Langzeiterfahrung Low-/Midpower LEDs Nichia

Schaltungen, Widerstände, Spannung, Strom, ...

Moderator: T.Hoffmann

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ustoni
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Do, 28.01.16, 12:44

Auf die nachfolgend beschriebenen Probleme bin ich vor wenigen Tagen zufällig gestoßen, nach dem ich eine Fiberglasleuchte, die vor einigen Wochen mal wieder im LIDL im Angebot war, mit 3 5mm-Nichia-LEDs Typ NSDW570GS-K1 umgerüstet hatte:
Fiberglas.jpg
Fiberglas.jpg (160.58 KiB) 3379 mal betrachtet
Betrieben wird sie mit einem 12V-Steckernetzteil. Die LEDs sind in Reihe geschaltet, wobei der Strom mit einem Vorwiderstand zunächst auf 66mA eingestellt wurde.
Einen ähnlichen Umbau hatte ich hier schon mal beschrieben:
viewtopic.php?f=28&t=12880&hilit=fiberglasleuchte
2 weitere Leuchten, ebenfalls mit je 3 LEDs umgerüstet, dienen seit Ende 2011 als Nachtlicht und sind seitdem 24 Stunden täglich im Betrieb; beide haben also ca. 35000 Betriebsstunden hinter sich.

Nach Fertigstellung der neuen Leuchte ist mir sofort aufgefallen, dass die 4 Jahre alten Leuchten erheblich dunkler waren. Da sie dauernd in Betrieb waren, ist mir das vorher nicht aufgefallen.
Daraufhin habe ich zunächst eine der Leuchten zerlegt und mir genauer angesehen. Diese hatte ich mit 5mm-LEDs von Nichia Typ NSDL570GS-K1 (bzw. dem Vorgängermodell) umgerüstet, der Strom war ebenfalls auf 66mA eingestellt. Nach 4 Jahren Betriebszeit sehen die LEDs jetzt so aus:
Nichia braun.jpg
Den LEDs ist es offensichtlich zu warm geworden. :(
Daraufhin habe ich die Betriebstemperatur der neuen Leuchte gemessen. Ergebnis: 61°C (Raumtemperatur: 25°C). Offensichtlich reicht die Leistungsaufnahme der 3 LEDs plus Widerstand von zusammen 0,8 W aus, um die Temperatur innerhalb des Sockels um 36°C ansteigen zu lassen. Nennstrom der LEDs ist 70mA und 61°C hört sich zunächst auch nicht sehr schlimm an. Trotzdem ist dies offensichtlich ein nicht sicherer Betriebszustand. Daraufhin habe ich mir das Datenblatt der LEDs nochmal genauer angesehen.
Die Ursache des Problems habe ich dann im Diagramm "Ambient Temperature vs. Allowable Forward Current" gefunden:
Nichia TC 70.jpg
Beim Nennstrom von 70 mA darf die Umgebungstemperatur maximal ca. 50°C betragen. (rote Linien) Die Leuchte lag also etwa 10°C über der erlaubten Temperatur; das Ergebnis sieht man auf obigem Foto.
Daraufhin habe ich den Vorwiderstand bei der neuen Leuchte so vergrößert, dass der Betriebsstrom nur noch 41 mA beträgt. (Hier 80 Ohm, sollte man aber immer an die LEDs und das Netzteil anpassen.)
Die Betriebstemperatur hat sich jetzt auf 46°C eingependelt, die nächsten Jahre sollte es also keine Verfärbungen mehr geben. :wink:
Fazit: beim Entwurf von Leuchten reicht ein Blick ins Kurzdatenblatt keinesfalls aus. Vielmehr sollte man das Datenblatt der LEDs sorgfältig studieren und dabei vor allem auch die Diagramme am Ende des Datenblatts nicht übersehen.

Die 2. ältere Leuchte hatte ich mit SMD-LEDs von Nichia (aktueller Typ: NSSL157AT-H3, in der Leuchte wohl ein Vorgänger davon) umgerüstet. Diese hatte ich auf selbstklebende Kupferstreifen aufgelötet und auf ein Alu-Rechteckprofil (1 cm Kantenlänge, 1mm Materialstärke) aufgeklebt. Hier ist es zu einem Problem gekommen, mit dem ich in dieser Form überhaupt nicht gerechnet hatte: starke Korrosion.
SMD Korrosion.jpg
Nach Reinigen mit Brennspiritus und Pinsel:
SMD gereinigt.jpg
Wie man an der rechten LED sieht, hat die Korrosion offensichtlich das Gehäuse der LED angegriffen und spröde werden lassen. Beim Reinigen hat es sich dann wohl teilweise in Wohlgefallen aufgelöst. :lol:
Ausserdem ist das Vierkantrohr anscheinend zur Kühlung nicht geeignet, die mittlere LED ist offensichtlich überhitzt (hat aber noch geleuchtet, wenn auch dunkler). Hier wäre ein U-Profil mit 2 cm Breite und mindestens 2 mm Materialstärke wohl besser gewesen. Dann hätten auch 60°C Umgebungstemperatur nicht geschadet (die SMD-LEDs sind höher belastbar).
Bei späteren Projekten mit SMD-LEDs der 757er-Serie habe ich Kupferstreifen und LEDs mit einer Schicht Parkettlack (auf PU-/Acrylat-Basis, wasserlöslich) versiegelt. Damit hätte ich wohl auch hier die Korrosion verhindern können.
Bevor jemand fragt: die Luftfeuchte liegt in meiner Wohnung normalerweise zwischen 35 und 55% (außer an sehr schwülen Sommertagen).

Glücklicherweise habe ich noch genug NSDW570GS-K1 hier, um beide Leuchten wieder in Betrieb zu nehmen. :)
johnson
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Do, 28.01.16, 13:18

Super Info. :wink:
So Langzeiterfahrungen haben wir hier ja recht selten. :roll:
Borax
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Do, 28.01.16, 15:11

Danke für den ausführlichen Bericht! 5*
Diese hatte ich auf selbstklebende Kupferstreifen aufgelötet und auf ein Alu-Rechteckprofil (1 cm Kantenlänge, 1mm Materialstärke) aufgeklebt.
Da muss ich ja glatt mal meine (mit dem gleichen Verfahren) aufgebauten LED-Leuten anschauen. Die leuchten zwar nur ca. 3 Stunden am Tag, aber Korrosion könnte es ja auch schon geben...
ustoni
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Do, 28.01.16, 16:50

Danke!

@ Borax:
Da hoffe ich für Dich mal, dass es bei Deinen Leuchten nicht so wild aussieht. :wink:
Die Korrosion scheint aber was mit dem Stromfluss zu tun zu haben. Der Widerstand rechts auf dem Bild ist an die Kathode der LED angeschlossen. Betrachtet man nur die LEDs, scheint die Korrosion von der Anode aus zur Kathode zu wachsen. Bei 3 Stunden täglich wird es bei Dir - wenn überhaupt - wohl nicht so wild aussehen.
Ansonsten: mit dem besagten Parkettlack habe ich sehr gute Erfahrungen gemacht.
dieterr
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Mo, 01.02.16, 17:58

Echt heftig die Korrosion. Kenne ich so nur nach 4 Wochen Salznebel-Sprühtest. Hattest du die Kupferfläche komplett verzinnt? Und die Oberfläche gar nicht weiter versiegelt, oder? Auch bei deiner geringen Luftfeuchte: Kondensation gab es da keine? Weil auch zur Lokalelementbildung (Cu-Sn-Al kann nicht ohne sein) braucht es Wasser.

Das gibt zu denken, da ich gerade eine ähnliche Geschichte plane. Aber ich verspüre wenig Lust, wenn meine 100 Leds nach 3 Jahren auch so aussehen.

PS: noch 'ne Frage: mit wieviel mW betriebst du die SMD-Leds?

Gruß,
Dieter
ustoni
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Mo, 01.02.16, 18:29

Richtig, die Kupferflächen waren komplett verzinnt und ohne weitere Versiegelung eingebaut. Für die Korrosion habe ich auch keine Erklärung parat. Kondensation kann ich mir nicht vorstellen; die Leuchte war ja durchgehend (24 Stunden täglich) in Betrieb. Die Temperatur innerhalb des Sockels lag also deutlich über der Raumtemperatur.

Die LEDs wurden mit 200 mW je LED betrieben.

Wie eingangs schon erwähnt, habe ich aber auch Lichtleisten mit gleicher Technik (also Kupferstreifen) mit je 128 LEDs gebaut. Diese waren von vornherein für den Außeneinsatz (Carport und Terrasse bei meinen Eltern) geplant. Deshalb hatte ich die LEDs und die Kupferfolien komplett mit Parkettlack versiegelt. Dort ist bisher (nach gut 3 Jahren) keine Korrosion aufgetreten. Allerdings werden diese Leuchten auch nur bei Bedarf eingeschaltet.
dieterr
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Mo, 01.02.16, 19:09

Echt mysteriös. Ich habe mal gelernt, für Korrosion braucht es Wasser (sehr verallgemeinert). Und dass Strom allein (mit Sauerstoff) dafür verantwortlich ist, dagegen sprechen eigentlich Abermillionen an verbauten Leiterplatten. Wobei ich bei steinalten Teilen auch mal vereinzelt Korrosion von Lötpunkten gesehen habe, dies aber immer auf Feuchtigkeit geschoben hatte.

Aber gut, das du es mit dem Siegellack in den Griff bekommen hast. Ich hätte eh nur die Teilstellen zum Löten verzinnt, aber vermutlich danach nicht abgedeckt. Aber die ganze Kupferfolie sowieso mit Lötlack geschützt.

Hmm, 200mW pro LED ist ja nicht viel. Das plane ich für meine auch. Aber direkt auf 100µm Cu-Folie. Bisher dachte ich, die Dicke müsste ja genug ableiten, dass je 100cm2 Folie pro LED reichen, ohne Kühlblech darunter. Sonst gibt es vielleicht 'ne dickere Folie.

Kann es sein, dass bei dir die Pads nicht genug Kontakt zur Folie hatten, und deshalb zur Überhitzung kamen? Typischerweise sind die doch asymmetrisch (kenne deinen Typ ja aber nicht), bei dir sieht das symmetrisch zum Isoliersteg aus. Welche Dicke hatte deine Cu-Folie?
ustoni
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Mo, 01.02.16, 19:35

Kann es sein, dass bei dir die Pads nicht genug Kontakt zur Folie hatten, und deshalb zur Überhitzung kamen?

Ja, war damals einer meiner ersten Versuche mit Kupferfolie. Die Abstände zwischen den Kupferfolien sind - wie man auch auf dem Foto sieht - viel zu groß. Korrekt wäre etwa halber Abstand. Dadurch ist die Kathodenfläche nur zu etwas mehr als der Hälfte verlötet. Bei den späteren Lichtleisten habe ich das korrigiert (Abstand zwischen den Kupferfolien ca. 0,5 mm). Ich glaube aber nicht, dass das die Ursache für die Überhitzung war, da nur die mittlere LED betroffen ist.
Materialstärke der Kupferfolie ist 25 µm.

Kühlung ausschließlich über die Kupferfolie halte ich für bedenklich, auch bei 100 µm Materialstärke. Das Temperaturgefälle dürfte bei dieser geringen Stärke schon erheblich sein. Ich vermute aber, dass Du LEDs der 757er-Serie verwenden wirst (hab ich bei meinen Lichtleisten auch), da ist die wärmeableitende Fläche größer. Deshalb würde ich an Deiner Stelle erstmal ein kleines Musterexemplar mit z.B. 3 oder 4 LEDs aufbauen und dieses ausgiebig testen.

Nachtrag:
Hab noch ein altes Foto von einer der Lichtleisten gefunden.Hier ein Ausschnitt der Leiste:
Leiste.jpg
Es sind je 12 LEDs parallel geschaltet und 10 Parallelschaltungen in Reihe. Bei dieser Bestückungsdichte gehts natürlich nicht mehr ohne massiven Alukühlkörper.
Die Klebereste, die auf der Kupferfolie stellenweise noch zu sehen sind, stammen von einer aufgeklebten Linearlinse, die sich aber nicht bewährt hatte und deshalb von mir wieder entsorgt wurde.
dieterr
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Mo, 01.02.16, 21:33

ustoni hat geschrieben:Ich glaube aber nicht, dass das die Ursache für die Überhitzung war, da nur die mittlere LED betroffen ist.
Materialstärke der Kupferfolie ist 25 µm.
Nein, allein wohl nicht. Aber in Kombination mit etwas zu dickem Lötzinn darunter, oder nicht vollflächig verlötet könnte das gereicht haben.
ustoni hat geschrieben:Kühlung ausschließlich über die Kupferfolie halte ich für bedenklich, auch bei 100 µm Materialstärke. Das Temperaturgefälle dürfte bei dieser geringen Stärke schon erheblich sein. Ich vermute aber, dass Du LEDs der 757er-Serie verwenden wirst (hab ich bei meinen Lichtleisten auch), da ist die wärmeableitende Fläche größer. Deshalb würde ich an Deiner Stelle erstmal ein kleines Musterexemplar mit z.B. 3 oder 4 LEDs aufbauen und dieses ausgiebig testen.
Ich hatte mal irgendwo eine Layoutvorgabe für ?Linearregler? zur SMD-montage und wieviel Watt sie bei welcher Cu-Dicke und Fläche verbraten können. Muss ich nochmal raussuchen. Ideal wäre ja wohl eine IR-Kamera, wenn man denn eine hätte.
Aber klar werde ich erst mal ein Muster aufbauen. Da ich ca. 10cm Abstand zwischen den einzelnen LEDs eingeplant habe, ist die gegenseitige Beeinflussung wohl vernachlässigbar. Einen ersten Versuch mit 25µm Folie direkt auf Pertinax hatte ich gemacht, das hat nicht gereicht. Die LED wurde spürbar warm, die Cu-Folie nicht. Aber wenn du eine Idee des besseren Tests hast, gerne.
Ich fürchte zudem, die thermische Isolierung von selbstklebender Cu-Folie wird unterschätzt. Wenn, dann sollte man auch hier Wärmelleitkleber nehmen.
ustoni
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Mo, 01.02.16, 22:00

Nein, allein wohl nicht. Aber in Kombination mit etwas zu dickem Lötzinn darunter, oder nicht vollflächig verlötet könnte das gereicht haben.

Ohne jetzt Werbung für einen japanischen Autohersteller machen zu wollen: Nichts ist unmöglich... :D
Ich fürchte zudem, die thermische Isolierung von selbstklebender Cu-Folie wird unterschätzt.

Da kann ich Dich beruhigen, die Wärmeableitung ist hervorragend. Die Klebeschicht ist hauchdünn. Wenn man die Folie gut angepresst hat, ist die Wärmeableitung um ein Vielfaches besser als bei Alukernplatinen. Nachteil ist, dass man einen elektrisch isolierenden Untergrund benötigt (also z.B. eloxiertes Aluminium). Der Kleber ist so dünn, dass man nach dem Andrücken der Folie sonst eine leitende Verbindung erhält.
Bei der Leiste in obigem Foto habe ich als Kühlkörper ein "CoverLine Aluminium LED Profil" verwendet (vom Konkurrenzunternehmen, also bitte googeln). Dieses hatte ich auf 60 cm gekürzt. Die LED-Leistung beträgt 21 W, das Profil erreicht eine Temperatur von knapp über 40°C. Zwischen Kupferfolie und Profil konnte ich keinen nennenswerten Temperaturunterschied feststellen.

Die einfachste Lösung für Dich wäre meiner Meinung nach, als Grundplatte eloxiertes Aluminium zu verwenden. Mit Kupferfolie allein wirst Du wahrscheinlich keine ausreichende Kühlung hinbekommen. Alternativ kannst Du natürlich die Leistung je LED verringern und entsprechend mehr LEDs verwenden.
oscar
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Di, 02.02.16, 13:44

dieterr hat geschrieben:Ich habe mal gelernt, für Korrosion braucht es Wasser (sehr verallgemeinert)
Nö, irgendeinen Elektrolyten. Das kann auch kristallines Salz von der Haut sein. Verhält sich Flußmittel elektrolytisch? Das wirkt doch korrosiv, oder?
ustoni
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Di, 02.02.16, 14:02

Ich verwende als Lötzinn Sn60Pb38Cu02 von Felder mit 0,5 mm Durchmesser und einem Flux-Anteil von 2,5%.
Zitat von der Herstellerseite:
The fluxing agents are characterised by their high thermal stability and the fact that they do not spatter during reflow! The light, solid flux residue of these solder wires does not cause corrosion with nonferrous metals. As a result, this residue does not have to be removed at the soldered joint.
Flussmittelrückstände sollten also nicht das Problem sein. Korrosiv wirkt dieses Flussmittel nur während dem Lötvorgang.

Ansonsten stimme ich Dir zu. Irgendetwas hat die Korrosion wohl in Verbindung mit dem Stromfluss verursacht. So wild dies auch auf dem Foto aussieht: man sollte dabei auch nicht übersehen, dass das Foto das Ergebnis nach rund 35000 Betriebsstunden zeigt.
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