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DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht SCHÜEX BAYERN Untersuchung der Ausfallgründe von LED-Leuchtmitteln und Ableitung von Gegenmaßnahmen Tobias Harand Schule: Ignaz-Taschner-Gymnasium Dachau Jugend forscht 2014 Untersuchung der Ausfallgründe von LED-Leuchtmitteln und Ableitung von Gegenmaßnahmen Tobias Vogel (13) Schüler experimentieren 2014 Kurzfassung Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand darin, LED-Leuchtmittel auf ihre Schwachstellen und Fehleranfälligkeiten zu untersuchen. Insgesamt wurden zehn verschiedene Lampen untersucht, indem die Leuchtdioden auf ihre Funktionsfähigkeit getestet und die Bauteile der Vorschaltelektronik im Detail analysiert wurden. Resultat der Untersuchungen sind die folgenden zwei Ausfallgründe. Als Schwachstelle der Vorschaltgeräte erwies sich sowohl im Kondensatornetzteil als auch im Schaltnetzteil der Glättungskondensator, welcher zumeist ein Elektrolytkondensator ist. Weitere Bauteile, die zum Defekt führen können, sind bei den Kondensatornetzteilen der Kondensator zur Spannungsteilung sowie eventuell verbaute Zinnoxid-Varistoren. Mögliche Abhilfemaßnahmen sind die Verwendung von temperaturfesteren Kondensatoren mit einem möglichst kleinen ESR (Equivalent Series Resistance). Bei den LEDs ist auf eine gute Kühlung und auf die Verwendung von besser geeigneten Materialkombinationen zu achten. 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung............................................................................................................................ 4 2 Vorgehensweise, Methoden und Materialien.......................................................................4 2.1 Ablauf............................................................................................................................... 4 2.2 Kennzahlen und Funktionsweise......................................................................................5 2.2.1 Aufbauarten der Vorschaltelektronik.....................................................................6 2.2.2 Kondensatornetzteil..............................................................................................6 2.2.3 Schaltnetzteil........................................................................................................7 3 Ergebnisse.......................................................................................................................... 8 3.1 Untersuchung der LED-Lampe ,,LIGHTME LM 85232 “...................................................8 3.2 Untersuchung der LED-Lampe ,,ECOLINE SUZA“ ........................................................10 3.3 Untersuchung der LED-Lampe „IKEA“...........................................................................12 3.4 Untersuchung der LED-Lampe „sebson“.......................................................................13 3.5 Untersuchung der LED-Lampen „LEDteile“...................................................................14 3.6 Übersicht der untersuchten LED-Leuchtmittel................................................................16 3.7 Simulation eines gealterten Kondensators.....................................................................17 4 Diskussion......................................................................................................................... 17 5 Zusammenfassung............................................................................................................18 3 1 Einleitung Vor 2007 wurden hauptsächlich Glühlampen, Halogenlampen, Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren zur Beleuchtung verwendet. Seitdem kommen immer mehr LEDLeuchtmittel auf den Markt, unter anderem, weil ihre Fertigung zu geringeren Herstellungspreisen möglich wurde. Zudem fördert das Verkaufsverbot für konventionelle Glühlampen die Anschaffung von effizienteren Lichtquellen Weiterhin kaufen viele Leute keine Energiesparlampen, weil sie Angst vor Quecksilber haben. Die Vorteile der LED-Lampen liegen in einer langen Lebensdauer von 15000 bis 50000 Stunden und der hohen Lichtausbeute von durchschnittlich 40lm/W bis 140lm/W. Vergleichsweise hat eine Glühlampe eine Lichtausbeute von 7lm/W (bei 15W) bis zu 15lm/W (bei 100W) , Energiesparlampen erreichen eine Lichtausbeute von etwa 50 bis 70 lm/W. In unserem Haushalt haben wir schon mehrere LED-Lampen in Verwendung. Als eine davon nicht mehr funktionierte, wollte ich wissen warum. Eigentlich müsste eine LED-Lampe viele Jahre problemlos funktionieren, auch bei häufiger Benutzung. Ich zerlegte sie daher und bemerkte, dass nur die Vorschaltelektronik defekt war. Die LEDs selber waren noch funktionsfähig. Darum wollte ich an mehreren Lampen den Grund für deren Defekt analysieren und herausfinden, ob die LED-Lampe hätte länger leben können sowie ob die LEDs länger leben als deren Vorschaltelektronik. 2 Vorgehensweise, Methoden und Materialien 2.1 Ablauf Zu Beginn meiner Arbeit habe ich im Internet Recherchen zum Aufbau von LED-Leuchtmitteln durchgeführt und eine erste Lampe in ihre Bestandteile zerlegt. Meine Überlegungen, woher ich defekte LED-Leuchtmittel bekommen kann, führten mich zum Wertstoffhof Dachau, wo ich nach Genehmigung durch das Amt für Abfallwirtschaft regelmäßig nach defekten LED-Leuchtmitteln suchen durfte. Anschließend analysierte ich von 10 LED-Lampen deren Bestandteile hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit. Ich zeichnete zu einigen den Schaltplan der Vorschaltelektronik. Weiterhin führte ich an Bauteilen der Vorschaltelektronik und den LEDs mittels elektronischer Messinstrumente Messungen durch und fotografierte die wichtigsten Bauteile. Messungen bei gefährlichen Spannungen führte mein Vater für mich durch, der Diplomingenieur für Elektrotechnik ist. Anhand der aufgezeichneten Messdaten zog ich Rückschlüsse auf die Ursache des Defektes jeder einzelnen LED-Lampe. 4 Den Abschluss meiner Untersuchung bildete die Erkenntnis, welche Schwachstellen und Fehleranfälligkeiten die untersuchten LED Leuchtmittel besitzen. 2.2 Kennzahlen und Funktionsweise Ein LED-Leuchtmittel ist gekennzeichnet durch Parameter wie Betriebspannung, Leistung, Lichtleistung und Lebensdauer. Bei der Versorgungs-Spannung kommen im wesentlichen Netzspannung (Europa: ~220 V) und die Spannung von Halogenlampen (~12V) zum Einsatz. Die Leistung von LED-Lampen wird in Watt (W) angegeben und liegt im Bereich von 0,5 bis 15 W. Höhere Leistungen und damit Lichtstärken sind aufgrund der steigenden Anforderungen an die Kühlung schwerer zu realisieren. Falls ein Kühlkörper in der Lampe enthalten ist, besteht er zumeist aus Aluminium oder Keramik. Die Lichtleistung von LED-Leuchtmitteln wird in der Einheit Lumen (lm) angegeben. Eine Glühlampe von 60 Watt liefert ungefähr eine Lichtleistung von 800 lm. Eine LED-Lampe mit 800lm Lichtleistung benötigt ca. 10W elektrische Leistung. Damit ergibt sich hier eine rechnerische Lichtausbeute von 80 lm/W. Der theoretisch mögliche Maximalwert liegt bei ca. 350 lm/W (100 % Strahlungsleistung) bei 6600K Farbtemperatur. Mittlerweile wird in der Forschung eine Lichtausbeute von über 270 lm/W erreicht. Die maximale Ausbeute ist von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen LEDs (Farbtemperatur ca. 3000K) ist der erreichbare Wert geringer als bei kaltweißen LEDs mit Farbtemperaturen von ca. 6000K. Mit steigendem Alter einer LED-Lampe lässt ihre Lichtleistung nach. Unter Lebensdauer versteht man bei LED-Lampen die Zeit, in der die Lichtleistung noch 70% über der ursprünglichen Lichtleistung ist. Sie wird in Stunden (h) angegeben. Eine LED-Lampe besteht aus Fassung, Leuchtdioden, die auf einem Kühlkörper, sofern vorhanden, angebracht sind, einer Vorschaltelektronik sowie dem Gehäuse. Untersucht wurden ausschließlich sogenannte Retrofitlampen. Sie versuchen, herkömmliche Glüh-lampen in ihrer Form nachzuahmen und sie haben dieselbe Fassung. Die Fassungen sind handelsübliche genormte Teile, auf die im Rahmen meiner Untersuchung nicht eingegangen werden muss, da keine Auswirkungen auf die Lebensdauer haben. Eine Leuchtdiode (LED) ähnelt physikalisch einer Halbleiterdiode. Sie besteht aus zwei verschiedenen Halbleiterschichten, von denen eine aufgrund von absichtlichen Verunreinigungen positiv, die andere negativ geladen ist. Strom wird nur in einer Richtung durchgelassen. Das heißt, dass Leuchtdioden nur mit Gleichstrom betrieben werden können. LEDs verhalten sich nicht wie ein Ohmscher Widerstand. Das Ohmsche Gesetz R = U/I gilt 5 also nicht. Ihre Eigenschaften werden mittels Strom-Spannungs-Kennlinien beschrieben. Geringe Spannungsschwankungen lassen den Strom stark ansteigen. Deshalb müssen LEDs idealer-weise mit konstantem Strom betrieben werden. Anderenfalls würde die LED zu heiß und bald funktionsunfähig werden. Möglichkeiten zur Strombegrenzung sind ein LED-Vorwiderstand oder eine elektronische Konstantstromquelle. Weitergehende Informationen sind unter dem Internet-Link [ifkp] zu finden. 2.2.1 Aufbauarten der Vorschaltelektronik Die Vorschaltelektronik der LED-Leuchtmittel dient dazu, die Netzspannung von 220 Volt in eine für die Leuchtdioden passende Spannung herunter zu wandeln. Sie besteht aus einer Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen, die Spannung und Strom regeln. Es gibt zwei grundlegende Aufbauarten dieser Schaltung. 2.2.2 Kondensatornetzteil Bei dieser Aufbauart sind viele LEDs in Reihe geschaltet. Da eine LED mit 3-4 Volt betrieben wird, summieren sich die Spannungen der LED. Daraus ergibt sich eine gesamte Betriebsspannung von ca. 40 bis 240 Volt. Um darauf von 220 Volt Netzspannung (gleichgerichtet 320V) herunter zu regeln, eignet sich ein Kondensatornetzteil, da es einfach und platzsparend realisierbar ist. C1 +LEDs N C2 R1 R2 R3 -LEDs L L1 D1;D2;D3;D4 Abbildung 1: Einfacher Schaltplan eines Kondensatornetzteils Der prinzipielle Schaltplan eines Kondensatornetzteils ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Kondensator C1 wirkt im Wechselstrombetrieb als Vorwiderstand für die Leuchtdioden, wandelt jedoch theoretisch keine Energie in Wärme um. Seine Kapazität ist so gewählt, dass er sich während einer Phase nicht komplett über die LEDs aufladen kann. Damit wirkt er als passender Vorwiderstand für die LEDs. R1 begrenzt den Einschaltstrom, der entsteht, wenn sich C1 und C2 aufladen. Sein Wert liegt bei 50 bis 200 Ω. Die Dioden D1 bis D4 richten die Wechselspannung gleich, wobei C2 als Glättungskondensator dient. R2 und R3 entladen die Kondensatoren C1 und C2, sind jedoch nicht unbedingt nötig. Sie haben einen Wert von mehren 100 KΩ. Der größte Vorteil dieser Schaltung besteht in der Einfachheit und damit den geringen Kosten. 6 2.2.3 Schaltnetzteil Die weitere Aufbauart einer LED-Lampe besteht nur aus wenigen einzelnen LEDs. Diese sind in Reihe geschaltet. Wegen der wenigen LEDs ist die benötigte Spannung kleiner (ca. 3V bis 25V) . Um die üblichen Leistungen zu erreichen, muss dafür die Stromstärke höher gewählt werden, denn es gilt P = U·I. Weil der Kondensator im Kondensatornetzteil für so geringe Spannungen und höhere Ströme zu groß wäre, wird hier ein Schaltnetzteil verwendet. Es ähnelt einem herkömmlichen Transformator, jedoch ist die Elektronik deutlich komplizierter. Dabei wird die Spannung gleichgerichtet und geglättet. Danach wird sie von einer speziellen Elektronik wieder in Wechselspannung „zerhackt“ und über einen Transformator geleitet, worauf eine Diode die Wechselspannung gleichrichtet und ein Kondensator sie glättet. Diese Wechselspannung unterscheidet sich von der Wechselspannung des normalen Stromnetzes in der Frequenz und Wellenform. Das Schaltnetzteil hat eine Frequenz von etwa 16kHz (bei dieser Frequenz ist der Wirkungsgrad sehr hoch und der Trafo relativ klein) und eine dreieckige Wellenform. Die Netzspannung weist eine Frequenz von 50Hz und eine sinusförmige Wellenform auf wobei hier der Transformator deutlich größer wäre. Abbildung 2 zeigt einen Schaltplan, in dem der IC tny266P als DCDC-Wandler wirkt. Internetseite [tny] Abbildung 2: Schaltplan eines DCDC-Wandlers, wird mit vorgeschaltetem Gleichrichter zum Netzteil 7 3 Ergebnisse 3.1 Untersuchung der LED-Lampe ,,LIGHTME LM 85232 “ Das Foto in Abbildung 3 zeigt die LED-Lampe „Lightme“, wobei die Glasabdeckung nicht mehr vorhanden ist. Die LED „LIGHTME“ wird mit Netzspannung betrieben. Sie besitzt eine Leistung von 3W, die in eine Lichtleistung von 230 lm umgesetzt wird und hat eine E14-Fassung. Die mittlere Lebensdauer liegt bei 25000 Stunden. Als Kühlkörper dient das Keramikgehäuse. Eine Internetsuche ergab, dass die Nutzlebensdauer zu kurz ist. Die Leuchtdioden befinden sich auf einer Aluminiumplatine, die mit einem Kleber auf dem Keramikkühlkörper befestigt ist. Es werden so genannte COB-LEDs (englisch:chip on board) verwendet. Diese bestehen aus mehren kleinen Leuchtdioden, die in einem Gehäuse verbaut sind. Aufgrund der Reihenschaltung ergibt sich eine Betriebspannung von 6 bis zu 80V. Bei den in dieser Lampe verwendeten Leuchtdioden beträgt sie 15V. Da die COB-LEDs in Reihe geschaltet sind, ergibt sich eine Betriebspannung von 120V. Abbildung 3: Einzelne COB-LEDs mit Aluminiumplatine auf einem Keramikkühlkörper Die LEDs werden mit einem Kondensatornetzteil betrieben, d.h. es liegt VorschaltelektronikAufbauart 1 vor. 8 Abbildung 5 zeigt Fotos des Vorschaltgerätes.Der Schaltplan ist auf Abbildung 4 dargestellt. Wie man sieht, ist der Schaltplan, bis auf die Entstörungsspule L1 identisch mit dem Prinzipschaltplan aus Abbildung 1. C1 +LEDs N R3 R1 R2 -LEDs L L1 D1;D2;D3;D4 Abbildung 4: Schaltplan der LED-Lampe LIGHTME. Werte der Bauteile: C1:0,59μF R1:100Ω R3:120KΩ C2:6,8μF R2:510KΩ L1:3,3mH Als Ursache für den Defekt wirkte sich der netzseitige Kondensator aus, der wahrscheinlich aufgrund von hohen Temperaturen stark an Kapazität verloren hatte und deswegen einen zu geringen Strom lieferte. Abbildung 5: Platinenoberseite mit Spule, Glättungskondensator und defektem Keramikkondensator (links) und Platinenunterseite mit Gleichrichterdioden (rechts) Die kurze Nutzlebensdauer wird in zwei Testberichten der Internetseite [lim] zu LightMe LED LM 85232 bemängelt, wie in Tabelle 1 dargestellt. Stiftung Warentest, Kategorie: Energiesparlampen – LED-Lampen, 10 getestete Note Leuchtmittel (Ausgabe 10/2013 vom 27.09.2013 – 10 getestete Leuchtmittel) Fazit: ausreichend Mit "sehr gut" wurde im Test die Einschaltzeit und die Farbwiedergabe bewertet. (3,8) Beanstandet wurde die Nutzlebensdauer. Konsument, Kategorie: LED-Lampen (Ausgabe 11/2013 vom 24.10.2013 – 10 getestete Leuchtmittel) Fazit: Die lichttechnischen Eigenschaften und die Haltbarkeit 34/100 Punkte konnten im Test punkten. Negativ fiel die Nutzlebensdauer auf. Tabelle 1: Auszug Testberichte LED-Leuchtmittel 9 3.2 Untersuchung der LED-Lampe ,,ECOLINE SUZA“ Abbildung 6: LED Lampe „ECOLINE“ Die LED-Lampe „ECOLINE“ ist in Abbildung 6 dargestellt. Sie wird mit Netzspannung betrieben. Die Leistung ist 4,5W, die damit erreichte Lichtleistung beträgt 250lm. Es liegt eine E14Fassung vor. Die mittlere Lebensdauer ist auf Internetseite [eco] mit 17000h angegeben. Der Kühlkörper besteht aus Aluminimum. Die Leuchtdioden befinden sich auf einer Aluminiumplatine, die mittels Schrauben auf dem Kühlkörper angebracht ist. Als thermischer Übergang dient eine Schicht aus Wärme leitendem Silikon. Auf der Aluminiumplatine befinden sich 17 SMD LEDs, was bei Reihenschaltung zu einer Betriebsspannung von 3,6V•17≈60V führt. Die LEDs werden mit einem Kondensatornetzteil betrieben, d.h. es liegt Vorschaltelektronik-Aufbauart 1 vor. Abbildung 7 und Abbildung 8 zeigen Fotos der der Schaltung. Abbildung 7: Die Oberseite des Vorschaltgeräts 10 Abbildung 8: Die Unterseite des Vorschaltgeräts C1 +LEDs N C3 Ft1 R2 R1 Ru3 U -LEDs C2 L D1;D2;D3;D4 Abbildung 9: Schaltplan Auch hier ähnelt der Schaltplan dem Prinzipschaltplan, wie man in Abbildung 9 sehen kann. Jedoch wurden zwei Kondensatoren C1 und C2 parallel geschaltet, um einen speziellen Wert zu erzielen. Außerdem eine 102°C Temperatursicherung Ft1 (das weiße Bauteil in Abbildung 7) und der Varistor Ru3 (das blaue Bauteil in Abbildung 7) verbaut. Ein Varistor wird ab einer bestimmten Spannung (Schwellspannung) sehr niederohmig, d.h. der Strom durch den Varistor steigt stark an. Diese Eigenschaft wird genutzt, um Spannungsspitzen abfangen. Der verbaute Varistortyp hat den Nachteil, dass er verschleißt. Dabei sinkt seine Schwellspannung und er verschleißt schneller. Da ein Strom durch den Varistor fließt, wird er warm. Wenn der Varistor eine Temperatur von etwas mehr als 100°C erreicht, brennt die Temperatursicherung durch, wodurch die Lampe nicht mehr funktioniert. 11 3.3 Untersuchung der LED-Lampe „IKEA“ Abbildung 10: LED-Lampe IKEA Auf Abbildung 10 ist eine LED-Lampe von IKEA dargestellt. Die Betriebsspannung liegt bei 220V Netzspannung. Die Lampe hat eine Leistung von 4,3 W. Ihre Lichtleistung beträgt 200 lm. Die Lichtausbeute liegt bei 46 lm/Watt, was für eine LED-Lampe wenig ist. Die Farbtemperatur ist stark warmweiß, wie in Abbildung 11 zu sehen ist. Die Lebensdauer ist nicht angegeben. Abbildung 11: Das warmweiße Licht der Lampe sowie die zwei weißen und die rote LED Der Kühlkörper besteht aus Aluminium. Damit ein warm weißes Licht zu erzielt wird, ist auf einer Aluminiumplatine zusätzlich zu zwei weißen LEDs eine rote LED angebracht, wie in Abbildung 11 zu sehen ist. Um die Betriebsspannung der drei in Reihe geschalteten LEDs zu erreichen, wird ein Schaltnetzteil verwendet, siehe Abbildung 12. 12 Der Fehler der Lampe besteht darin, dass sie nicht verlässlich einschaltbar ist. Der Grund für den Defekt ist der hohe ESR der Glättungselektrolytkondensatoren. Alle Leuchtdioden sind funktionsfähig. Abbildung 12: Schaltnetzteil LED-Lampe „IKEA“ 3.4 Untersuchung der LED-Lampe „sebson“ Abbildung 13 : Lampe sebson Die LED-Lampe „sebson“ ist auf Abbildung 13 zu sehen. Die Glasabdeckung war zerstört. Die Betriebsspannung ist 220V Netzspannung. Die Leistung von 2,6W wird in eine Lichtleistung von 230lm umgesetzt. Daraus resultiert eine Lichtausbeute von 88lm/W. Die Lebensdauer beträgt 25000h. Die Besonderheit dieser Lampe besteht darin, dass kein Kühlkörper erforderlich ist, da die Leuchtdioden auf eine größere Fläche verteilt sind. Deshalb wird die Wärme gut an die Umgebung abgegeben. Der Vorteil dieser Aufbauart ist die Erzielung eines hohen Abstrahlwinkels und der Entfall der Notwendigkeit eines Kühlkörpers. 13 Abbildung 14: Oberseite des Netzteils Abbildung 15: Unterseite des Netzteils Da 43 Leuchtdioden verbaut sind, ergibt sich eine Spannung von 43 • 3,3V ≈ 140V. Auf Grund dessen wird ein Kondensatornetzteil verwendet (Abbildungen 14 und 15). Die Analyse der Bauteile ergab, dass alle Bauteile funktionsfähig sind. Im Anschluss daran wurden die Lampe wieder zusammengebaut und auf ihre Funktionsfähigkeit getestet. Sie funktionierte. Es ist zu vermuten, dass auf Grund temperaturbedingter Materialverformungen Wackelkontakte entstanden waren. 3.5 Untersuchung der LED-Lampen „LEDteile“ Abbildung 16: Lampe LEDteile Die Abbildung 16 zeigt eine der 6 gleichen LED-Lampen der Marke LEDteile. Diese Lampen werden mit Netzspannung betrieben. Sie besitzen eine Leistung von 4 Watt die nach der 14 Internetseite [ledt] einem 25 W Halogenstrahler entspricht. Sie haben eine GU10-Fassung. Eine Lebensdauer ist nicht angegeben. Der Kühlkörper besteht aus Aluminimum. Wie bei allen vorherigen Leuchten sind die 4 LEDs auf einer Aluminiumplatine angebracht. Um die Betriebspannung der Leuchtdioden von 3,2V•4꞊13V zu erreichen, wird ein Schaltnetzteil verwendet (Abbildung 17). Abbildung 17: Ober- und Unterseite des Schaltnetzteils der Lampe Abbildung 18:Eine defekte LED ohne Plastiklinse leuchtet, wenn auf sie Druck ausgeübt wird Abbildung 19: Aufbau einer Z-power LED [loe] Abbildung 20: LEDs auf Kühlkörper Die Ursache für den Defekt ist bei allen Lampen eine ausgefallene LED. Aufgrund der Reihenschaltung ist damit der Stromkreis unterbrochen. Es stellte sich heraus, dass alle defek15 ten Leuchtdioden nach dem Entfernen der Plastiklinse spätestens wenn Druck auf die Silikonlinse (Abbildung 19) ausgeübt wird, mindestens kurzzeitig wieder funktionsfähig werden, wie man in Abbildung 18 sehen kann. Bei einigen LEDs trat dieses Phänomen umgekehrt auf. Während der Untersuchungen hörten diese LEDs auf zu funktionieren. Zu dieser Fehlfunktion führten vermutlich mechanische Spannungen, die auf unterschiedliche Temperaturausdehnungen der Materialien der LED am Kühlkörper zurückzuführen sind (Abbildung 20). 3.6 Übersicht der untersuchten LED-Leuchtmittel Für alle untersuchten LED-Leuchtmittel sind in Tabelle 2 die wesentlichen Kennzahlen und Untersuchungsergebnisse zusammengestellt. Marke Technische Daten Netzteiltyp Grund des Ausfalls Funktionsfehler Besonderheit 1 LIGHTME 220V;3W; 230lm;77lm/W Kondensatornetzteil Kondensator kaputt leuchtet schwach 2 ECOLINE 220V;4,5W; 250lm;56lm/W Kondensatornetzteil Varistor verschlissen leuchtet nicht warmweiß; gut gekühlt 3 IKEA 220V;4,3W; 200lm;46lm/W Schaltnetzteil Defekte Elektrolytkondensatoren leuchtet nicht warmweiß; immer 2 blaue+1 rote LED 4 sebson 220V;2,6W; 230lm;88lm/W Kondensatornetzteil Wackelkontakte leuchtet nicht warmweiß; zwischen sehr klein Platine und LED 5 LEDteile 220V;4W Schaltnetzteil LED defekt leuchtet nicht tageslicht-weiß; modularer Aufbau 6 LEDteile 220V;4W Schaltnetzteil LED defekt leuchtet nicht tageslicht-weiß; modularer Aufbau 7 LEDteile 220V;4W Schaltnetzteil LED defekt leuchtet nicht tageslicht-weiß; modularer Aufbau 8 LEDteile 220V;4W Schaltnetzteil LED defekt leuchtet nicht tageslicht-weiß; modularer Aufbau 9 LEDteile 220V;4W Schaltnetzteil LED defekt leuchtet nicht tageslicht-weiß; modularer Aufbau 10 LEDteile 220V;4W Schaltnetzteil LED defekt leuchtet nicht tageslicht-weiß; modularer Aufbau warmweiß; Keramikkühler Tabelle 2: Übersicht der untersuchten LED-Leuchtmittel 16 3.7 Simulation eines gealterten Kondensators Mit dem Programm LTspice wurde die gleichrichtende Wirkung verschiedener Kondensatoren simuliert (Abbildung 21). Die Eingangsspannung ist grün dargestellt. Der Kondensator mit einem hohen ESR hat eine schlechte glättende Wirkung, wie man am roten Graph sehen kann. Im Gegensatz dazu glättet der Kondensator mit einem niedrigen ESR gut, die Ausgangsspannung, mit blauem Graph dargestellt, besitzt eine geringe Restwelligkeit. Der Vorteil besteht darin, dass die LEDs weniger flackern. Das Schaltnetzteil würde mit einer großen Restwelligkeit nicht zurechtkommen. Abbildung 21: Ober- und Unterseite des Schaltnetzteils der Lampe 4 Diskussion Bei allen zehn untersuchten Lampen waren die eigentlichen LEDs noch voll funktionsfähig. Der Fehler lag entweder Vorschaltgerät oder in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Leuchtdioden. Hier führten die Erwärmung von Materialien mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten zu mechanischen Spannungen und damit zu Wackelkontakten zwischen der Platine und den LED-Chips. Da die meisten defekten Lampen vom Wertstoffhof bezogen wurden, ist deren Leuchtzeit nicht mehr feststellbar. Es ist offen, ob die Lampen die angegebene Lebensdauer erreicht haben. Das Ergebnis meiner Untersuchungen zeigt, dass eine noch längere Lebensdauer möglich gewesen wäre, z.B. durch Verwendung temperaturbeständigerer Kondensatoren mit einem möglichst kleinen ESR (Equivalent Series Resistance), Verbesserung der Kühlung der LEDs sowie den Einsatz geeigneterer Materialkombinationen in den LEDs. 17 Auf der Basis der Ergebnisse dieser Arbeit möchte ich in einem Anschlussprojekt konkrete Vorschläge zur Erhöhung der Lebensdauer erarbeiten sowie Schaltungsaufbauten durchführen. 5 Zusammenfassung Das Ziel der Arbeit bestand darin, LED-Leuchtmittel auf ihre Schwachstellen und Fehleranfälligkeiten zu untersuchen. Insgesamt wurden zehn verschiedene Lampen untersucht, indem die Leuchtdioden auf ihre Funktionsfähigkeit getestet wurden und die Bauteile der Vorschaltelektronik im Detail analysiert wurden. Das Ergebnis ist, dass zwei verschiedene Ausfallgründe gefunden wurden. Als Schwachstelle der Vorschaltgeräte haben sich bei dem Kondensatornetzteil der Kondensator zur Spannungsteilung sowie vermutlich verbaute Zinnoxid-Varistoren erwiesen. Ein weiteres Bauteil, das zum Defekt geführt hat, ist der Glättungskondensator im Kondensatornetzteil sowie im Schaltnetzteil, wenn dieser ein Elektrolytkondensator ist. Mögliche Abhilfemaßnahmen sind die Verwendung von temperaturbeständigeren Kondensatoren. Bei den LEDs ist auf eine gute Kühlung und auf die Verwendung von besser geeigneten Materialkombinationen zu achten. 18 Quellen und Literaturverzeichnis [ifkp] http://www.ifkp.tu-berlin.de/fileadmin/i1/Kneissl/IS08_GaN-LED.pdf , 27.12.2013, Toni Sembder, GaN-basierte LEDs: Physikalische Grundlagen und Bauelemente [tny] http://html.alldatasheet.com/html-pdf/139793/POWERINT/TNY266P/2724/7/TNY266P.html , 14.01.2014 Datenblatt des ICs TNY266p [eco] http://www.comsell.de/Details/DPEBSUE127/EcoLine_LED_Kerze_4,5W %3D25W_E14_warmwei%C3%9F, 27.12.2013, Preis und Daten der Lampe [lim] http://www.idealo.de/preisvergleich/OffersOfProduct/4084403_-lightme-led-lm-85232-lightme.html#testberichte, 10.01.2014, Bewertung der LED-Lampe LIGHTME-lm-85232 [ledt] http://www.ledteile.com/led-spots/4w-led-strahler-gu10-warmweiss.html ,18.01.2014, Preis und Daten der Lampe [loe] http://www.loehneysen.de/archiv/2003/led/story.html , 18.01.2014, Ulrich v. Löhneysen, Alles so schön bunt hier: LED macht LCD TV-tauglich 19
