Wie LED-Leuchten Extrembedingungen dauerhaft standhalten

Mit LEDs bestückte Leuchten sind nicht nur besonders energieeffizient und langlebig, sondern gestatten auch ausgesprochen kompakte und robuste Bauformen. Deshalb bieten sich LED-Leuchten fast uneingeschränkt für den weltweiten Einsatz in sämtlichen Industrieumgebungen an. Besondere Anforderungen an die Leuchtenkonstruktion müssen allerdings für den Betrieb unter extremen Temperaturen erfüllt werden, weil die Lebensdauer der Geräte bei großer Hitze oder frostigen Minusgraden sonst stark sinken kann.

Worauf es für die Temperaturbeständigkeit ankommt, erläutert Rico Schulz, Produktmanager Beleuchtungstechnik bei R. Stahl.

Herr Schulz, gemeinhin gilt, dass hohe Temperaturen LED-Leuchten besonders zusetzen. Ab wann wird es den Geräten denn zu heiß?
Rico Schulz: Als Halbleiterbauelemente haben LEDs verschiedene temperaturabhängige Parameter wie Flussspannung, Wellenlänge und Lichtausbeute. Unter Hitze leidet weniger die Lebensdauer der Leuchtdioden selbst, als vielmehr die der integrierten Steuerungselektronik. Dank optimierter Steuerungselektronik verkraften Spitzenprodukte wie unsere LED-Rohrleuchte 6036 aber Temperaturen bis +60 °C ohne Probleme.

Welchen Einfluss hat die Umgebungstemperatur?
Schulz: Je nach Einsatzort sind LED-Leuchten eventuell erheblichen Temperaturen ausgesetzt – etwa im Geräte- und Anlagenbau sowie im Maschinenbau, wo sie beispielsweise in der Nähe von Generatoren installiert werden. Solche Leuchten müssen besonders hitzebeständig konstruiert sein. Aber auch extreme geografische Bedingungen können den Leuchten stark zusetzen. Für solche Einsatzorte müssen die Gehäusematerialien und Dichtungen daher so beschaffen sein, dass sie große Hitze und starke Temperaturschwankungen dauerhaft verkraften. Dies gilt auch für andere umweltbedingte Belastungen durch beispielsweise hohe Luftfeuchte oder UV-Licht.

LED-Rohrleuchten der Baureihe 6036 von R. Stahl verkraften schadlos Temperaturen von -55 °C bis +60 °C.Welche Rolle spielen die thermischen Faktoren für die Gehäusekonstruktion?
Schulz: In mit herkömmlichen Leuchtstofflampen betriebenen Geräten fungiert Luft als thermischer Isolator. Deshalb werden Leuchtstoffröhren zur Begrenzung der Oberflächentemperatur am besten in Gehäuse mit großem Luftvolumen eingebaut. Bei LED-Leuchten verhält es sich umgekehrt. Weil hier die Wärme schnell nach außen abtransportiert werden muss, Luft aber ein schlechter Wärmeleiter ist, sollten die Gehäuse zur Minimierung des Luftvolumens möglichst kompakt konstruiert sein. Dies hat zur Entwicklung der LED Rohrleuchten geführt.

Wie lässt sich die Temperaturbelastung durch intelligente Leistungselektronik reduzieren?
Schulz: Entscheidend ist eine gute Abstimmung der LED-Lichtquellen mit der Elektronik, um die optimale Balance zwischen Leistung, Lebensdauer und Temperaturbelastung zu finden. Auch durch intelligenteste Elektronik lässt sich Verlustleistung nicht komplett vermeiden. Mittels angebundener Sensoren kann die Elektronik jedoch auf die Systemtemperatur reagieren und die Leistungsaufnahme dahingehend reduzieren, dass die Lebensdauer des Systems gewährleistet bleibt. Moderne Leistungselektroniken sind zudem hocheffizient und konsumieren weniger 6 % der Gesamtleistung als Verlustleistung. Ein gutes Beispiel dafür sind unsere neuen LED-Scheinwerfer der Baureihen 6125 und 6525.

Bekommen LED-Leuchten auch mal »kalte Füße«?
Schulz: Im Grundsatz gilt zwar: Die LED mag es kalt – jedoch nicht uneingeschränkt. Bei Tiefsttemperaturen unter -50 oder -55 °C wird die Leuchte aufgrund ihrer Eigenerwärmung einem hohen mechanischen Stress ausgesetzt. Darunter leiden frostsensible Komponenten und der EMV-Schutz. Deshalb müssen Leuchten für solche Einsatzbereiche besonders ertüchtigt sein, indem der Temperaturkontrast z.B. durch eine intelligente Schaltung abgemildert wird.

Wie wird die Temperaturbeständigkeit geprüft?
Schulz: Neben Berechnungen zur Temperaturbeständigkeit führen wir diverse Belastungstests durch. Um schon während der Produktentwicklung Schwachstellen und Belastungsgrenzen zu ermitteln, unterziehen wir unsere Geräte unter anderem testweise einem beschleunigten Alterungsprozess gemäß HALT (Highly Accelerated Lifetime Test). Bei diesem Verfahren werden die Leuchten in Klimaprüfkammern unterschiedlichsten Temperaturen, schnellen Temperaturwechseln und Vibrationen ausgesetzt, um die Ausfallraten der kritischen Elemente zu ermitteln und die daraus für den zulässigen Temperaturbereich erwartbare Lebensdauer zu definieren. Weil LEDs im Unterschied zu anderen Leuchtmitteln nicht schlagartig ausfallen, sondern mit der Zeit immer weniger Licht emittieren, bemisst sich das Ende ihrer Lebensdauer an der Degradation der Leuchtkraft auf 70 % ihres Anfangswertes.

Herr Schulz, wir danken für das Gespräch!

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