THERMOMANAGEMENT

LED Thermomanagement Auswirkungen auf Lichtqualität und Lebensqualität

Thermomanagement in Kürze:

Das Thermomanagement bei LEDs ist entscheidend für die Lichtqualität und Lebensdauer. LED-Chips entwickeln im Laufe der Zeit Störstellen, was zur Degradation führt, d.h., die Lichtleistung nimmt kontinuierlich ab. Die Nutzlebensdauer von LEDs hängt von Betriebsstunden und Faktoren wie Temperatur, Stromversorgung und Materialqualität ab und wird unabhängig vom Garantiezeitraum betrachtet.

Degradation

Im Laufe des gewöhnlichen Alterungsprozesses eines LED Chips entstehen am Halbleiterkristall Störstellen. Die zunehmende Anzahl an Störstellen führt zu einer nicht linearen Abnahme der Lichtleistung des LED Leuchtmittels bzw. der LED Leuchte mit integriertem LED Chip. Diesen Lichtstromrückgang nennt man Degradation.

Im Gegensatz zu konventionellen Leuchtmitteln, die nach Ablauf ihrer Lebensdauer plötzlich ausfallen, verlieren LED kontinuierlich an Lichtstrom und leuchten dementsprechend immer weniger hell. Darum spricht man bei LEDs nicht von Lebensdauer sondern von Nenn- bzw. Nutzlebensdauer (bestimmter Mindest-Lichtstrom zu einem definierten Zeitpunkt).

Nutzlebensdauer = Betriebsstunden = Zeitraum in welcher die Beleuchtungslösung mit der noch zur Verfügung stehenden Lichtleistung (nimmt mit den Jahren ab) noch sinnvoll genutzt werden kann.

Hintergrund: Bei vielen Projekten und Ausschreibungen wird für Produkte eine Nutzlebensdauer von mindestens 50.000 Stunden unter dem Aspekt L80|Bxx gefordert.

Nutzlebensdauer versus Garantie

Die Nutzlebensdauer bezieht sich marktüblich auf den eingesetzten LED-Chip und dessen Bestromung. Sie ist unabhängig vom Garantiezeitraum zu sehen, welcher am Tag der Lieferung + 10 Tage von uns an den Kunden beginnt.

Garantieanspruch besteht ausschließlich innerhalb des Garantiezeitraums und unabhängig davon, ob das Produkt 30.000 Stunden in Betrieb war oder bislang noch gar nie in Betrieb genommen wurde!

Die Lebensdauer von LEDs wird maßgeblich von folgenden Faktoren beeinflusst:

Betriebs- und Umgebungstemperaturen
Stromversorgung (Treiberstrom)
Herstellungsprozess der LED Chips
LED Chip-Komponenten und eingesetzte Materialien
Elektronik
Beschaffenheit und chemische Zusammensetzung des Silikons, das im LED Chip als Linse dient
Qualität des eingesetzten Phosphors sowie das Verfahren, mit dem es aufgebracht wird

Künstlicher Alterungsprozess im Dauertestbetrieb

Zunächst wird der Lichtstrom eines LED Leuchtmittels bzw. der Leuchte mit integriertem Leuchtmittel (fest verbaut) in der Ulbrichtkugel gemessen. Danach folgt ein Dauertestbetrieb mit 6.000 Stunden in einer Klimakammer mit gleichbleibender Umgebungstemperatur. Die LEDs werden dabei zur Simulation des Alterungsprozesses konstanten Temperaturen von 55° C, 85° C sowie einer vom Hersteller frei wählbaren ausgesetzt (bei ISOLED® 25° C). Mindestens alle 1.000 Stunden werden Stichproben für Zwischenmessungen des Lichtstromes gezogen.

Die während des Dauertestbetriebes ermittelten Werte bilden die Grundlage für die weiteren Berechnungen der validen Prognose über den Lichtstromerhalt mittels TM-21 Verfahren. Trägt man wie im TM-21 Verfahren vorgeschrieben die Durchschnittswerte aus den verschiedenen Messdaten in das xy-Koordinatensystem ein, dann ergeben sie eine Exponentialkurve (x = Betriebsstunden; y = Lichtstrom in %).

Prüfverfahren zur Klassifizierung der Nennlebensdauer von LEDs (LM-80, TM-21)

Die Nennlebensdauer der ISOLED® Leuchtmittel und Leuchten wird mit dem herstellerunabhängigen LM-80 Verfahren bzw. nach der TM-21 Norm ermittelt und festgelegt.

Das LM-80 Verfahren ist ein genormter Industriestandard, mit dem man die Lichtstromabnahme bei LED Leuchtmitteln und LED Leuchten ermittelt. Dieses Verfahren gibt detailliert vor, wie und unter welchen Bedingungen (vor allem definierte Umgebungstemperaturen) Leuchtmittel getestet werden müssen, um valide Vergleichsdaten für die Berechnung der Nennlebensdauer mittels TM-21 Verfahren zur Verfügung stellen zu können.

TM-21 Verfahren

Lichtstromverlust unter Einfluss unterschiedlicher Umgebungstemperatur Messergebnisse beziehen sich auf die Nennlebensdauer von 25.000 Betriebsstunden ISOLED® Qualitätsstandard ist L70(6K)/B10

Ermittlung der Nutzlebensdauer

Bei Entwicklung eines Chip-Typs wird vom Chip-Produzenten mittels TM21 bzw. LM80 Verfahren dessen Nutzlebensdauer über einen Testzeitraum von mind. 3000 bis max. 9000 Stunden ermittelt und die bereits nach dieser „kurzen“ Zeit des Deratings (Alterungs-Prozess) gemessenen Werte logarithmisch hochgerechnet.

Wir geben bis dato die Nutzlebensdauer unserer Produkte auf deren Verpackung, im Katalog und im Shop unter dem Aspekt L70|B10 an.

Das heißt wir fragen den Chip-Produzenten nach wie vielen Betriebsstunden 10% der im Test befindlichen Exemplare einen Lichtstrom (=Lumen) von nur noch unter 70% des ursprünglichen Wertes aufweisen … und somit 90% noch über 70% des ursprünglichen Lumen-Wertes haben.

Die Nutzlebensdauer lässt sich mit einer Formel auf die anderen Aspekte (Betrachtungsweisen) umrechnen.

Ab dem Katalog 2024 und Zug um Zug auf den Verpackungen neuerer Produktionschargen orientieren wir uns im nächsten Jahr an der EU und ihrer Ökodesign-Verordnung 2019/2020 in welcher unter „Lebensdauer“ eine Angabe unter dem Aspekt L70|B50 verstanden wird.

Wenn sodann angegeben ist, wann 50% der Exemplare nach dem angegebenen Zeitraum einen Lichtstrom unter 70% der ursprünglichen Leistung aufweisen liegt die aufgedruckte Stundenangabe naturgemäß höher als beim aktuell L70|B10 Gesichtspunkt – ob eine solche Angabe zielführend ist und die Beleuchtungslösung mit einem derart verminderten Lichtstrom wirklich bis zum Ende dieses Zeitraumes noch sinnvoll genutzt werden kann, darüber lässt sich bei einer Angabe mit L70|B50 streiten.

Bis es so weit ist, finden sich auf den Datenblättern unserer Artikel die Nutzlebensdauerangaben zu 6 unterschiedlichen Aspekten:

Das TM-21-Verfahren zur Ermittlung der Nutzlebensdauer von LED-Leuchtmitteln ist nach wie vor gültig, wurde jedoch durch Updates weiterentwickelt. Der aktuellste Standard ist ANSI/IES TM-21-21. Dieser wurde überarbeitet, um die Formeln zur Berechnung der Lichtstromerhaltung weiter zu verfeinern.

TM-21 projiziert die Lichtstromerhaltung basierend auf LM-80-Daten, die über mindestens 6.000 Stunden erhoben wurden. Es bietet eine standardisierte Methode, um die voraussichtliche Lebensdauer von LEDs bei verschiedenen Temperaturen und Betriebsströmen vorherzusagen. Die neuesten Revisionen des TM-21-Standards, einschließlich TM-21-19 und TM-21-21, haben zusätzliche Interpolationsmethoden eingeführt, um die Genauigkeit der Projektionen zu verbessern, insbesondere wenn die Betriebstemperatur und der Strom nicht exakt mit den LM-80-Testbedingungen übereinstimmen.

Anmerkung
Die errechnete Nutzlebensdauer darf maximal das Sechsfache des Dauertest-Zeitraumes betragen. Andernfalls muss die Testdauer verlängert werden. Z. B. Um eine Nennlebensdauer von 50.000 h gemäß LM-80 Test angeben zu dürfen, muss ein Dauertest-Betrieb mit min. 8.333 Stunden durchgeführt werden.

Bei ISOLED® gilt L80/B50!

Der ISOLED® Qualitätsstandard für die Lebensdauer von LED Leuchtmitteln/Leuchten lautet L80/B50. Dieser Wert besagt,

(L80) dass der Lichtstrom (Lumen) eines LED Leuchtmittels/Leuchte am Ende der angegebenen Nennlebensdauer (Angabe im Produktdatenblatt) nicht unter 50 % des definierten Leistungswertes sinkt.

Beispiel: E27 LED Birne 8 W | 1.000 Lumen | Betriebsstunden lt. Datenblatt: 20.000 h

Nach Ablauf der 20.000 Betriebsstunden geben 100 % dieser E27 LED Birnen noch mindestens 700 Lumen an Lichtstrom ab. Mindestens 90 % aller Artikel dieses Produkttyps liegen mit ihrer Leistung noch deutlich darüber und erzeugen mehr als 700 Lumen.

So können Sie die Nutzlebensdauer von LED-Leuchten verbessern

Volle Nennlebensdauer bei richtigem Thermomanagement

1. Die Herstellerangaben in Bezug auf Umgebungstemperatur-Grenzbereiche beachten und EINHALTEN!

2. Auf ausreichend natürliche Luftzirkulation (Konvektion) achten!

a. Geschlossene LED Leuchten: die warme Luft muss idealerweise durch eine Öffnung nach oben austreten können oder über eine integrierte Wärmeleitbrücke oder Kühlkörper abgeführt werden. Abstand von Leuchtmittel und Gehäuse entsprechend den Herstellangaben einhalten. Die Rückseiten integrierter Kühlkörper nicht verdecken!

b. LED Einbauleuchten in der Bausubstanz oder Zwischendecken: ausreichend Freiraum zwischen rückseitigen Kühlkörper und Bausubstanz für den Wärmeaustausch einkalkulieren – KEINESFALLS mit Dämmstoffen oder anderen Materialien bedecken!

3. Anhaltende direkte und indirekte (über Reflektoren wie spiegelnde Metall- oder Glasoberflächen) Sonneneinstrahlung vermeiden!

Anmerkung: Physikalische Spätfolgen

Kurioserweise können sich die bei zu hoher Temperatur entstandenen physikalischen Schäden und Beeinträchtigungen an dem LED Leuchtmittel/der Leuchte (z. B. Defekte im Dielektrikum der verbauten Kondensatoren) unter Umständen auch erst bei Minustemperaturen bemerkbar machen. Die Leuchtmittel können zu blinken beginnen, da sich der Durchlasswiderstand der Kondensatoren und ICs geändert haben kann.

Natürliche Konvektion und Kühlung

LED Chips sowie die gesamte Elektronik eines LED Leuchtmittels/Leuchte erzeugen während des Betriebes Wärme. Teilweise werden im Inneren einer geschlossenen Leuchte auch im Fall einer intelligenten/effizienten Wärmeableitung durch z. B. einen integrierten Kühlk.rper Temperaturen von bis zu 70° C erreicht.

Im Außenbereich können LED Leuchten auch im ausgeschalteten Zustand z. B. an sonnigen Tagen Innentemperaturen von mehr als 80° C erreichen. Sie sind den externen Einflüssen wie Außen-Lufttemperatur sowie direkter und indirekter (durch Metall-, Glas- und andere reflektierende Flächen) Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Das Metall-/Glasgehäuse wird somit noch stärker erwärmt.

Werden LED Leuchtmittel bei zu hoher oder aber auch zu niedriger Umgebungstemperatur betrieben, geht dies erheblich zu Lasten der Leistung, Lichtfarbe und natürlich Lebensdauer! Besonders die in LED Leuchtmitteln typischerweise verbauten Leuchtdioden, Elektrolytkondensatoren sowie Treiber-ICS leiden darunter.

In jedem Fall muss für eine natürliche Luftzirkulation oder eine Kühlung zur Erhaltung eines ausgewogenen Thermohaushalts gesorgt werden!

Häufige Auswirkungen infolge zu hoher Umgebungstemperatur

Vermehrtes Flickern (unterbewusst wahrnehmbar)
Sichtbares Blinken (bewusst wahrnehmbar)
Hörbares Surren
Massive Verschlechterung der Farbwiedergabe (CRI-Wert fällt)
Farbortverschiebung (die Farbtemperatur wird deutlich kälter)
Höhere Einschaltströme
Verschlechtertes Dimmverhalten
Teilweiser bis vollständiger Ausfall von LED
Chips
Durchbrennen von LED Chips

Diese negativen Effekte können bereits nach kürzester Betriebszeit auftreten.

Beachten Sie deshalb unsere empfohlenen Umgebungstemperaturen in den Datenblättern!

Sowohl im Rahmen der obligatorischen QS-Tests als auch zur Klassifizierung der Nennlebensdauer werden bei ISOLED® sämtliche LED Leuchtmittel/Leuchten mit integriertem LED Chip in einer der beiden Ulbrichtkugeln (Durchmesser 0,5 m und 1,7 m) gemessen.

ISOLED® Empfehlung für die optimale Nutzlebensdauer von LED-Leuchten

Doppelte Höhe | Dreifacher Durchmesser

Nutzlebensdauer-Umrechner

So viele B% der gelieferten Exemplare weisen nach den angegebenen Betriebsstunden h (=Nutzlebensdauer) einen Lichtstrom auf, der sich unterhalb von L% der ursprünglichen Lumen befindet.

Betriebsstunden (h):

Ergebnisse:

U_stundenL70B50:

U_stundenL80B10:

U_stundenL80B50:

U_stundenL90B10:

U_stundenL90B50:

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