wobei die Grundfunktion als Diode noch vorhanden ist. Insofern wird als Grad der Alterung die Reduzierung der Lichtmenge in % als Gradmesser hierfür angesehen. Als Lebensdauerende ist es z.B. üblich die Reduzierung der Leuchtkraft auf 60% der Anfangsintensität zu beziehen. Solange alle LEDs eines Clusters oder Anordnung gleichmäßig altern, wäre ein solches Verhalten noch unproblematisch- allerdings ist eine Änderung der Lichtverteilung oder Ausfall von Segmenten bei automobilen Scheinwerfern ein Grund für den Tausch einer kompletten Einheit, der erhebliche Kosten verursachen kann.

 Mit unserem patentierten Verfahren können wir:

  • die thermische Auslegung eines Scheinwerfers in der Designphase überprüfen
  • die Serienfertigung von LED Scheinwerfern qualitativ überwachen
  • effektiv das Überhitzen von allen LEDs in einem Scheinwerfer verhindern
  • Die Alterung der Kühlanbindung der LEDs auf dem Kühlblock überwachen.
  • Den Lichtwirkungsgrad überwachen.

Da vorzeitig gealterte LEDs nicht unbedingt vorzeitig einen totalen Ausfall zeigen, sondern eben in ihrer Lichtleistung zurück gehen, stellen gealterte LED Scheinwerfer eine potentielle Gefahr dar, da die verminderte Lichtleistung vom Fahrer nicht als schleichender Effekt bewertbar ist. Verschlissene Halogen oder Xenon-Lampen gehen in den Totalausfall, der einen Wechsel einer schwachen Einheit eben erzwingt.

Der Umstand das der Tausch einer LED Lichteinheit sehr teuer ist und zudem schon Neue LED-Scheinwerfer von Herstellern oft nur befriedigende Ergebnisse in Test erzielen, untermauert diesen Hintergrund, siehe dazu: lighting test article.   Teurer Tausch: http://www.tz.de/auto/led-scheinwerfer-ausfall-geht-geld-meta-5635866.html

Eine gutes Wärmekonzept und Überwachungsmethode ist erforderlich, um vorzeitige und überaschende Ausfälle von Scheinwerfern zu verhindern. Dies verhindert zudem eine schlechtes Image auf der Straße und ist zudem ein Sicherheitsrisiko, da LED Scheinwerfer, bzw. LED Leuchtmittel nicht mal eben einfach getauscht werden können, so wie man es von Halogenbirnen oder Xenon gewohnt war. Jedes Leuchtmittel kommt irgendwann an das  Ende seiner Lebensdauer.

 

        

 

 

Wärmeleitkleber versprödet und verliert seine Kontakthaftung und Wärmeleitfähigkeit zwischen LED und Kühlkörper- die Gefahr der Überhitzung der LED wird dadurch zunehmend größer

 

 

 aged LED kitchen

LED Leuchtmittel sollen mehr als 35.000 Stunden halten, dies taten bislang nur alte Halogenleuchtmittel 25Jahre lang der alten Küchenbeleuchtung. Das gezeigte LED Leuchtmittel zeigte teilweise Ausfälle schon nach einem Jahr und wurde nach zwei Jahren gewechselt. Billige und primitive LED Anwendungen sind keine unbedingte Einsparung und stellen zudem ein Umweltproblem dar, durch eine Zunahme von Elektroschrott. Es ist schwer vermittelbar, dass der Gesetzgeber die Herstellung/Verkauf der normalen Glühbirne untersagt, jedoch keine Mindeststandards für LED Leuchtmittel fordert und durchsetzt.