LED-Lampen-Ausfälle und Messungen

von Bernd, DL3NDW    
    
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Mir sind vier gleichartige LED-Lampen mit G9-Sockel und je 59 SMD-5050-LEDs in die Hände gefallen. Diese Lampen sind nach ca. einem Jahr Betriebszeit innerhalb weniger Wochen ausgefallen. Das hat mich dann doch sehr interessiert. Bei den Lampen sind manche LEDs komplett, bei manchen auch nur eine oder zwei der drei in einem 5050-Gehäuse integrierten Einzel-LEDs ausgefallen.



Neben dem Ausfalltyp "interner Kurzschluss in der SMD-LED", bei der die anderen, alle in Reihe geschalteten LEDs noch leuchten, gibt es auch den Ausfalltyp "SMD-LED hochohmig, alles dunkel". Betrachtet man die LEDs genauer, so kann man erkennen, dass offenbar einige LEDs zu heiß wurden.



Die LED mit dem Lotklecks hat übrigens noch mit allen drei Einzel-LEDs geleuchtet. An einer mangelnden Belüftung dürfte es bei dem lebensgefährlichen offenen Aufbau ohne isolierende Abdeckung jedenfalls nicht gelegen haben.

Nun war es an der Zeit, die Lampe zu sezieren. Die runde Platine mit den neun LEDS kann abgelötet werden. Dann sind die zehn Streifen zu je fünf LEDs dran. Bei einigen LEDs sind bereits Veränderungen sichtbar. Die Stromversorgung erfolgt über die übliche Brückengleichrichter-Schaltung mit kapazitiver Strombegrenzung.





Die Werte in Klammern stehen auf der Platine als Aufdruck, die Werte davor sind verbaut.

Um die Ursachenforschung zur Ausfallursache weiterbetreiben zu können, muss eine funktionierende LED-Lampe her. Deshalb wurden nacheinander alle vier Exemplare zerlegt und die einzelnen Streifen mit einem Netzteil gespeist und selektiert,



Aus den vier ursprünglichen Lampen konnten dann gerade soviele intakte Streifen gewonnen werden, dass es für eine komplette Lampe reicht. Für einige Messungen wurde die entsprechende Anzahl an Streifen zunächst auf dem Labortisch zusammengelötet.



Am oberen Bildrand liegt die Strommesszange mit 10 Windungen des zu messenden Leiters. Gespeist über einen Stell-Trenn-Trafo wird Spannung und Strom an der LED-Serienschaltung gemessen. Abgebildet sind die Ergebnisse bei 230 V Wechselspannung am Netzteileingang und bei +10% (253 V).



230 V



253 V

An dieser Stelle wird ein Blick in die Datenblätter zu den SMD5050-LEDs notwendig. Je nach Hersteller vertragen die 5050 unterschiedlichen Strom. Produkte namhafter Marken sind mit 180 mA DC und 230 mA Peak angegeben. Wenn man davon ausgehen darf, dass in derartigen LED-Lampen, wie sie hier vorliegen, eher preiswerte Exemplare verbaut sind, schaut es schon anders aus: 3*20 mA DC und 3*100 mA Peak stehen in einem Datenblatt. Der Peak-Strom ist i.d.R. mit einem Duty-Cycle von 1/10 bei einer Wiederholfrequenz von 1 kHz definiert. Bei pulsierendem Gleichstrom mit 100 Hz müssen dessen Stromspitzen dann dem DC-Grenzwert der LED entsprechen. Für die Heranziehung des Peak-Wertes sind die 100Hz-Halbwellen viel zu lang. Dies bedeutet, dass eine SMD-5050LED mit 3*20 mA Strombelastbarkeit in dieser Beschaltung bei 230V Netzspannung gerade am Limit betrieben wird.

Wie aus dem Oszillogramm abzulesen ist, beträgt der Strom in der Spitze 60 mA ("MAX-P"). Bei der maximal im Toleranzbereich der 230V-Versorgung zulässigen Spannung von 230V + 10%, also 253 V, beträgt der Strom schon 72.8 mA. Kurzzeitige Überspannungen der Netzspannung, wie sie durch Schalthandlungen immer auftreten können, können LED-Lampen in dieser Dimensionierung dann für immer das Licht ausblasen. Fällt nun eine der drei Einzel-LEDs einer 5050 aus, so verteilt sich der Strom auf die verbliebenen zwei Einzel-LEDs. Dann ist es vermutlich nur noch eine Frage der Zeit, bis eine weitere ausfällt. Exemplarstreuungen sind der Langzeitstabilität ebenfalls nicht zuträglich, Auf den Bildern sind die unterschiedlichen Helligkeiten der einzelnen LEDs gut zu sehen. Bei den Messungen konnte dann noch ein Ausfall beobachtet werden. Die abgebildete Zusammenschaltung der 10 Streifen und der Scheibe funktionierte zunächst. Nach den Messungen ist dann bei reduziertem Strom ein Defekt eines LED-Elementes sichtbar geworden.



Nach einer Abkühlphase hat die 5050 dann wieder mit allen drei Elementen geleuchtet. Dieser Effekt zusammen dem Betrieb an der Strombelastungsgrenze der 5050 dürfte für die hohe Ausfallquote ursächlich sein. Für die zeitlich nahe zusammenliegenden Ausfälle der vier Lampen können auch kurzzeitige Überspannungen aus dem Stromnetz Ursache gewesen sein.

Mit einem anderen LED-Streifen wurde dann eine komplette LED zusammengebaut. Betrieben wiederum am Stell-Trenn-Trafo durfte die LED-Lampe dann ihre Leuchtkraft entfalten - fürs Foto allerdings nur gedimmt.



Jetzt folgt das Standard-Messprogramm, das ich immer durchführe, wenn ich ein Exemplar eines potentiell meine HF-Umgebung verseuchenden Verbrauchers in die Hände bekomme. Als erstes werden über eine Netznachbildung (LISN) die leitungsgeführten Störungen gemessen. Die verwendete Eigenbau-LISN entspricht mit der Impedanz von 150 Ohm einer veralteten Norm. Beim nutzbaren Frequenzbereich von 0.15 - 30 MHz sind dann allerdings die Ableitströme gegen den Schutzleiter so gering, dass man diese LISN auch ohne Trenntrafo an FI-geschützten Stromkreisen betreiben kann. Die Prüflinge sind normalerweise auch unproblematisch gegenüber Gefahr durch Berührungen. Diese LED-Lampe ist da eher eine Ausnahme.

Wie bei einem klassischen Netzteil auf Gleichrichter-Elko-Basis zu erwarten, sind HF-Störungen über die Anschlussleitungen nicht vorhanden.






Ganz anders sieht das bei den Verhältnissen im NF-Bereich aus. Hierzu wird die Lampe über einen ohmschen Messadapter betrieben. Mit diesem kann dann Spannung und Strom gemessen werden.



Zwar gibt es für diese kleinen LED-Lampen meines Wissens keine einzuhaltenden Grenzwerte, aber das Netz belasten sie mit ihren oberwellenhaltigen Strömen schon. 53% Verzerrungen bei überwiegend ungeraden Harmonischen werden erzeugt. Ursächlich hierfür ist der für diese Gleichrichterschaĺtung typische Stromverlauf.



Dieser setzt im Nulldurchgang der Spannung schlagartig ein und geht dann im Spannungsmaximum fast gegen Null. Eine LED-Lampe mit einem derartigen Oberwellengehalt mag sich noch nicht störend auswirken. Wenn sich aber die LED-Technik in der Beleuchtung weiter verbreitet, wird sind in Summe einiges an Oberwellen im Stromnetz bewegen.

Nach Abschluss der Messung gibt es jede Menge Elektroschrott und ein Exemplar einer weiteren LED-Lampe für mein Kuriositätenkabinett. Einsetzen ließe sich diese unisolierte und in keinster Weise berührgeschützte LED-Lampe nur in geschlossenen Leuchten. Dann sieht man auch das CE-Zeichen nicht mehr... Die Lichtfarbe ist aber nicht unangenehm.


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