Langlebige LED-Beleuchtung für raue Umgebungen mit elektrolytfreiem Treiber durch Oberwelleninjektion

Leuchtdioden (LEDs) sind energieeffizienter und langlebiger als alle anderen Beleuchtungstechnologien, daher ist aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten ein rascher und möglichst umfänglicher Umstieg auf effiziente LED-Produkte wünschenswert. Ein höherer Anschaffungspreis sowie vorzeitige Ausfälle, oftmals verursacht durch Defekte der Vorschaltelektronik oder Degradation der LED unter rauen Umweltbedingungen, sind wesentliche Hürden für eine möglichst rasche Verbreitung. Das Thema dieser Arbeit ist es, Konzepte zu entwickeln, wie LED-Leuchten für Netzanwendungen langlebiger bzw. kostengünstiger gemacht werden können, um damit eine weitere Verbreitung der Technologie zu unterstützen. Dazu beschäftigt sich diese Arbeit mit der Reduktion des Zwischenspeicherbedarfs der Vorschaltelektronik, des LED-Treibers, da dieser Speicher oftmals aus Kostengründen durch Elektrolytkondensatoren mit kurzer Lebensdauer realisiert wird. Elektrolytkondensatoren sind daher ein Flaschenhals der Systemlebensdauer und es ist von großem Interesse ihren Einsatz trotz hohem Kostendruck vermeiden zu können. Dazu wird in dieser Arbeit die Strategie verfolgt, den Zwischenspeicherbedarf zu verringern, damit ein Umstieg auf langlebigere Kondensatortechnologien wirtschaftlicher wird. Es wurde eine Treiber-Topologie und optimierte Regelung der Ein- und Ausgangsleistung entwickelt, die eine Speicherreduktion von 1,8 % bis 6,8 % gegenüber dem Stand der Technik ohne zusätzliche Kosten ermöglicht. Erstmalig wurde dabei der Einfluss des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsleistung (d.h. von ""Temporal Light Artefacts"" bzw. ""Flicker"") mitberücksichtigt, da eine Einsparung des Zwischenspeichers bei gegebener Treiber-Topologie immer auch mit der Abwägung zwischen dem Leistungsfaktor am Eingang und dem zeitlichen Verlauf der Ausgangsleistung einhergeht. Eine weitere wichtige Ursache, die den Einsatz von LEDs beschränkt, ist die vorzeitige Degradation von LEDs unter rauen Umweltbedingungen. Um geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen zu können bzw. um die richtigen LED-Typen für entsprechende Anwendungen auswählen zu können, müssen die Degradationseffekte bei modernen, kommerziellen LED-Typen besser untersucht und miteinander verglichen werden. Da es in der Literatur an solchen vergleichenden und herstellerübergreifenden Studien in Bezug auf wichtige Schadgase mangelt, wird in dieser Arbeit der Frage nachgegangen, welche LED-Typen für den Einsatz unter gängigen Schadgasen am besten geeignet sind bzw. vermieden werden sollten. Es wurden sowohl moderne Midpower- als auch Highpower-LEDs getestet. Die Gehäusetypen umfassen Standard-Plastikgehäuse, Chip-Scale-Packages sowie Hochleistungsgehäuse auf Basis von Glas und Keramik. Als gängige Schadgase wurden Schwefelwasserstoff sowie die flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) Formaldehyd, Dimethylglykol sowie Methylacetat untersucht. Die Degradation unter Schwefelwasserstoff ist irreversibel und äußert sich hauptsächlich durch einen beschlagenen Silberspiegel, der je nach LED-Typ sowohl als Reflektor als auch als p-Kontakt verwendet wird. VOCs führen je nach LED-Typ zu unterschiedlichen Fehlerbildern, die von der teilweise reversiblen Verfärbung des Leuchtstoffs bis zur irreversiblen thermischen Zersetzung oder Ablösung der Verkapselung reichen. Eine der derzeit energie- und kosteneffizientesten Midpower-LEDs schnitt durchweg am schlechtesten ab, während eine Chip-Scale-Package-LED gegenüber Schwefelwasserstoff, aufgrund des fehlenden Silber-Reflektors, erstaunlich resilient ist. Je nach erwartetem Schadgas bzw. Reversibilität der entsprechenden Degradationseffekte ergeben sich unterschiedliche Strategien, um die Lebensdauer von LED-Modulen unter Schadgasatmosphäre zu erhöhen, wofür die verschiedenen LED-Typen unterschiedlich gut geeignet sind. Diese Arbeit zeigt, wie wichtig die Beachtung des LED-Typs für korrosive Umgebungen ist. Sie liefert wichtige Erkenntnisse, um durch geeignete Wahl der Bauform sowie der Optimierung der Leuchtengehäuse für harsche Anwendungen weitere Einsatzgebiete für LED-Leuchten zu erschließen und damit eine weitere Verbreitung der LED-Technologie zu ermöglichen.