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Ursachen für Ausfälle von LEDs

Ursachen für den Ausfall einer LED

Wieso können LEDs ausfallen? So vermeiden Sie den Club der toten Lichter!

Es gibt unterschiedliche Faktoren, die einen Einfluss auf die Lebensdauer einer LED haben. Die angegebene Lebensdauer einer LED kann weit über 50.000 Stunden betragen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtmitteln und Leuchten versagt eine LED jedoch recht selten. Umso ärgerlicher ist es, wenn dieser Fall dann doch eintritt. 

Was viele außerdem nicht wissen, aber unbedingt wissen sollten:

Die meisten LED-Leuchten fallen nicht vorzeitig aus, weil sie eine vermeintlich schlechte Qualität oder mangelnde Güte haben. Genauer gesagt: Ein frühzeitiger Ausfall ist zumeist durch die äußeren Umweltfaktoren der LED bedingt. Dabei gibt es verschiedene Ursachen, die zu Schäden an LED-Komponenten oder LED-Leuchten führen können.

Die häufigsten Ursachen für einen Ausfall der LED Beleuchtung im Überblick:

1 Spannungsspitzen
2 Einschaltströme
3 Elektrostatische Entladungen (ESD)
4 Überhitzung innerhalb der Leuchte
5 dauerhaft zu hohe Umgebungstemperaturen
6 defekte Treiberelektronik
7 Alterung des LED-Chips

1. Spannungsspitzen

Spannungsspitzen sind kurzfristige steile Anstiege in der Netzspannung und entstehen unter anderem beim Öffnen eines Stromkreises. Sie werden durch Schalthandlungen im elektrischen Stromkreis, Blitzeinschläge oder elektrostatische Entladungen hervorgerufen. Dabei entstehen sie für einen Zeitraum von Nano- oder Mikrosekunden. Spannungsspitzen werden auch als transiente Überspannungen oder Transienten (Transiente: ein kurzes, flüchtiges Ereignis) bezeichnet.

Transiente Überspannungen können im Stromnetz teilweise weit über 10.000 Volt erreichen. Sie halten zwar nur für Sekundenbruchteile an, dass reicht aber schon, um LED-Module oder Bauteile der Vorschaltelektronik irreparabel zu schädigen.

Spannungsspitzen hinterlassen dabei kaum eindeutig zuweisbare oder ersichtliche Spuren. Schließlich sind auch viele andere mögliche Ursachen für einen Ausfall denkbar. Wenn jedoch immer wieder zahlreiche LED-Leuchten in einem bestimmten Stromkreis vorzeitig ausfallen, sollte versuchsweise ein Überspannungsschutz in der gemeinsamen Zuleitung verbaut werden. Sollten die Leuchten danach beständig leuchten und sich ihrem Leben erfreuen, war wohl etwas mit der Stromversorgung nicht in Ordnung.

2. Einschaltströme

Der Einschaltstrom ist der elektrische Strom, der unmittelbar nach dem Einschalten eines elektrischen Gerätes entsteht und ein Vielfaches des später fließenden Nennstroms betragen kann. In Datenblättern wird der Einschaltstrom oft als „Inrush Current“ angegeben.

Zum Beispiel verursachen alte Glühlampen durch ihren kalten Glühwendel das bis zu 15-fache des Nennstroms für ca. 50 Millisekunden. LEDs hingegen, insbesondere deren Netzteile und Treiber, erzeugen für wenige Mikrosekunden ein bis zu 100-faches ihres Nennstroms. Im LED-Treiber sind Kondensatoren verbaut, die sich beim Einschalten erst aufladen müssen. Dieser Ladestrom ist dann für den Einschaltstrom von LED-Leuchten verantwortlich.

Einschaltstrom | Saxonia Licht Chemnitz

In den meisten Anwendungsfällen stellen Einschaltströme kein Problem dar. Schwierigkeiten treten meist erst auf, wenn eine größere Anzahl von LED-Leuchten an einem Schaltkreis betrieben wird.

Die Folgen von Einschaltströmen können ein Auslösen der Sicherung (Kurzschlussschutz), eine starke mechanische Abnutzung der Schaltkontakte im Lichtschalter und ein Verkleben der Schaltaktoren bzw. Relais durch Funkenbildung der Schaltkontakte sein.

Bei kleineren LED-Installationen wird der Einschaltstrom bedarfsweise durch einen Heißleiter (NTC-Widerstand) begrenzt. Bei größeren Installationen empfiehlt es sich, einen Nulldurchgangsschalter zu verwenden. Er schaltet sich ein, wenn die sinusförmige Wechselspannung ihren Nulldurchgang hat und schaltet sich aus, wenn der sinusförmige Wechselstrom seinen Nulldurchgang hat. Dadurch lässt sich der Einschaltstrom effektiv und wiederholungsgenau reduzieren.

Theoretisch kann der Einschaltstrom mithilfe des Ohmschen Gesetztes berechnet werden, da die Betriebsspannung für die Berechnung bekannt ist. Der Innenwiderstand (Ersatzwiderstand) einer LED-Leuchte bzw. des Trafos im Moment nach dem Einschalten ist jedoch unbekannt. Aufgrund dieser fehlenden Angabe lässt sich der Einschaltstrom nicht berechnen.

3. Elektrostatische Entladungen (ESD)

Elektrostatische Entladungen (kurz: ESD) sind Spannungsdurchschläge, die durch große Potenzialdifferenzen entstehen. Die Durchschläge verursachen einen kurzen, aber dennoch hohen elektrischen Strom. ESD kann als Funken oder Blitz wahrgenommen werden. Typischer Weise entsteht er zum Beispiel bei der Begrüßung als elektrischer Schlag an den Fingerspitzen. Die Ursache ist meist eine Aufladung durch Reibungselektrizität. Im Alltag kann das durch vieles entstehen: zwischen Schuhen und einem Kunststoffboden, zwischen dem Förderband und Rollen oder einfach nur zwischen einem Tisch und Pullover.

Je niedriger dann auch noch die Luftfeuchtigkeit ist, desto höher können sich die elektrostatischen Ladungen aufbauen. Wenn sich ein aufgeladener Körper nun einem leitenden Körper nähert, gleicht sich die Ladung schlagartig aus.

Das Phänomen ist nicht neu. Doch was im Alltag für den Menschen ungefährlich ist, kann in der Industrie Schäden in Millionenhöhe verursachen.

Bei elektronischen Bauteilen kann jede Entladung ab 30 Volt einen dauerhaften Schaden verursachen. Solche Beschädigungen sind oft nicht sofort sichtbar. 

ESD

Das Bauteil kann auch nur eine leichte Beschädigung davon tragen und unter späterer Dauerbelastung komplett ausfallen. LED-Leuchten und -Leuchtmittel sind eben solche elektronischen Bauteile, die Gefahr laufen durch Überspannungsentladungen beschädigt zu werden.

Der Lichtblick dabei: Umso stärker die LED verbaut ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines Defekts. Das bedeutet, dass einzelne LEDs oder solche, die auf einem Träger (Stripes) verbaut sind, eher Gefahr laufen durch ESD beschädigt zu werden. Für fest verbaute LED-Leuchten ist die Gefahr dahingegen eher gering.

4. Überhitzung innerhalb der LED-Leuchte

Eine Überhitzung innerhalb der LED-Leuchte gehört zu einer der häufigsten Ausfallursachen der LED. Schuld daran ist hauptsächlich das schlechte Thermomanagement. Die Überhitzung entsteht dann durch eine mangelnde Kühlung.

Während der Lichterzeugung entsteht neben der Betriebstemperatur des LED-Chips eine Verlustwärme, die sich im LED-Chip ansammelt. Wenn sie nicht abgeführt wird, staut sie sich im Inneren der Leuchte an. Die ungleichmäßige Wärmeverteilung führt dann dazu, dass sich die Leuchte an bestimmten Stellen bedeutend stärker erhitzt als an anderen. Solche Stellen sind neben dem LED-Chip auch die integrierte Vorschaltelektronik. Die Überhitzung führt somit zu Beschädigungen innerhalb der Leuchte, die letztendlich zum Ausfall der LED-Leuchte führen.

Der Grund für die Überhitzung liegt zumeist an dem fest verbauten Kühlkörper der Leuchte. Er leitet dann die Wärme dann entweder schlecht oder gar nicht ab.

Überhitzungen können aber auch entstehen, wenn ein zu hoher Betriebsstrom zugeführt wird. Der zu hohe Strom erhöht den Wärmeumsatz am LED-Chip und belastet damit die enthaltene Kristallstruktur. Die Wärme zerstört sukzessive die halbleiterdotierten Bereiche im inneren des LED-Chips. Dadurch wird die Alterung des LED-Chips und die Gefahr des Totalausfalls deutlich beschleunigt.

5. dauerhaft zu hohe Umgebungstemperaturen

Eine weitere Möglichkeit für den Ausfall einer LED ist, dass sie einer dauerhaft zu hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist.

Besonders in Industriehallen sind LED-Leuchten teilweise erheblichen Temperaturen von über 60 °C ausgesetzt. Die LED Leuchten müssen dann besonders hitzebeständig konzipiert und speziell für diese Anwendungen ausgelegt sein.

Die Gehäusematerialien, Dichtungen und Kühlkörper sind dann so beschaffen, dass sie Hitze und Temperaturschwankungen dauerhaft verkraften.

Kühlrippen LED Hallenstrahler

Bei LED-Leuchten mit einer Leistung von mehr als 150 Watt und einer starken Wärmebildung lässt sich die Wärme sehr effektiv durch Kühlrippen abführen. Sie vergrößern die Außenfläche und helfen somit, die Wärme gezielt nach außen abzuleiten.

6. defekte Treiberelektronik

Ein anderer Grund, der sogar zum Komplettausfall der LED führen kann, ist die verbaute Treiberelektronik. Defekte treten weit häufiger im Vorschaltgerät bzw. der Treiberelektronik auf, als im LED-Chip selbst. Sie können durch zu hohe Umgebungstemperaturen, mangelnde Kühlung oder fehlerhafte Komponenten innerhalb der Elektronik entstehen.

Anzeichen für eine defekte Treiberelektronik sind plötzliche Ausfälle, ein deutlich zu hörendes Brummen oder ein beginnendes Flackern der LED-Leuchte, da die Leuchtdiode dann nicht mehr mit dem erforderlichen Betriebsstrom versorgt wird.

7. Alterung des LED-Chips

Zu guter Letzt kann der LED-Chips nach Ablauf seiner Lebensdauer auch einfach altern. Der Halbleiterkristall baut sich im Laufe der Zeit ab und die LED wird allmählich dunkler. Diesen Vorgang nennt man auch Degradation oder Lichtstromrückgang. Wie hoch das Ausmaß der Degradation ist, kann über den L- und B-Wert abgeschätzt werden.

Dabei ist zu beachten, dass die vorab genannten Ursachen, wie zum Beispiel dauerhaft zu hohe Umgebungstemperaturen, die Alterung des LED-Chips enorm beschleunigen.