Als een LED-werklamp vroegtijdig uitvalt, zijn de LED's zelf zelden het eerste wat het begeeft. Wat faalt is de lamp eromheen: warmte die niet wordt afgevoerd, een soldeerverbinding die scheurt, een lamp die verkeerd om is aangesloten, een lens die geel wordt. Elk hiervan is meestal terug te voeren op een plek waar de lamp goedkoper is gemaakt.
Deze gids behandelt zeven van die plekken, waartoe elk ervan in de praktijk leidt en hoe wij onze lampen bouwen om de kans daarop te verkleinen. Hij is geschreven voor engineers en inkopers die leveranciers vergelijken, omdat bijna geen van deze keuzes te zien is op een specificatieblad of een foto.
Waarom warmte bepaalt hoe lang een LED-werklamp meegaat
Een LED zet een deel van zijn vermogen om in licht en het grootste deel van de rest in warmte in de junctie, het punt in de chip waar het licht ontstaat. Het Amerikaanse ministerie van Energie zegt het onomwonden: warmte in de junctie is de belangrijkste oorzaak van lichtterugval, en hoewel een korte periode op hoge temperatuur omkeerbaar is, veroorzaakt continu gebruik bij hoge temperatuur een blijvend verlies aan lichtopbrengst.
Die warmte moet van de LED door de printplaat, door een laag thermisch interfacemateriaal en in de behuizing, die haar afgeeft aan de lucht. Drie van de zeven besparingen hieronder liggen op die route. Elk ervan voegt weerstand toe aan de warmtestroom, zodat de LED heter wordt dan bedoeld, sneller in lichtsterkte terugloopt en op de slechtste posities in de lamp doorbrandt.
1. De behuizing: magnesiumlegering en te dunne wanden
De behuizing van een lamp is ook haar koellichaam. Drukgegoten aluminium A380 geleidt warmte met 96 W/m·K. De twee magnesiumlegeringen die het meest voor drukgieten worden gebruikt, geleiden veel minder: AZ91D met 51 W/m·K en AM60B met 61, volgens gepubliceerde legeringsgegevens. Magnesium is ongeveer een derde lichter en laat zich in dunne wanden gieten, wat de materiaalkosten verlaagt, maar een behuizing van deze legeringen voert warmte langzamer van de LED's af dan dezelfde vorm in aluminium. De keuze van de legering doet er hier toe: sommige magnesiumlegeringen, zoals AM20 met 94 W/m·K, komen dicht bij aluminium, en daarom loont het om de legering bij naam op te vragen.
| Legering | Type | Warmtegeleiding (W/m·K) | Dichtheid (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| A380 | Drukgegoten aluminium | 96 | 2.74 |
| AM60B | Drukgegoten magnesium | 61 | 1.80 |
| AZ91D | Drukgegoten magnesium | 51 | 1.81 |
Wanddikte werkt op dezelfde manier. Een dunnere bodem en dunnere koelribben bevatten minder metaal om de warmte te spreiden, zodat het gebied onder elke LED heter wordt.
Zo bouwen wij het: onze behuizingen zijn van drukgegoten aluminiumlegering met ingegoten koellichaam, en de behuizing is afgestemd op het vermogen van elk model in plaats van gedeeld over verschillende wattages.
2. De printplaat: te dun, met een zwakke isolatielaag
LED-werklampen monteren hun LED's op printplaten met metalen kern: een dun koperen circuit, een isolatielaag en een aluminium basis. De isolatielaag is de bottleneck. De ontwerprichtlijnen van Cree voor printplaten vermelden dat de thermische prestaties sterk teruglopen als die laag minder dan ongeveer 2 W/m·K geleidt, en laten zien dat hetzelfde materiaal volgens de standaardtestmethode kan worden opgegeven met 2.2 W/m·K of met meer dan 30 volgens een niet-standaardmethode. Een waarde op een datasheet van een printplaat is alleen vergelijkbaar als u weet hoe die is gemeten.
Een dunnere aluminium basis spreidt de warmte minder voordat die de behuizing bereikt, waardoor de warmte zich onder de LED's concentreert.
Zo bouwen wij het: de printplaat en de dikte ervan worden gekozen op het vermogen van elk model, niet op de laagste prijs van de printplaat.
3. De koelpasta: ongelijkmatig, of de verkeerde kwaliteit
Tussen printplaat en behuizing zit altijd een spleet, hoe vlak beide oppervlakken er ook uitzien. Lucht in die spleet geleidt ongeveer 0.024 W/m·K, dus vult een thermisch interfacemateriaal, meestal een pasta of pad, de spleet met ruwweg 0.1 tot 10 W/m·K. De gids voor thermisch beheer van Cree vat de regel samen als ‘thin to win’: de laag moet dun, gelijkmatig en volledig zijn. Te dik en hij voegt weerstand toe; overgeslagen plekken laten lucht achter; sommige materialen worden bij herhaald opwarmen en afkoelen uit de verbinding gepompt (pump-out) en laten holtes achter.
Met de hand aangebrachte pasta, of een goedkopere massa met lage geleidbaarheid, geeft precies die fouten. De lamp doorstaat een snelle test in de fabriek en wordt in het veld te heet.
Zo bouwen wij het: de pasta wordt als een gelijkmatige laag over de hele printplaat aangebracht, met een massa die is gekozen op haar thermische geleidbaarheid en niet op haar prijs.
4. Het solderen: slecht beheerste reflow
LED's en componenten van de driver worden gesoldeerd in een reflowoven die een vast temperatuurprofiel volgt. Is de piektemperatuur te laag of blijft het soldeer te kort vloeibaar, dan ontstaat een koude soldeerverbinding die er goed uitziet en geleidt, maar zwak is. Op een voertuig krijgt die verbinding vervolgens twee soorten belasting te verduren: temperatuurwisselingen, die het soldeer bij elke opwarming en afkoeling een beetje vermoeien, en trillingen, die de printplaat laten buigen tot een verzwakte verbinding scheurt. De lamp begint te flikkeren en valt daarna uit, vaak alleen als de machine draait.
Zo bouwen wij het: onze SMT-lijn werkt met een beheerst reflowprofiel, en elk ontwerp gaat vóór de productie op onze eigen triltafel door het trillingsprofiel van de klant en door thermoschokcycli. Vóór verzending wordt elke lamp ingeschakeld voor een burn-intest met afwisselend 12 V en 24 V ingangsspanning. Hoe trillingswaarden worden opgegeven, leest u bij trillingsclassificatie.
5. Ompoling: geen beveiliging als de draden worden verwisseld
Werklampen worden vaak ter plaatse aangesloten, op machines waar beide draden zwart zijn of de kleurcode is vervaagd. Een lamp zonder ompolingsbeveiliging kan beschadigd raken de eerste keer dat plus en min worden verwisseld. Ook de voertuigkant is niet zachtzinnig: ISO 16750-2, de norm voor elektrische belastingen in wegvoertuigen, bevat testonderdelen voor omgekeerde spanning en voor load dump, de spanningspiek wanneer een accu wordt losgekoppeld terwijl de dynamo laadt.
Zo bouwen wij het: onze drivers hebben ompolingsbeveiliging, en onze werklampen werken op 9–32 V DC, zodat één uitvoering machines van 12 V en 24 V dekt.
6. De lens: kunststof die geel wordt
Polycarbonaat is taai en wordt daarom gebruikt voor de lenzen van werklampen, maar niet-gestabiliseerd polycarbonaat vergeelt onder ultraviolet licht, laat minder licht door en wordt brosser. Grondstoffabrikanten verkopen juist daarom UV-gestabiliseerde kwaliteiten en coatings. Een goedkopere lens ziet er op de dag van levering hetzelfde uit en laat na een tijd buiten merkbaar minder licht door. Meer over lensmaterialen bij polycarbonaatlens.
Zo bouwen wij het: de meeste van onze lenzen zijn van anti-UV-polycarbonaat, sommige modellen hebben een lens met gehard oppervlak en sommige gebruiken in plaats daarvan glas.
7. De afdichtingen: siliconen die uitgassen en de lens laten beslaan
Een werklamp is afgedicht om water buiten te houden, en houdt daarmee ook binnen wat de materialen erin afgeven. Lijmen, pakkingen, O-ringen en gietmassa's kunnen bij verhitting vluchtige verbindingen vrijgeven. In een gesloten lamp condenseren die aan de binnenkant van de lens als een waas die op vuil lijkt, en ze kunnen ook worden opgenomen door de siliconen van de LED's zelf en die verkleuren. De applicatienotitie van Cree over chemische compatibiliteit toont een bijna afgesloten armatuur waarvan het licht na minder dan 100 uur zichtbaar geel was geworden, en een afgesloten testgroep die na 450 uur 90% van haar lichtopbrengst had verloren, terwijl een groep met een geventileerde behuizing binnen 24 uur bijna al haar verloren opbrengst terugwon.
Afdichten blijft nodig. Het gaat erom afdichtingsmaterialen te gebruiken die bij de bedrijfstemperatuur van de lamp niet uitgassen, en de afgewerkte lamp warm te testen.
Zo bouwen wij het: afdichtingsmaterialen worden gekozen met het oog op uitgassen, de driver is ingegoten, en de afgedichte lamp doorloopt onze tests met onderdompeling in water, hogedrukspuiten en thermoschok. Hoe IP-classificaties voor afdichting zich tot elkaar verhouden, leest u in IP69K vs IP68.
Zeven besparingen, wat ze veroorzaken en wat u moet vragen
| Waar bespaard wordt | Waartoe het leidt | Wat u de leverancier vraagt |
|---|---|---|
| Behuizing van magnesiumlegering, dunne wanden | LED's worden heet, snellere lichtterugval, sommige LED's branden door | Legeringskwaliteit en wanddikte van de behuizing |
| Dunne printplaat, zwakke isolatielaag | Warmte opgesloten onder de LED's | Type printplaat en hoe de geleiding van de isolatielaag is gemeten |
| Ongelijkmatige of inferieure koelpasta | Hotspots, snellere lichtterugval | Thermisch interfacemateriaal en hoe het wordt aangebracht |
| Slecht beheerste reflow | Flikkeren, daarna uitval onder trillingen | Beheersing van het reflowprofiel, trillings- en thermoschoktests |
| Geen ompolingsbeveiliging | Lamp vernield bij verkeerd aansluiten | Is ompolingsbeveiliging ingebouwd? |
| Niet-gestabiliseerde lens | Vergeling, minder licht | Lensmateriaal en UV-stabilisatie |
| Uitgassende afdichtingsmaterialen | Waas in de lens, verkleuring van de LED's | Afdichtingsmaterialen en warm testen van de afgedichte lamp |
Vragen voor elke leverancier
De tabel behandelt de zeven besparingen. Drie andere vragen zijn het waard om te stellen aan wie uw lampen ook maakt, omdat de antwoorden afhangen van het model en het project:
Heeft de lamp een ontluchtingsventiel of membraan, en hoe wordt condensatie aangepakt?
Verlaagt de driver het vermogen als de lamp oververhit raakt?
Welke transiëntentests, zoals load dump, heeft de lamp doorstaan, en volgens welke norm?
Vergelijkbare specificaties tussen leveranciers komen aan bod in LED-verlichting voor zware machines. Voor het assortiment, zie LED-werklampen.
Als een lamp die u nu gebruikt steeds op een van deze manieren uitvalt, stuur ons dan het model, de machine en een beschrijving van de storing. Wij vertellen u welke van de zeven de waarschijnlijke oorzaak is en wat wij zouden veranderen.
Veelgestelde vragen
Waardoor branden LED-werklampen snel door?
Meestal door warmte. Als de behuizing, printplaat of koelpasta de warmte niet van de LED's kan afvoeren, worden ze heter dan bedoeld, lopen ze sneller in lichtsterkte terug en branden ze op de slechtste posities door. Slecht soldeerwerk en ontbrekende ompolingsbeveiliging veroorzaken de plotselinge storingen.
Waarom flikkert mijn LED-werklamp als de machine draait?
Flikkeren dat samen met motortrillingen optreedt, wijst vaak op een gescheurde soldeerverbinding of een losse verbinding in de lamp. Temperatuurwisselingen verzwakken het soldeer na verloop van tijd, en trillingen trekken de scheur open.
Waarom zit er een waas in mijn LED-werklamp?
Ofwel is er vocht langs een afdichting gekomen, ofwel zijn materialen in de lamp uitgegast en op de lens gecondenseerd. Warmte drijft het uitgassen aan, dus het komt het meest voor in lampen die heet worden.
Kan een LED-werklamp beschadigd raken als hij verkeerd om wordt aangesloten?
Ja, als de lamp geen ompolingsbeveiliging heeft. Vraag de leverancier of de driver beveiligd is voordat monteurs de lampen ter plaatse installeren.
