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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Einfluss von Stromstärke und Temperatur auf Lebensdauer LED


Autor: Karl (Gast)
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Hallo zusammen,

ich hätte ein paar Fragen zum Einfluss von Stromstärke und Temperatur
auf Farbe und Lebensdauer von LEDs:

1. Im Datenblatt meiner LEDs steht, dass diese einen Betriebsstrom von
20mA bei 2,1 V haben. Dabei erzeugen Sie licht
mit einer bestimmten Helligkeit und Wellenlänge.
Wenn ich kurzfristig den Strom stark erhöhe, so verändert sich die
Lichtfarbe meiner LEDs von gelb in Richtung rot.

Ist diese Rotfärbung nun eine direkte Folge des zu hohen Stromes
oder durch die damit verbundene Temperaturerhöhung?

2. Wenn ich den LEDs anstatt der empfohlenen 20mA Dauerstrom
eine PWM-Modulierten Strom gebe mit 50% Einschaltdauer und dafür
aber 40mA, so ist die Lichtfarbe in meinem Fall noch immer ungefähr
gelb. Die Leistung die nun verbraten wird ist identisch. Die
Wärmeentwicklung müsste auch ungefähr gleich sein.
Ist diese Betriebsart Lebenszeitverkürzend?

3. Ab welchen Umgebungstemperaturen wird der Einsatz von LEDs kritisch?
Wie sieht es in Ampeln aus? Da könnten doch ohne weiteres
im Sommer 80°C drinnen sein. Plus die selbst erzeugte Wärme der LEDs
könnten diese dann doch schnell 100°C erreichen. Ab wann wird es
für LEDs Lebensdauermäßig kritisch?
Wie sieht es mit der Lichtverfärbung bei solchen Temperaturen aus?

Vielen Dank für Eure fundierten Antworten und viele Grüße
Karl

Autor: Benedikt (Gast)
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zu 1
Diese Verfärbung hat nicht mit dem Strom zu tun, sondern nur etwas mit
der Temperatur. Wenn die LED rot leuchtet, ist sie hinüber (das geht so
ziemlich mit jeder LED Farbe, selbst weise LEDs leuchten rot)

zu 2
PWM verkürzt die Lebensdauer nicht, zumindest wenn man alle Daten
einhält.

zu 3
Ab etwa 100-150°, wenn ich das nocht richtig im Kopf habe.

Autor: Stephan (Gast)
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Oftmals sieht man in Datenblättern bei den absolut maximum ratings eine
Pulsbelastung von 100mA.

Stephan.

Autor: Karl (Gast)
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Danke für Eure Antworten.

Wenn ich Eure Antworten zusammenfasse, ist PWM kein Problem, sofern die
durchschnittliche Stromstärke die empfohlenen 20mA nicht überschreitet
und der Strom in der Einschaltphase < der Pulsstromstärke des
Datenblattes ist.

Sofern die LEDs <100° C warm werden, schadet es den LEDs nicht.
Auch langfristig nicht?

Noch zwei Fragen zu der 'Verfärbung'

1. Behalten die LEDs einen bleibenden Schaden, wenn die Farbe durch zu
hohe Stromstärke für ein paar Sekunden rot statt gelb geleuchtet hat?

2. Ich hatte den Eindruck, dass die LEDs bei Erwärmung von gelb nach
orange tendieren. Bin mir aber nicht sicher, ob das nur Einbildung ist.
 Wäre eine Verfärbung wegen Hitze (aber vermutlich noch deutlich unter
100°C) dauerhaft?
Danke nochmal für Eure Tips.

Viele Grüße
Karl

Autor: tom-muc (Gast)
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Hi,

ein Kommentar, was Temperatur und Farbe betrifft:

Temperatur, allgemein: Das Teil ist ein Halbleiter, also an die
bekannten Mechanismen gebunden. Soll heißen, abhängig vom Material ist
bei 120 bis 150 Grad Schluß, dann nehmen thermische Effekte
exponentiell überhand, der "Nutzeffekt" "verschwindet". In der
Regel "stirbt" das Bauelement dann den Wärmetod wegen Überlastung
(wenn es dann weiter betrieben wird!)

Wärmetod ist auch das Stichwort für die Frage nach der roten Farbe. Die
rote Farbe rührt m.M. (korrigiere mich, wer's richtig weiß) daher, das
Du aufgrund der höheren eingeführten Energie einen anderen
Energieübergang für die Rekombination (der zur Lichtaussendung führt)
nutzt. Primär nicht unbedingt schädlich. Schädlich ist die damit
allerdings einhergehende thermische Überlastung! Kurzzeitig wird sie es
"überstehen" und danach wieder normal funktionieren, langfristig
erzeugst Du allerdings eine Vorschädigung des Halbleiters und
verminderst die Lebensdauer.

Autor: RoTzLöFfeL (Gast)
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Also, ich hab mal gehört, ab 2A Nennstrom leuchtet fast jede LED
schwarz-weiß-kariert! Viel Glück!

Autor: ka-long (Gast)
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Hi,

Also Alterung von Halbleitern allgemein hängt von der Stromdichte und
Temperatur ab.

Wenn Du davon ausgehst, dass sich Dein Material nicht temperaturbedingt
verändert, hast Du z.B. folgenden Effekt:

Elektromigration :
Kurz gesagt werden durch die Energie der Elektronen Atome ionisiert,
bewegen sich ein Stück und rekombinieren wieder.
Dadurch entstehen z.B. in Leiterbahnen Kurzschlüsse oder Risse.

Grundsätzlich nimmt also die Lebensdauer mit höherer Temperatur und
höherem Strom ab.

Wenn Du die LEDs am Rand der Spec betreibst, hast Du normalerweise ca.
10-20 Jahre, bis eine LED auf 50% ihrer ursprünglichen Helligkeit
zurück geht.

Also schau ins Datenblatt, Pulse Current bei welchem Duty Cycle und
Frequenz.

Gruß ka-long

Autor: Karl (Gast)
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Scheint so, als ob in meiner Anwendung kein Temperaturproblem auftauchen
sollte. Jetzt bin ich schon etwas beruhigter. Danke an euch alle.

Autor: Chris (Gast)
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> 2. Wenn ich den LEDs anstatt der empfohlenen 20mA Dauerstrom
> eine PWM-Modulierten Strom gebe mit 50% Einschaltdauer und dafür
> aber 40mA, so ist die Lichtfarbe in meinem Fall noch immer ungefähr
> gelb. Die Leistung die nun verbraten wird ist identisch.

IMHO nein. Leistung ist Spannung mal Strom. Du hast doppelten Strom,
aber auch höhere Spannung (ansonsten könnte der Strom schlecht höher
sein). Also hast du mehr als die doppelte Leistung, bei halber
Einschaltdauer.

Also ist die Verlustleistung bei PWM höher als bei Dauerstrom.

Autor: Tobias Schneider (Gast)
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Hi,
das stimmt so nicht. Natuerlich ist bei einem höheren Strom die
Spannung auch höher, eine LED ist jedoch kein Ohmscherwiderstand,
sondern eine Diode mit extrem steiler U-I Kennlinie, die auch bei
gering höherer Spannung einen sehr viel hoeheren Strom durchlaesst.
Daher ist das Produkt von I1  U1 und I2  U2 im Grunde nur von I1 bzw.
I2 abhaengig.

Gruß Tobias

Autor: Karl (Gast)
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@Chris

ich meinte die Leistung, die in den LEDs verbraten wird, ist die
gleiche. Das deshalb, weil ja fast unabhängib von der angelegten
Spannung an den LEDs dort immer die fast gleiche Spannung abfällt.
Dann ändert sich die dort verbratene Leistung nur noch proportional
zur Stromstärke. Und wenn ich bei doppelter Stromstärke mittels PWM den
Strom die halbe Zeit ausschalte, sollte also die in den LEDs verbratene
Leistung die gleiche sein. Im Vorwiderstand sieht es natürlich anders
aus. Hier erhöht sich der Spannungsabfall weit überproportional und
dazu noch die gestiegene Stromstärke. Das bedeutet dann einen
Leistungsverlust von > U hoch 2.

Autor: Ronny (Gast)
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hallo

natürlich gibt es ein temperaturproblem. in den datenblättern der leds
sind diagramme angegeben, die aussagen, welcher strom bei welcher
temperatur zulässig ist ohne die lebensdauer zu verkürzen.

bei hohen umgebungstemperaturen (bsp in der ampel) können/sollten die
leds nicht mehr mit dem nennstrom (der für 20grad angegeben ist)
betrieben werden.

beispiel-led von nichia:

30mA: bis 40°C
20mA: bei 60°C
10mA: bei 80°C

über 85°C kein Betrieb mehr.

Autor: Benedikt (Gast)
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@Tobias Schneider

So steil sind LEDs leider auch nicht:
Bei einer Multiplexansteuerung betreibe ich grüne LEDs mit 0,2A und
rund 4,2V !!!
Der Innenwiderstand beträgt rund 13 Ohm. Oberhalb der Flusspannung
verhält sich die LED fast vollständig linear (wenn man die Flusspannung
wegrechnet).

Autor: ka-long (Gast)
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Hi,

Ansich ist sowas auch alles im Datenblatt spezifiert.

Das nennt sich Derating by Temperature.....

Meistens gibts nen Diagramm Current Vs. Temperature.

Innerhalb dieser Grenze ist die Lebensdauer garantiert.

Gruß ka-long

Autor: Profi (Gast)
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Dass die Farbe sich mit der Temperatur ändert, habe ich schon beim
Auslöten einer SMD-LED während des Betriebs bemerkt. Ist wieder
zurückgegangen.

Die Lebensdauer ist immer auch eine Funktion der Temperatur.
Statistisch gesehen wird eine Schaltung bei 60° schneller ausfallen als
bei 20°, vor allem, wenn die Temperatur sich ständig ändert.

Mancher glaubt vielleicht, dass ein Bauteil ewig hält, solange man es
unter der max.Temp betreibt. Es ist ein fließender Übergang: je höher
die Temp, desto kürzer das Leben.

Autor: Mehmet Kendi (mkmk)
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PWM mag vielleicht die Lebensdauer einer LED nicht verkürzen, ganz
bestimmt aber die Leuchtintensitaet.
Ich lege hierzu eine Application Note der Firma "Agilent
Technologies" bei.

Autor: Winfried (Gast)
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Ich hab hier merkwürdige experimentelle Ergebnisse, die ich mal
mitteilen möchte. Aus dem Klingeltrafo unseres Hauses ziehe ich
Spannung für eine weiße LED, die permanent leuchtet. Anfangs nur
Einweggleichrichtung und Widerstand. Nach einem halben Jahr war die mit
durchschnittlich 20mA betriebene LED nur noch halb so hell, wie anfangs
(Nichia LED, 5mm, weiß).

Ich dachte, es läge vielleicht an unangenehmen Spannungsspitzen, die ja
bei einem Klingeltrafo zu vermuten sind. Also 1mH Spule und 500uF
Kondensator nach der Diode zum abfangen dieser Spitzen eingebaut. Jetzt
nach einem Jahr ist die nächste LED (Agilent 5mm, weiß) schon wieder
recht dunkel.

Keine Ahnung, was da vor sich geht, aber zumindest läuft mein
Langlebigkeitsexperiment nicht so glücklich :-)

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