Kolumne: Jetzt geht Ihnen ein Licht auf

Mit 6 bis 8 Watt hat eine LED-Birne etwa 800 Lumen Lichtleistung und kann 50 000 Stunden leuchten. Eine traditionelle Glühbirne verbraucht für diese Lichtausbeute 60 Watt und wird nach 1200 Stunden kaputt gehen. Somit können Leuchtdiodenlampen gegenüber traditionellen Glühbirnen bei gleicher Helligkeit bis zu 90 % des Stromverbrauchs einsparen.Abb. 1: Michael Farnes dekoriertes Haus in Hove, England [2]

Was – das muss hier einfach kritisch angemerkt werden – dazu führt, dass sowohl die Industrie als auch der Privatmann viel mehr dieser Lampen einsetzen, womit letztendlich die Sparidee beim Teufel ist. Die passend zur Jahreszeit so geliebten weihnachtlichen Lichterketten werden mit 200 LEDs geliefert statt der früher üblichen 10 traditionellen Glühbirnen. Meist geschmacklich recht fragwürdige und übertriebene Beleuchtung von Eigenheimen – nicht nur während der Weihnachtszeit – sowie immer aufwändigere Bestrahlung von Denkmälern, Wahrzeichen und Gebäuden zeigt, dass die Befürchtung gerechtfertigt ist.Abb. 2: Geschmolzene LED Ampeln nach Protesten in Barcelona [5]

Für die elektronische Industrie bedeutet dieser vermehrte Einsatz von Leuchtmitteln einerseits natürlich eine gewinnbringende Entwicklung. Andererseits birgt sie auch Probleme, denn die jetzt angesagte Massenherstellung und Verwendung von LEDs, besonders der oberflächig eingesetzten, stellt sie vor Herausforderungen.

Laut Forbes [3] wird sich der LED Markt dramatisch entwickeln und schon 2020 die 70 Mrd. $ erreichen. Mit diesen Leuchten werden nicht nur Eigenheime erhellt sondern Produktion- und Lagerhallen. Auch auf Schiffen und Marineinstallationen (mit ihrer eigenen ‚Salz'-Problematik) und die oben bereits erwähnten Architekturhervorhebungen oder Parolen von Aktivisten, die dann die Landschaft verschönern, verwenden diese hochgepriesene neue Technik [4].

Schon frühzeitig merkte man, dass man mit dem Handlöten – übrigens von den LED Herstellern höchstens für Reparatur empfohlen – den Ansprüchen einer Massenproduktion nicht Genüge leisten konnte. Solche Anwendungen wie etwa in Verkehrsampeln benötigten hunderte von bedrahteten LEDs und wurden dementsprechend über eine Schwallanlange geschickt – nebenbei ein schönes Beispiel zum Thema Lernkurve.Abb. 3: LED Lampe mit Kühlkörper

Hohe Ausfallraten bei dieser Lötmethode beruhten auf einem fehlerhaften Denken der Applikationsingenieure: Weil sie wussten, dass Hitze schädlich für die Lämpchen ist, drehten sie die Vorheizung runter und verlängerten die Kontaktzeit im Schwall. Doch die Anschlussdrähte bugsierten die Hitze nun besonders effizient aus dem sehr heißen Lot ins Innere der leuchtenden Bauteile, während die infrarote Vorheizung weitgehend vom Metall der Drähte reflektiert wurde. Erst als die Herren und Damen es schnallten, dass man den Gedankengang umkehren musste, d. h. die Vorheizung hochstellen und die Kontaktzeit im Schwall reduzieren (< 3 Sekunden) führte dies zum Erfolg. Die Ausfälle näherten sich nun Null.

Auf den ersten Blick stellt sich das Problem bei oberflächig montierten LEDs nicht, denn hier werden solche Temperaturen wie beim Schwalllöten nicht erreicht. Aber dann kommt eben noch der Kühlkörper hinzu, der dem Lämpchen später die Überhitzung ersparen soll – und schon wird es auch hier problematisch. Immerhin besteht Hoffnung, dass die schweren Aluminiumkühlkörper demnächst kleiner werden können und somit auch die Wiederverwendung des wertvollen Metalls bei Entsorgung vereinfacht ist.Abb. 4: Abhängigkeit von der Temperatur

Die Hersteller der Lämpchen geben sich viel Mühe Vorgaben bereit zu halten, wie man mit ihren Produkten verfahren soll, wobei auffällt, dass sie einen recht großen Spielraum erlauben – meist nach unten und weniger häufig nach oben.

Auch bei der Verwendung von LEDs müssen eine Reihe von Parametern berücksichtigt werden. So beeinflusst die Umgebungstemperatur und damit die Temperatur des Chips direkt die Effizienz und Lebensdauer der LEDs. Halbleiter-LEDs verändern mit der Zeit ihre Emissionseigenschaften und die Intensität der Lichtausbeute wird immer schwächer. Die grundlegende Ursache solcher Alterung beruht auf der Zunahme der Verunreinigungen im Chip (Halbleiterkristall).

Die für die Gehäuse und Linsen (Epoxidharz, Silikon usw.) der für LED verwendeten synthetischen Materialien neigen ebenfalls zur Alterung, was zu Trübungen führen kann. In dieser Hinsicht muss auf Rückstände durch den Lötprozess, etwa Dämpfe der Flussmittel, Rücksicht genommen werden, denn eine Reinigung ist nicht ganz einfach, will man chemische Reaktionen nicht in Kauf nehmen.Abb. 5: Bedrahtete LEDs

LEDs funktionieren wie die meisten elektronischen Geräte gut, bis äußere Einflüsse die Leistung beeinträchtigen. Solche Einflüsse können die elektrostatische Anziehung von Staub, feuchte oder korrosive Umgebungen, chemische oder gasförmige Verunreinigungen sowie viele andere Möglichkeiten umfassen. Es ist daher äußerst wichtig, dass die Endanwendungsumgebung im Detail berücksichtigt wird, um sicherzustellen, dass die richtigen Produkte ausgewählt werden können.

Transparenz und Farbverschiebung sind also zu bedenken, wenn etwa Beschichtungen gegen negativer Umwelteinflüsse eingesetzt werden sollen. Recht umfangreiche Studien haben sich auch mit diesem Thema beschäftigt und es scheint dass man sich auf die Acrylchemie eingeschossen hat, doch auch silikonbasierende sowie Polyurethanlacke werden verwendet, die für bestimmte Zwecke vorteilhaft sind.

Schäden durch Kondensation von Luftfeuchtigkeit, die UV-Stabilität und der Salznebelschutz müssen durch die entsprechenden Testverfahren verifiziert werden. Dabei wirft man auch gleich ein Augenmerk auf die Leiterplatte selbst, denn genau diese Einflüsse rangieren hoch auf der Liste jener Situationen, die auch zu deren Ausfällen beitragen.Abb. 6: LED Verkehrsampeln

Die Lacke werden mittels Eintauchtechnik oder Sprühverfahren aufgetragen. Die Dicke liegt dann zwischen 25 und 75 µm, wobei z. B. dickere Polyurethanbeschichtungen (bis zu 8 mm) eher zu einer Farbverschiebung neigen.

Neben der Kritik bezüglich der Auswirkungen von immer mehr Beleuchtung auf die Fauna und Flora ist auch die Entsorgung nicht ganz einfach. Zwar enthalten LED Lampen kein Quecksilber, doch einfach in die Mülltonne sollte man sie nicht werfen, wenn sie nicht mehr gebraucht werden.

Literatur und Anmerkungen:

Seong - Rin Lim et al.: Potential Environmental Impacts of Light-Emitting Diodes (LEDs):
Metallic Resources, Toxicity, and Hazardous Waste Classification, Environ. Sci. Technol., 2011

Emma L . Stone et al.: Conserving Energy at a Cost to Biodiversity? Impacts of LED Lighting on Bats, Global Change Biology, 2012

Amit Patel et al.: Quantifying Qualitative Attributes of Cored Solder Wire in LED Luminaire Soldering - Part I, Proceedings of SMTA International, 2015

Knightbright, Application Notes for Through-Hole LEDs

Cree High-Brightness LED Soldering & Handling, CLD-CTAP001 Rev 22

Piyush Baksh:; The environmental benefits of LED lighting, January 30, 2015

Referenzen:

1. Eine weitverbreitete Metapher: Bereits der griechische Philosoph Parmenides (c. 515 v. u.Z.) stellt den Akt der Erkenntnis als Fahrt aus der Nacht in den Tag dar; in der Bibel lesen wir: „dem Gerechten muss das Licht immer wieder aufgehen“ (Matthäus 4,16)
2. Bild: David McHugh/Brighton Pictures
3. https://www.forbes.com/forbes-media/
4. Erste LED vom russischen Erfinder Oleg Losev (1903 –1942) im Jahre 1927
5. Katalanische Unabhängigkeitsbefürworter setzen Brandzeichen (17.10.2019)