Wenn ein LED-Arbeitsscheinwerfer früh ausfällt, sind selten die LEDs selbst das Erste, was versagt. Es versagt die Leuchte um sie herum: Wärme, die nicht abgeführt wird, eine Lötstelle, die reißt, eine Leuchte, die verpolt angeschlossen wird, eine Streuscheibe, die vergilbt. Jeder dieser Fehler geht meist auf eine Stelle zurück, an der die Leuchte günstiger gemacht wurde.
Dieser Leitfaden geht sieben dieser Stellen durch: wozu jede im Einsatz führt und wie wir unsere Leuchten bauen, um die Wahrscheinlichkeit dafür zu senken. Er richtet sich an Ingenieure und Einkäufer, die Lieferanten vergleichen, denn fast keine dieser Entscheidungen ist auf einem Datenblatt oder einem Foto zu erkennen.
Warum die Wärme über die Lebensdauer eines LED-Arbeitsscheinwerfers entscheidet
Eine LED wandelt einen Teil ihrer Leistung in Licht um und den größten Teil des Rests in Wärme an der Sperrschicht (Junction), der Stelle im Chip, an der das Licht entsteht. Das US-Energieministerium sagt es klar: Wärme an der Sperrschicht ist die Hauptursache für den Lichtstromrückgang, und während eine kurze Phase bei hoher Temperatur umkehrbar ist, führt dauerhafter Betrieb bei hoher Temperatur zu einem bleibenden Verlust an Lichtleistung.
Diese Wärme muss von der LED durch die Leiterplatte, durch eine Schicht Wärmeleitmaterial (Thermal Interface Material) und in das Gehäuse gelangen, das sie an die Luft abgibt. Drei der sieben Einsparungen unten liegen auf diesem Weg. Jede davon erhöht den Widerstand für den Wärmefluss, sodass die LED heißer läuft als vorgesehen, schneller an Helligkeit verliert und an den ungünstigsten Positionen in der Leuchte durchbrennt.
1. Das Gehäuse: Magnesiumlegierung und zu dünne Wände
Das Gehäuse einer Leuchte ist zugleich ihr Kühlkörper. Aluminiumdruckguss A380 leitet Wärme mit 96 W/m·K. Die beiden für den Druckguss am häufigsten verwendeten Magnesiumlegierungen leiten deutlich weniger: AZ91D mit 51 W/m·K und AM60B mit 61, laut veröffentlichten Werkstoffdaten. Magnesium ist etwa ein Drittel leichter und lässt sich in dünnen Wänden gießen, was die Materialkosten senkt, doch ein Gehäuse aus diesen Legierungen führt die Wärme langsamer von den LEDs ab als dieselbe Form aus Aluminium. Die Wahl der Legierung spielt dabei eine Rolle: Manche Magnesiumlegierungen, etwa AM20 mit 94 W/m·K, kommen nah an Aluminium heran, deshalb lohnt es sich, die Legierung beim Namen zu erfragen.
| Legierung | Art | Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | Dichte (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| A380 | Aluminiumdruckguss | 96 | 2.74 |
| AM60B | Magnesiumdruckguss | 61 | 1.80 |
| AZ91D | Magnesiumdruckguss | 51 | 1.81 |
Mit der Wandstärke verhält es sich genauso. Ein dünnerer Boden und dünnere Kühlrippen enthalten weniger Metall, das die Wärme verteilt, sodass der Bereich unter jeder LED heißer wird.
So bauen wir: Unsere Gehäuse bestehen aus einer Aluminium-Druckgusslegierung mit eingegossenem Kühlkörper, und das Gehäuse ist auf die Leistung jedes einzelnen Modells ausgelegt, statt für mehrere Wattklassen gemeinsam verwendet zu werden.
2. Die Leiterplatte: zu dünn, mit schwacher Isolierschicht
LED-Arbeitsscheinwerfer tragen ihre LEDs auf Metallkernleiterplatten: eine dünne Kupferschaltung, eine Isolierschicht und ein Aluminiumträger. Die Isolierschicht ist der Engpass. Crees Leitfaden zum Leiterplattendesign weist darauf hin, dass die thermische Leistung stark abfällt, wenn diese Schicht weniger als etwa 2 W/m·K leitet, und zeigt, dass dasselbe Material nach dem Standardprüfverfahren mit 2.2 W/m·K oder nach einem nicht standardisierten Verfahren mit über 30 angegeben werden kann. Ein Wert auf einem Leiterplatten-Datenblatt ist nur vergleichbar, wenn man weiß, wie er gemessen wurde.
Ein dünnerer Aluminiumträger verteilt die Wärme weniger, bevor sie das Gehäuse erreicht, und konzentriert sie so unter den LEDs.
So bauen wir: Leiterplatte und Leiterplattendicke werden nach der Leistung jedes Modells gewählt, nicht nach dem niedrigsten Leiterplattenpreis.
3. Die Wärmeleitpaste: ungleichmäßig oder die falsche Qualität
Zwischen Leiterplatte und Gehäuse gibt es immer einen Spalt, so eben beide Flächen auch aussehen. Luft in diesem Spalt leitet etwa 0.024 W/m·K, deshalb füllt ihn ein Wärmeleitmaterial, meist eine Paste oder ein Pad, mit rund 0.1 bis 10 W/m·K. Crees Leitfaden zum Wärmemanagement fasst die Regel als „thin to win“ zusammen: Die Schicht muss dünn, gleichmäßig und lückenlos sein. Ist sie zu dick, erhöht sie den Widerstand; ausgelassene Stellen hinterlassen Luft; manche Materialien werden bei wiederholtem Erwärmen und Abkühlen aus der Fuge herausgepumpt (Pump-out) und hinterlassen Hohlräume.
Von Hand aufgetragene Paste oder eine billigere Masse mit geringer Leitfähigkeit führt genau zu diesen Fehlern. Die Leuchte besteht im Werk einen Schnelltest und läuft im Einsatz heiß.
So bauen wir: Die Paste wird als gleichmäßige Schicht über die gesamte Leiterplatte aufgetragen, und zwar eine Masse, die nach ihrer Wärmeleitfähigkeit statt nach ihrem Preis ausgewählt ist.
4. Die Lötung: schlecht gesteuertes Reflow-Löten
LEDs und Bauteile des LED-Treibers werden in einem Reflow-Ofen gelötet, der einem festgelegten Temperaturprofil folgt. Ist die Spitzentemperatur zu niedrig oder bleibt das Lot zu kurz flüssig, entsteht eine kalte Lötstelle, die einwandfrei aussieht und leitet, aber schwach ist. An einem Fahrzeug ist diese Lötstelle dann zwei Arten von Belastung ausgesetzt: Temperaturwechseln, die das Lot bei jedem Aufwärmen und Abkühlen ein wenig ermüden, und Vibration, die die Leiterplatte biegt, bis eine geschwächte Lötstelle reißt. Die Leuchte beginnt zu flackern und fällt dann aus, oft nur, wenn die Maschine läuft.
So bauen wir: Unsere SMT-Linie arbeitet mit einem kontrollierten Reflow-Profil, und jedes Design durchläuft vor der Serienfertigung auf unserem eigenen Vibrationstisch das Vibrationsprofil des Kunden sowie Thermoschockzyklen. Vor dem Versand wird jede Leuchte in einem Burn-in-Test abwechselnd mit 12 V und 24 V Eingangsspannung betrieben. Wie Vibrationsangaben formuliert werden, erklärt der Beitrag zur Vibrationsfestigkeit.
5. Verpolung: kein Schutz, wenn die Anschlüsse vertauscht werden
Arbeitsscheinwerfer werden oft vor Ort verkabelt, an Maschinen, bei denen beide Leitungen schwarz sind oder die Farbkennzeichnung verblasst ist. Eine Leuchte ohne Verpolungsschutz kann beschädigt werden, sobald Plus und Minus zum ersten Mal vertauscht werden. Auch die Fahrzeugseite ist nicht zimperlich: ISO 16750-2, die Norm für elektrische Belastungen in Straßenfahrzeugen, enthält Prüfpunkte für Verpolung und für Load Dump (Lastabwurf), den Spannungsstoß, wenn sich eine Batterie trennt, während die Lichtmaschine lädt.
So bauen wir: Unsere LED-Treiber haben einen Verpolungsschutz, und unsere Arbeitsscheinwerfer arbeiten mit 9–32 V DC, sodass eine Ausführung Maschinen mit 12 V und 24 V abdeckt.
6. Die Streuscheibe: Kunststoff, der vergilbt
Polycarbonat ist zäh und wird deshalb für die Streuscheiben von Arbeitsscheinwerfern verwendet, doch nicht stabilisiertes Polycarbonat vergilbt unter UV-Strahlung, lässt weniger Licht durch und wird spröder. Kunststoffhersteller bieten genau aus diesem Grund UV-stabilisierte Typen und Beschichtungen an. Eine billigere Streuscheibe sieht am Tag der Lieferung gleich aus und lässt nach einiger Zeit im Freien merklich weniger Licht durch. Mehr zu Streuscheibenmaterialien unter Polycarbonat-Streuscheibe.
So bauen wir: Die meisten unserer Streuscheiben bestehen aus UV-beständigem Polycarbonat, einige Modelle haben eine oberflächengehärtete Streuscheibe, und einige verwenden stattdessen Glas.
7. Die Dichtungen: Silikon, das ausgast und die Streuscheibe beschlagen lässt
Ein Arbeitsscheinwerfer ist abgedichtet, damit kein Wasser eindringt, und hält damit auch alles zurück, was die Materialien im Inneren abgeben. Klebstoffe, Dichtungen, O-Ringe und Vergussmassen können bei Erwärmung flüchtige Verbindungen freisetzen. In einer geschlossenen Leuchte kondensieren diese an der Innenseite der Streuscheibe als Schleier, der wie Schmutz aussieht, und sie können auch vom Silikon der LEDs selbst aufgenommen werden und es verfärben. Crees Applikationshinweis zur chemischen Verträglichkeit zeigt eine nahezu abgedichtete Leuchte, deren Licht nach weniger als 100 Stunden sichtbar vergilbt war, und eine abgedichtete Testgruppe, die nach 450 Stunden 90 % ihrer Lichtleistung verloren hatte, während eine Gruppe mit belüftetem Gehäuse innerhalb von 24 Stunden fast die gesamte verlorene Leistung zurückgewann.
Abdichten bleibt notwendig. Es geht darum, Dichtungsmaterialien zu verwenden, die bei der Betriebstemperatur der Leuchte nicht ausgasen, und die fertige Leuchte im heißen Zustand zu prüfen.
So bauen wir: Die Dichtungsmaterialien werden mit Blick auf das Ausgasen ausgewählt, der LED-Treiber ist vergossen, und die abgedichtete Leuchte durchläuft unsere Prüfungen mit Wassertauchen, Hochdruckstrahl und Thermoschock. Wie sich IP-Schutzarten für die Abdichtung unterscheiden, behandelt der Beitrag IP69K vs. IP68.
Sieben Einsparungen, ihre Folgen und was Sie fragen sollten
| Wo gespart wird | Wozu es führt | Was Sie den Lieferanten fragen |
|---|---|---|
| Gehäuse aus Magnesiumlegierung, dünne Wände | LEDs laufen heiß, schnellerer Helligkeitsverlust, einzelne LEDs brennen durch | Legierung des Gehäuses und Wandstärke |
| Dünne Leiterplatte, schwache Isolierschicht | Wärmestau unter den LEDs | Leiterplattentyp und wie die Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht gemessen wurde |
| Ungleichmäßige oder minderwertige Wärmeleitpaste | Hotspots, schnellerer Helligkeitsverlust | Wärmeleitmaterial und wie es aufgetragen wird |
| Schlecht gesteuertes Reflow-Löten | Flackern, dann Ausfall unter Vibration | Steuerung des Reflow-Profils, Vibrations- und Thermoschockprüfung |
| Kein Verpolungsschutz | Leuchte wird bei Verpolung zerstört | Ist ein Verpolungsschutz eingebaut? |
| Nicht stabilisierte Streuscheibe | Vergilbung, weniger Licht | Material der Streuscheibe und UV-Stabilisierung |
| Ausgasende Dichtungsmaterialien | Schleier in der Streuscheibe, Verfärbung der LEDs | Dichtungsmaterialien und Heißprüfung der abgedichteten Leuchte |
Fragen an jeden Lieferanten
Die Tabelle deckt die sieben Einsparungen ab. Drei weitere Fragen lohnen sich an jeden, der Ihre Leuchten herstellt, weil die Antworten vom Modell und vom Projekt abhängen:
Hat die Leuchte ein Druckausgleichselement oder eine Membran, und wie wird mit Kondensation umgegangen?
Reduziert der LED-Treiber die Leistung, wenn die Leuchte überhitzt?
Welche Transientenprüfungen, etwa Load Dump, hat die Leuchte bestanden, und nach welcher Norm?
Vergleichbare Angaben zwischen Lieferanten behandelt der Beitrag LED-Arbeitsscheinwerfer für Baumaschinen. Das Sortiment finden Sie unter LED-Arbeitsscheinwerfer.
Wenn eine Leuchte, die Sie heute einsetzen, immer wieder auf eine dieser Arten ausfällt, schicken Sie uns das Modell, die Maschine und eine Beschreibung des Ausfalls. Wir sagen Ihnen, welche der sieben Stellen die wahrscheinliche Ursache ist und was wir ändern würden.
Häufige Fragen
Warum brennen LED-Arbeitsscheinwerfer schnell durch?
Meist wegen der Wärme. Wenn Gehäuse, Leiterplatte oder Wärmeleitpaste die Wärme nicht von den LEDs abführen können, laufen diese heißer als vorgesehen, verlieren schneller an Helligkeit und brennen an den ungünstigsten Positionen durch. Schlechte Lötung und fehlender Verpolungsschutz verursachen die plötzlichen Ausfälle.
Warum flackert mein LED-Arbeitsscheinwerfer, wenn die Maschine läuft?
Flackern, das mit den Motorvibrationen auftritt, deutet oft auf eine gerissene Lötstelle oder eine lose Verbindung in der Leuchte hin. Temperaturwechsel schwächen das Lot mit der Zeit, und die Vibration öffnet den Riss.
Warum bildet sich ein Schleier in meinem LED-Arbeitsscheinwerfer?
Entweder ist Feuchtigkeit an einer Dichtung vorbeigelangt, oder Materialien in der Leuchte sind ausgegast und an der Streuscheibe kondensiert. Wärme treibt das Ausgasen an, deshalb tritt es am stärksten bei Leuchten auf, die heiß laufen.
Kann ein verpolter Anschluss einen LED-Arbeitsscheinwerfer beschädigen?
Ja, wenn die Leuchte keinen Verpolungsschutz hat. Fragen Sie den Lieferanten, ob der LED-Treiber geschützt ist, bevor Monteure die Leuchten vor Ort anbringen.
