Lebensdauer von LED-Leuchten Wie sich der Lichtstromerhalt von LED-Lampen bestimmen lässt

Autor / Redakteur: Mitch Sayers * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Im Laufe der Zeit lässt die Leuchtkraft einer LED nach. Um diesen Verlust zu quantifizieren, kommt der LM-80-Test zum Einsatz. Besser noch ist die IES TM-21-Norm. Wir zeigen warum.

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LED-Lampen: Anders als bei konventionellen Glühlampen lässt die Leuchtkraft einer LED im Laufe der Zeit nach. Es ist dabei notwendig, Aussagen über Lichtstrom und Lebensdauer zu machen.
LED-Lampen: Anders als bei konventionellen Glühlampen lässt die Leuchtkraft einer LED im Laufe der Zeit nach. Es ist dabei notwendig, Aussagen über Lichtstrom und Lebensdauer zu machen.
(Foto: nikkytok, Clipdealer)

Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchten weisen LED-Beleuchtungssysteme einige Besonderheiten auf. Dies betrifft unter anderem das Verhalten nach mehreren Tausend Betriebsstunden. LEDs fallen nicht aus, wie andere Leuchten, sondern weisen eine graduelle Abnahme der Lichtleistung auf. Um valide Angaben über den Lichtstromerhalt und die Lebensdauer von LED-Lampen treffen zu können, hat die Illumination Engineering Society (IES) das Testverfahren LM-80 entwickelt.

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Wichtige Kennwerte für die LED-Lebensdauer
  • Gewichteter Lichtstromerhalt-Wert (Lumen Maintenance) LP: Der Zeitraum (in Stunden), nach dem eine LED-Lichtquelle nur noch den angegebenen Prozentsatz der ursprünglichen Lichtleistung erbringt. Beispiel: L50 = Zeit in h, bis der Lichtstromerhalt auf 50 Prozent gesunken ist.
  • Lichtstromerhalt (Lumen Maintenance): Vorhandener Lichtstrom (in Prozent) nach bestimmter Betriebszeit.
  • Lichtstromrückgang (Lumen Depreciation): Der Anteil des Lichtstroms (in Prozent), der nach einer bestimmten Betriebszeit einer LED-Lampe nicht mehr zur Verfügung steht.
  • Dauer des Lichtstromerhalts (Lumen Maintenance Life): Die Zeit (in Stunden), in der eine LED-Lampe den angegebenen Lumen-Maintenance- oder Lumen-Depreciation-Wert erreicht. Nicht berücksichtigt werden Zeiträume, in denen eine Lampe ausgeschaltet ist.
  • Temperatur am Lötpunkt TSP: Temperatur des Löt-Pads im unteren Bereich der LED-Lampe.
  • Umgebungstemperatur TAIR: Temperatur der Luft in unmittelbarer Nähe der LED. Sie sollte innerhalb des Gehäuses der LED-Lampe ermittelt werden, zudem außerhalb der Halbwertsbreite des Öffnungswinkels.

Allerdings überschreiten viele High-Power-LEDs auch nach vielen Tausend Teststunden die in der L70-Spezifikation definierte Lebensdauer. Diese gibt den Zeitraum in Stunden an, bis die ursprüngliche Lichtleistung auf 70% des Ursprungswerts gesunken ist. Daher setzen LED-Hersteller wie Cree nicht nur LM-80-Tests ein, sondern auch die in IES TM-21 beschriebenen Extrapolierungsmethoden.

Vergleich IES LM80-2008 und IES TM21-2011

IES LM-80-2008 (Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources, LM-80) ist ein Industriestandard, mit dem sich die Abnahme der Lumen-Werte von LED-Lampen und -Modulen ermitteln lässt. Zudem gibt LM-80 die Verfahren vor, mit denen sich die Messresultate in Berichte umsetzen lassen. Das Ziel von LM-80 ist, einen validen Vergleich der Messergebnisse unterschiedlicher Testlabore zu ermöglichen. Zu diesen Testeinrichtungen zählt Crees Solid-State Lighting Testing Laboratory (SSL) in Durham (US-Bundesstaat North Carolina). Es wurde im Rahmen des National Voluntary Laboratory Accreditation Program (NVLAP) als LM-80-Testlabor anerkannt.

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Im Vergleich dazu enthält IES TM-21-2011 (Projection Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources) Empfehlungen, wie sich die LM-80-Testergebnisse dazu nutzen lassen, um den Lichtstromerhalt beziehungsweise das Lumen Maintenance Life (LP) von LED-Lampen über einen längeren Zeitraum zu ermitteln. Unternehmen, die für ihre Produkte die ENERGY-STAR-Zertifizierung beantragen, müssen diese Vorgaben einhalten. Als ENERGY-STAR-Partner nutzt auch Cree für seine XLamp-LEDs die in LM-80 und TM-21 spezifizierten Verfahren.

Das SSL-Testlab überprüft den Lichtstromerhalt von LED-Lampen mithilfe von Verfahren, die sich strikt an den Vorgaben von LM-80 orientieren. Dazu werden Leuchten mit Crees XLamp-LEDs auf Metallkern-Leiterplatten montiert (Metal Core PCBs). Ein typischer Testaufbau besteht aus 30 XLamp-LEDs. Die Platinen werden anschließend mit Kühlkörpern in einer Klimakammer verbunden. Die TSP (Temperatur am Lötpunkt) jeder Lampe wird kontinuierlich überwacht und kontrolliert. Dies erfolgt über die Kühlkörper.

Auch die Temperatur der Umgebungsluft in der Kammer (TAIR) wird entsprechend angepasst. Gemäß LM-80 4.4.2 muss die TAIR in der Klimakammer innerhalb von 5 °C unter der TSP liegen. Weiterhin ist laut LM-80 4.4.3 sicherzustellen, dass die Testobjekte keinem Luftzug ausgesetzt sind. Die elektrischen und photometrischen Eigenschaften jeder XLamp-LED-Lampe werden vor Beginn der Testreihe mit einer Ulbricht-Kugel ermittelt (bei t = 0). Anschließend platzieren die Testingenieure mehrere Lampen-Sets in der Klimakammer, die mit unterschiedlichen Treiberstrom-Werten angesteuert werden. Mindestens alle 1.000 Stunden sind die Lampen aus der Kammer zu entnehmen und erneut Messungen mit der Ulbricht-Kugel durchzuführen.

Einflussfaktoren auf den Lichtstromerhalt

Zu den Faktoren, die den Lichtstromerhalt von High-Power-LEDs beeinflussen, zählen die Betriebstemperatur und der Treiberstrom. Nach mehreren Tausend Stunden bei hohen Temperaturen findet ein Effizienzverlust in den Quanten-Well-Strukturen im Halbleiter statt. Daher ist eine präzise Ansteuerung der Temperatur bei LM-80-Tests wichtig. Weitere Einflussfaktoren sind die Herstellungsverfahren und die Materialien, die bei einer LED-Lampe verwendet werden.

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Nach Erfahrungswerten von Cree beeinflussen vor allem folgende Punkte den Lichtstromerhalt:

  • das Silikon, das als Linse der LED-Lampe dient
  • die LED-Chip-Materialien
  • der Herstellungsprozess
  • das verwendete Phosphor und die Technik, mit der dieses Material aufgebracht wird

Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass jede Komponente einer LED-Lampe unterschiedlich auf Betriebsbedingungen (Strom, Temperatur) reagiert. Dadurch macht sich bei jeder Komponente der Leistungsverlust unterschiedlich bemerkbar. Ein Beispiel ist das Silikonmaterial, das als Verguss über den LED-Chip zum Einsatz kommt. Die LED-Industrie setzt prinzipiell Polyorganosiloxan (Siloxan) für High-Power-LEDs ein. Je nach chemischer Zusammensetzung reagieren Siloxane unterschiedlich auf die Betriebstemperatur: Bei höheren Werten nimmt die Transparenz des Materials ab. Dies reduziert den Lichtstrom der LED-Lampe.

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LED-Praxis-Entwicklerforum: Praktische Aspekte der Leistung von LED-Beleuchtungen

Am 7. Oktober wird Mitch Sayers von Cree im Rahmen eines Seminares auf dem 3. LED-Praxis-Entwicklerforum der ELEKTRONIKPPRAXIS die Leistung von LED-Leuchtensysteme betrachten. In seinem Vortrag geht er auf die folgenden Themen ein:

Thermomanagement

  • Thermal Interface Materials
  • Kühlkörpergröße und Orientierung
  • Thermische Leistung mit CRI und CCT

Optik

  • Verschiedene Lichtquellen und –Größen unter Gleichen Optiken
  • Farbe über Abstrahlwinkel
  • Wirkung auf Abstrahlwinkel von Versatz vom Optik

Drei Tage im Zeichen der OLED und der LED: Vom 7. bis 9. Oktober wird das VCC in Würzburg in das besondere Licht von LED und OLED getaucht. Seien Sie als Aussteller oder/und Teilnehmer dabei und tauschen Sie sich untereinander aus!

Prüfen Sie unsere Angebote einer Ausstellung, informieren Sie sich auf unserer Kongress-Seite oder füllen Sie gleich das Anmelde-Formular hier aus.

Hoher Ansteuerstrom erhöht die Lichtausbeute

Zudem können die Photonen, die der LED-Chip abgibt, das Siloxan-Material beschädigen. Auch dies beeinträchtigt die Lichtdurchlässigkeit. Somit gilt: Je höher der Ansteuerstrom (Treiberstrom), desto mehr Licht gibt eine LED ab und desto schneller nimmt die Lichtleistung ab. Ein hoher Treiberstrom erhöht zudem die Betriebstemperatur und verschärft das Problem. High-Power-LED-Leuchten und Modelle im mittleren Leistungsbereich nutzen Vergusssysteme aus Siloxan. Es gibt jedoch einen Unterschied: Bei High-Power-Leuchten kommen in der Regel Keramiksubstrate zum Einsatz, bei Modellen im mittleren Leistungsbereich dagegen Polyphthalamid-Polymere (PPA). Diese reagieren noch sensibler auf Hitze und Photonen als Silikon und dunkeln schneller nach.

Das ist vor allem deshalb problematisch, weil ein Großteil des Lichts, den LEDs in Kunststoff-Gehäusen abgeben, von der Innenseite des Gehäuses reflektiert wird. Das wiederum beschleunigt den Verfärbungsvorgang und die Abnahme der Lichtleistung. Damit kommen LED-Leuchten dieser Kategorie nur für Anwendungen in Betracht, bei denen der Lichtstromerhalt eine untergeordnete Rolle spielt. Um die richtigen LEDs für spezielle Anwendungen auszuwählen, müssen Entwickler von Beleuchtungssystemen daher berücksichtigen, wie LED-Komponenten aufgebaut sind, wie sie auf bestimmte Umgebungsbedingungen reagieren und welche Lumen-Leistung langfristig gewünscht beziehungsweise erforderlich ist.

Mithilfe von TM-21 den Lichtstromerhalt abschätzen

Im Rahmen eines LM-80-Tests müssen mindestens 6.000 Teststunden absolviert werden. Erst dann lässt sich auf Grundlage der Ergebnisse eine valide Prognose über den Lichtstromerhalt (Rated Lumen Maintenance Life, LP) einer LED abgeben. TM-21 gibt vor, dass aus den Daten, die an einem Messpunkt anfallen, Durchschnittswerte gebildet und diese auf den Wert 1 oder 100 Prozent zum Zeitpunkt 0 normalisiert werden.

Anschließend werden die Durchschnittswerte, die für alle Datenpunkte zwischen der 1000sten und 6000sten Teststunde anfallen, in eine exponentielle Kleinste-Quadrate-Kurve überführt. Diese lässt sich bis zu dem Punkt weiterführen, an dem sie den gewünschten LP-Wert schneidet. Für die Berechnung der LP-Werte kann auch die Gleichung der Exponentialkurve herangezogen werden. Eine Vorgabe von TM-21 ist, dass der LP-Wert, der auf Basis eines bestimmten Datensatzes ermittelt wurde, maximal das Sechsfache des Testzeitraums umfasst. Das heißt, der maximale LP-Wert kann nur mit > 36.000 Stunden angegeben werden, also 6 x 6000 Stunden.

Im Beispiel in Bild 2 berücksichtigt die Exponentialkurve alle Datenpunkte zwischen 1.000 und 6.000 Stunden. Die errechnete L-85-Lebensdauer einer LED-Leuchte beträgt 23.000 Stunden, die auf Basis von L70 dagegen 50.000 Stunden. Dennoch darf der Hersteller nur > 36.000 Stunden angeben, weil der Testzeitraum 6.000 Stunden betrug. Da der hochgerechnete L85-Lifetime-Wert mit 23.200 Stunden unter dem von 36.000 Stunden liegt, ist es zulässig, den tatsächlichen L85-Wert anzugeben.

Bei LM-80-Resulaten, die mithilfe des TM-21-Verfahrens errechnet wurden, ist eine spezielle Nomenklatur erforderlich: Sowohl die LP-Werte als auch der komplette Testzeitrahmen werden angegeben. Für den Datensatz in Bild 2 heißt das:

  • L85(6k) Lifetime = 23.200 Stunden
  • L70(6k) Lifetime > 36.000 Stunden

Werden LM-80-Tests fortgeführt, fallen weitere Messdaten an. Wurde eine Testperiode von 6000 bis 10.000 Stunden absolviert, werden für die Exponentialkurve nur die Durchschnittswerte der letzten 5.000 Stunden für die Auswertung herangezogen. Der Grund ist, dass sich im Lauf des Testvorgangs die Abnahme der Lumen-Werte einer LED häufig verlangsamt. Dies kann dazu führen, dass die LP-Werte höher veranschlagt werden. Das Bild 3 zeigt Messungen desselben Datensatzes wie in Bild 2, allerdings nach 10.000 Teststunden. In diesem Fall ist gemäß TM-21 die im Testreport aufgeführte L70-Lebensdauer einer Leuchtdiode auf das Sechsfache der Testdauer beschränkt. Für den vorliegenden Datensatz ergeben sich:

  • L85(10k) Lifetime = 28.500 Stunden
  • L70(10k) Lifetime > 60.000 Stunden

Bei LM-80-Untersuchungen von mehr als 10.000 Stunden werden für die Exponentialkurve die letzten 50 Prozent der Datenpunkte herangezogen. Das heißt beispielsweise, dass bei Testläufen von 12.000 Stunden die Resultate der letzten 6000 Stunden (10.000 h/2 = 6000) gelten. In allen gezeigten Fällen wird für die Ermittlung des LP-Wertes ebenfalls das Sechsfache der Werte berücksichtigt.

* Mitch Sayers ist EMEA Field Application Engineer Cree Europe in Garching bei München.

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