schüex bayern

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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
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