LED-Beleuchtungsdesign Zuverlässige LED-Beleuchtungen – ein praktischer Leitfaden

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Wann ist ein LED-Beleuchtungssystem zuverlässig und sind die Kernkomponenten nur die LED und der Treiber? Wo liegt der Unterschied zwischen MTFB und Lebensdauer? Wir geben Ihnen Antworten.

Als typische Angabe für die Lebensdauer einer LED findet man oft den Wert 50.000 Stunden. Bedeutet das zwangsläufig, dass das Beleuchtungssystem nach ungefähr sechse Jahren ausfällt? Die Antwort ist nicht ganz einfach. Denn es ist entscheidend, wie man den Ausfall des Systems betrachtet.

Als Design Lifetime eines Beleuchtungssystems wird üblicherweise jener Zeitraum definiert, bis das System nur noch eine bestimmte Helligkeit aufweist. Die Kurve im Bild zeigt eine Lebendauerkurve L70, was auf die anfängliche Lichtleistung bezogen 70% entspricht..

Eine weitere Angabe bezieht sich auf den prozentuellen Ausfall einzelner LEDs, beispielsweise innerhalb eines Arrays. Die Angabe B10 bedeutet beispielsweise, dass innerhalb der definierten Lebensdauer maximal 10% der LEDs ausfallen dürfen. In beiden Fällen kommt es jedoch zu keinem Totalausfall.

Von Steckverbindungen und ungenügender Wärmeabfuhr

Völlig anders ist die Situation aber, wenn tatsächlich eine Komponente des Gesamtsystems defekt wird. Das Bild zeigt ein typisches Beleuchtungssystem mit seinen Bestandteilen. Es genügt dabei schon der Ausfall einer einzigen Komponente, um einen Totalausfall des Gesamtsystems herbeizuführen.

Sehr oft ist dabei die Ursache nicht die LED oder der Treiber, sondern ein Problem, dem im Vorfeld weniger Beachtung geschenkt wurde. Typische Beispiele hierfür sind schlechte Steckverbindungen oder eine ungenügende Wärmeabfuhr durch mangelhaften Einbau.

Im Zusammenhang mit der Lebensdauer eines Beleuchtungssystems fällt oft der Begriff MTBF, was für Mean Time Between Failure steht. Was sagt das aus? Ihre Bedeutung lässt sich am einfachsten anhand der sogenannten „Badewannenkurve“ verdeutlichen. Diese gliedert sich in drei Bereiche:

• die frühzeitigen Ausfälle,

• die übliche Lebenserwartung und

• den End-of-Life-Abschnitt

Die MTBF deckt hierbei allerdings nur den mittleren Bereich ab. Sie spart sowohl die Kinderkrankheiten als auch die Alterungseffekte aus. Ein einfaches Beispiel zeigt recht deutlich, dass MTBF und Lebensdauer nicht miteinander verwechselt werden dürfen.

Die MTBF eines 25-jährigen Menschen (MTBF(25)) würde demnach 800 Jahre betragen. Dass dies nicht der realen Lebenserwartung entspricht ist vollkommen klar. Aber warum kommt man zu diesem Ergebnis? Das ist einfach erklärt. Ein 25-Jähriger befindet sich im flachen zweiten Abschnitt der Badewannenkurve. Daher ist sein Tod (Ausfall) nicht zu erwarten und somit rein zufällig, wie bei einem Unfall.

Aus diesem Grund bewegen sich die MTBF-Werte von LED-Treibern üblicherweise in der Größenordnung von 600.000 Stunden. Doch niemand wird ernsthaft davon ausgehen, dass ein Ausfall erst nach rund 68 Jahren zu erwarten ist.

Design Lifetime und die tatsächliche Lebenserwartung

Das Beispiel zeigt, dass nur ein real getesteter Wert wie die Design Lifetime eine Aussage über die tatsächliche Lebenserwartung treffen kann. Eine theoretische Angabe, wie sie die MTBF darstellt, ist dagegen ein guter Indikator für die Zuverlässigkeit des Systems.

Vor allem die Design Lifetime ist die Basis für eine seriöse Aussage über den Garantiezeitraums. Recom ist so beispielsweise in der Lage, fünf Jahre Garantie auf seine LED-Treiber zu geben.

Die Kalkulation der MTBF erfolgt nach der folgenden Formel:

λ_SSL = λ_LED + λ_DRIVER + λ_OPTICS + λ_CONNETORS

Zur Ermittlung der MTBF des Gesamtsystems müssen die MTBF-Werte der einzelnen Komponenten bekannt sein. Diese Werte können in verschiedenen Datenbanken nachgeschlagen werden. Eine der Bekanntesten ist dabei sicherlich das Military Handbook 217, Version F (MIL HDBK 217F), das von den meisten Herstellern verwendet wird.

So lässt sich die Zuverlässigkeit eines Systems bereits in der Designphase recht einfach abschätzen. Um MTBF-Angaben sinnvoll verwenden zu können, muss zuerst die gewünschte Ausfallwahrscheinlichkeit des Beleuchtungssystems innerhalb eines bestimmten Zeitraums definiert werden. Zum Beispiel:

• 2% Ausfallrate pro Jahr: MTBF = 438.000 Stunden (8760 Std. / 2%)

• 5% Ausfallrate innerhalb von 5 Jahren: MTBF = 876.000 Std. (5x 8760 Std. / 5%)

Dieser berechnete Wert kann dann mit den MTBF-Angaben in den jeweiligen Datenblättern verglichen werden.

Wie sich die Temperatur auf die LED auswirkt

Einen weiteren wichtigen Faktor für die Berechnung des MTBFs stellt die Temperatur dar. Anhand der Arrhenius-Gleichung kann der Zusammenhang zwischen chemischer Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur dargestellt werden.

Für die Elektronik lässt daraus eine beschleunigte Ausfallhäufigkeit über die Temperatur ableiten. Anhand dieser Formel ergeben sich die in Tabelle dargestellten Beschleunigungsfaktoren. Als Referenztemperatur wurde diesem Beispiel 25 °C zugrunde gelegt. Somit ergibt sich folgende Faustformel: Eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C verringert die Lebenserwartung um die Hälfte.

Für ein Beleuchtungssystem ist eine maximale Fehlerrate von 5% pro Jahr bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C gefordert.

• MTBF(25 °C) = 8760 Std. / 5% = 175.000 Stunden

• MTBF(40 °C) = MTBF(25°C) x Beschleunigungsfaktor (3) = 526.000 Stunden

Das bedeutet, dass die auszuwählenden Komponenten eine MTBF von mindestens 526.000 Stunden aufweisen müssen, um die gewünschte Zuverlässigkeit gewährleisten zu können.

Ändert sich nun aber die Spezifikation für dieses System und die geforderte Umgebungstemperatur wird auf beispielsweise 50 °C erhöht, bedeutet dies für den notwendigen MTBF-Wert folgendes: MTBF (50 °C) = MTBF (25 °C) x Beschleunigungsfaktor (6) = 1.050.000 Stunden.

Zusammenfassend entsteht jetzt allerdings der Eindruck, dass die Entwicklung eines LED-Beleuchtungssystems ein äußerst komplexes Vorhaben darstellt. Bis zu einem gewissen Grad ist es das. Doch wer sich mit den wichtigsten Grundbegriffen auskennt und einige elementare Grundlagen berücksichtigt, wird diese Herausforderung sicher erfolgreich meistern können. Generell gilt: Auf eine sorgfältige Konzeption und die Auswahl der richtigen Komponenten kommt es an. Denn das Gesamtsystem ist immer nur so gut wie sein schwächstes Glied.

* Thomas Rechlin ist FAE für Europa bei Recom Electronic in Gmunden, Österreich

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