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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Verschleiß bei LEDs im PWM-Betrieb?


Autor: Jens G. (jenald)
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Hallo,

bin neu hier im Forum und kenne mich noch nicht so aus, daher habt bitte 
Verständnis, wenn dies hier am falschen Ort gefragt ist (Ihr dürft den 
Thread gerne in das richtige Forum verschieben):

Meine Eltern haben mir als Kind immer eingeredet, dass Lampen vom vielen 
Ein- und Ausschalten kaputt gehen. Ich habe aber im Laufe meiner 
Schullaufbahn (besonders im Physik-Unterricht) immer mehr den Eindruck 
gewonnen, dass sie mir das nur erzählt haben, damit ich aufhöre, sie mit 
dem Licht zu nerven. Andererseits wird dieses Gerücht ja schließlich 
sehr vielen Kindern erzählt.

Was hat es damit denn nun wirklich auf sich? Gehen Lampen (also 
Zimmerlampen wie z.B. Glühbirnen) wirklich vom häufigen Ein- und 
Ausschalten kaputt? Und wie verhält es sich da bei LEDs?

Speziell bei Mikrocontrollern kann man ja auch PWM nutzen, um die 
Helligkeit der LEDs zu regeln. Dabei werden diese ja ganz schnell 
geschaltet, sodass es so aussieht, als ob sie nur mit z.B. halber 
Helligkeit eingeschaltet sind. Wie wirkt sich denn dann PWM auf den 
Verschleiß der LED aus?

MfG
jenald

Autor: Simon S. (-schumi-)
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Das was deine Eltern erzählt haben hat ganz einfach damit zu tun, dass 
Glühbirnen im kalten Zustand einen kleineren Widerstand haben als 
vorgesehen und desshalb kurzzeitig (bis sie warm sind) überbeansprucht 
werden. Das geht eben auf die Lebenszeit.

Durch die Wechselspannung werden die Lampen im übrigen sowiso 100x pro 
Sekunde ein/ausgeschaltet, aber so schnell kühlen die nicht ab.

Genauso bei PWM, da sind die Pausen viel zu kurz als dass eine Glühbirne 
abkühlen könnte. Und LEDs ist das alles sowiso total wurst, da 
verschleisst garnix.

Autor: Jens G. (jenald)
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Danke für deine schnelle Antwort.

Tritt der Verschleiß also nur auf, wenn die Lampe abgekühlt ist?

Wenn ich das Licht wieder einschalte, solange die Lampe noch warm ist, 
also innerhab von ein paar Sekunden, dann ist das für die Lampe 
vollkommen egal?

Autor: Thomas (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Wenn ich das Licht wieder einschalte, solange die Lampe noch warm ist,
> also innerhab von ein paar Sekunden, dann ist das für die Lampe
> vollkommen egal?

Kalt ist die Glühbirne, i.e. eigentlich der Glühfaden, schon, wenn sie 
nicht mehr hell leuchtet.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Der Stress für den Glühfaden ist abhängig von der Temperaturdifferenz, 
der er ausgesetzt wird. Da das Glühen der Lampe aber direkt die 
Temperatur des Fadens darstellt (1500°C-3000°C) ist es relativ 
unwesentlich, ob er nun von 200°C auf 3000°C erhitzt wird oder von 20°C.
http://de.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BChlampe

Im Prinzip ist es bei LEDs nicht anders, ausser, das hier die Wärme noch 
schlechter abgeführt werden kann. Je mehr thermischen Stress der Chip 
ausgesetzt wird, desto schneller wird er kaputt gehen. Eine LED, die 
nicht merklich warm wird, kann also ewig leben. Umgekehrt werden in 
vielen LED Lampen die Chips bis an oder sogar über ihre Grenzen 
belastet, was die begrenzte Lebendauer erklärt.
http://de.wikipedia.org/wiki/LED

Autor: Jens G. (jenald)
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Ok, vielen Dank für eure schnellen Antworten. Scheint ja echt eine 
lebhafte Community zu sein (sogar sonntags :)

Autor: JensM (Gast)
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Abkühlen bedeutet bei Glühlampen, dass der Glühfaden nicht mehr glüht.
Dies geschieht nach meiner Schätzung im Bereich von 100-500 ms, egal wie 
heiß der Glaskolben ist.
Bei Halogenlampen kann man teilweise noch beobachten wie der Glühfaden 
abkühlt. Wie gesagt es ist fast egal, ob der Glühfaden von 2000°C auf 
150°C oder auf 20°C abkühlt.

Wenn der Glühfaden von 1800°C auf 2000°C nach der PWM Pause aufheizt ist 
das ein geringer thermischer Stress, als wenn der Glühfaden nach 1sec 
von 100°C auf 2000°C aufgeheizt wird.

MfG JensM.

Autor: Frank M. (frank_m35)
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Die meisten Glühbirnen gehen doch auch beim Einschalten Defekt, da dort 
der Widerstand des Wolframdrahtes noch klein ist, da der Draht kalt ist:
http://www.leifiphysik.de/web_ph10/musteraufgaben/...

Achte auf die Zeitskala, es geht hier um ms. Genauso flott ist der Draht 
wieder 'abgekühlt'. (das Nachleuchten beim Ausschalten dauert ja max. 1 
Sekunde)
Wenn er leuchtet hat er ja eine Betriebstemperatur von 4000-5000 Grad 
oder mehr. Er leuchtet ja nur weil er so heiß ist. Also wenn er nicht 
mehr leuchtet ist die Temperatur weit von der Betriebstemperatur 
entfernt.

Noch was dazu:
http://www.utopia.de/blog/luas/leuchststoffroehrenaberglaube

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Matthias Sch. (Firma: Matzetronics) (mschoeldgen)

>Im Prinzip ist es bei LEDs nicht anders,

Keine Sekunde. LEDs sind keine Glühemmitter und arbeiten nicht mal 
ansatzweise bei 3000K.

> ausser, das hier die Wärme noch
>schlechter abgeführt werden kann. Je mehr thermischen Stress der Chip
>ausgesetzt wird, desto schneller wird er kaputt gehen.

Mag sein, ist aber in Bezug auf PWM vollkommen falsch.

> Eine LED, die
>nicht merklich warm wird, kann also ewig leben. Umgekehrt werden in
>vielen LED Lampen die Chips bis an oder sogar über ihre Grenzen
>belastet, was die begrenzte Lebendauer erklärt.

Geht an der Frage des OP vorbei.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Jens G. (jenald)

>Speziell bei Mikrocontrollern kann man ja auch PWM nutzen, um die
>Helligkeit der LEDs zu regeln. Dabei werden diese ja ganz schnell
>geschaltet, sodass es so aussieht, als ob sie nur mit z.B. halber
>Helligkeit eingeschaltet sind.

Ja, siehe PWM.

> Wie wirkt sich denn dann PWM auf den Verschleiß der LED aus?

Wenn sie richtig gemacht wird, gar nicht. Denn bei normaler PWM wird die 
LED nur mit ihrem Nominalstrom gepulst, den sie auch dauerhaft aushalten 
würde. Das Verkürzen der Pulsdauer bewirkt nur eine Verringerung des 
effektiven Stroms und damit der Helligkeit. Die Temperatur in der LED 
schwankt dabei nur minimal im Bereich von vielleicht 5K oder weniger, 
weil die thermische Trägkeit des LED-Chips das alles glättet.

Autor: Thomas (Gast)
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Frank M. schrieb:
> Wenn er leuchtet hat er ja eine Betriebstemperatur von 4000-5000 Grad
> oder mehr.

Das nun bestimmt nicht. Bei einer 50W/12V Halogenlampe hat die 
Glühwendel eine Temperatur von etwa 3300 K, d.h. rund 3600 °C.

Autor: Thomas (Gast)
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Thomas schrieb:
> etwa 3300 K, d.h. rund 3600 °C

meine natürlich 3000 °C

Autor: Michael (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
>> ausser, das hier die Wärme noch
>>schlechter abgeführt werden kann. Je mehr thermischen Stress der Chip
>>ausgesetzt wird, desto schneller wird er kaputt gehen.
>
> Mag sein, ist aber in Bezug auf PWM vollkommen falsch.

Da geb ich Falk recht. Bei Halbleitern ist das völlig unerheblich. Den 
Thermischen Stress machen die Bondwires und der Die-Kleber ohne Probleme 
mit. Das einzig wirklich relevante Problem bei LEDs ist die Diffusion 
der Dotierung. Die geht linear mit der Temperatur einher. Je wärmer 
desto lieber diffundieren die Dotierungsatome und desto "flacher" wird 
der PN-Übergang. Das führt dann letztendlich zum schwächerwerden der LED 
(-> Menschen die mit günstigen China-LEDs arbeiten kennen das Problem 
schon nach wenigen 100 Betriebsstunden) bzw. der Farbveränderung.

Glühlampen (besser die Glühfäden) sind natürlich extremem thermischem 
Stress ausgesetzt. Wenn man Glühlampen selten schaltet, dann bricht auch 
der Glühdraht nicht so schnell, da weniger thermischer Stress. Bestes 
Beispiel ist die älteste Glühlampe der Welt das Centennial Light 
http://de.wikipedia.org/wiki/Centennial_Light
Diese ist ein blendendes Beispiel für eine langlebige Glühlampe die kaum 
/ seltenst geschaltet wurde. Darum lebt sie auch schon so lange.

Autor: Wilhelm F. (ferkes-willem)
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Jens G. schrieb:

> Meine Eltern haben mir als Kind immer eingeredet, dass Lampen vom vielen
> Ein- und Ausschalten kaputt gehen.

Die meisten Menschen haben von Technik keine Ahnung, und plappern irgend 
was nach, was sie aus einer Quelle haben, die tatsächlich oder auch nur 
vermeintlich seriös ist.

Mir erzählten meine Eltern sogar, daß ein Einschaltmoment so viel 
kostet, wie eine halbe Stunde Betrieb. Das kam sogar mal im Fernsehen 
(1970-er Jahre), und es wurde von allen Zuschauern kritiklos übernommen.

Das eingeschaltete Licht ist aber insofern bei der Frage interessant, ob 
der Stromverbrauch bei brennender Birne oder die häufigeren 
Lampenwechsel auf Dauer teurer oder billiger werden. Das müßte man mal 
an einem Beispiel durch rechnen. Z.B., wieviel kWh Strom entsprechen der 
Differenz der Birnenlebensdauer.

> Was hat es damit denn nun wirklich auf sich? Gehen Lampen (also
> Zimmerlampen wie z.B. Glühbirnen) wirklich vom häufigen Ein- und
> Ausschalten kaputt?

Das würde ich so direkt nicht unterschreiben. Fakt ist aber, daß eine 
Glühlampe im fort geschrittenen Verschleißstadium des Glühfadens 
irgendwann bei Einschaltung durch knallt. Dann hat sich das 
Glühfadenmaterial schon etwas verdünnisiert, und der Faden wird auch 
zunehmend inhomogen. An der schwächsten Stelle knallt er dann durch.

Halbleiter unterliegen auch einer exponentiellen temperaturabhängigen 
Alterung. Das macht aber meistens nichts, weil heute kaum ein Gerät mal 
die 10 Jahre Nutzungsdauer erreicht, auch wenn es durchaus älter werden 
könnte. Vor der Verschleißgrenze landet das meiste Konsumzeugs bereits 
im Müll. Also, eine alte 486-CPU von 1992 hat heute kaum noch jemand im 
Dauerbetrieb. Die andere Frage wäre, ob die CPU, die ja nicht gerade 
kühl bleibt, einen Dauerbetrieb bis heute überlebt hätte.

Autor: XY (Gast)
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Michael schrieb:
> Da geb ich Falk recht. Bei Halbleitern ist das völlig unerheblich. Den
> Thermischen Stress machen die Bondwires und der Die-Kleber ohne Probleme
> mit.

Thermischer Stress ist bei Leistungshalbleitern alles andere als 
unerheblich! Das entscheidende ist, dass bei PWM:

Falk Brunner schrieb:
> Die Temperatur in der LED
> schwankt dabei nur minimal im Bereich von vielleicht 5K oder weniger,
> weil die thermische Trägkeit des LED-Chips das alles glättet.

Die thermische Zeitkonstante des Chips ist lang genug. Dazu kommt, dass 
LED thermisch ja nicht so weit ausgefahren (max. 100° Chiptemperatur) 
werden. Wenn man aber eine LED im Sekundentakt blinken lassen würde und 
der Temperaturunterschied dabei 60K erreicht, wird man sicherlich eine 
Verringerung der Lebensdauer beobachten können.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Michael schrieb:
> Den
> Thermischen Stress machen die Bondwires und der Die-Kleber ohne Probleme
> mit.

Du hast offensichtlich noch keine flackernden Hochleistungs-LEDs erlebt. 
Bei denen hat sich nämlich genau der Bonddraht gelöst, entweder wegen 
schlechter Fertigung oder aufgrund des thermischen Stresses.
Das schnelle Aufheizen und Abkühlen von Halbleiter Dies erzeugt 
Mikrorisse, die dann zum Ableben des Bauteiles führen.

Autor: Wilhelm F. (ferkes-willem)
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XY schrieb:

> Thermischer Stress ist bei Leistungshalbleitern alles andere als
> unerheblich! Das entscheidende ist, dass bei PWM:

In einer CPU hat man doch das selbe Spiel wie bei PWM: Ein- und 
Ausschaltungen von Transistoren. Leistungselektronik ist das sicher 
auch. Genau genommen auch noch Höchstspannungstechnik. Die höchsten 
elektrischen Feldstärken gibt es nicht an einem 380kV-Mast, sondern in 
einem Chip drinne.

In einem 35 Jahre alten Buch über Halbleiter habe ich noch 
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Elektromigration. Das führt auch 
zum Ausfall. Die Betrachtung dort ging über Bausteine wie OTP-ROM und 
Technik für PAL-Bausteine, wo Fuses richtig durch Verbrennung gebrannt 
wurden. Denn die verlieren dadurch auch den Speicherinhalt, nicht nur 
Floating-Gates in Flash.

Im Fach Halbleitertechnik gingen wir bis hin zur Ausbreitung termischer 
Wellen auf einer CPU. Es ergibt ein Wellenmuster, so, wie wenn man einen 
Stein ins Wasser wirft, und konzentrische Kreise entstehen. Näher 
betrachteten wir das aber nicht mehr. Das ist allenfalls für einen 
Materialforscher und Optimierer interessant, in der Praxis sonst 
meistens nicht.

Autor: XY (Gast)
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Wilhelm Ferkes schrieb:
> In einer CPU hat man doch das selbe Spiel wie bei PWM: Ein- und
> Ausschaltungen von Transistoren. Leistungselektronik ist das sicher
> auch.

Nein, hat man nicht. In einem Prozessor wird schneller getaktet, 
außerdem bleibt der Chip im Mittel relativ gleichmäßig erwärmt. Der 
thermische Stress auf Bonddrähte und Lotverbindungen ist minimal.

Wilhelm Ferkes schrieb:
> Die höchsten
> elektrischen Feldstärken gibt es nicht an einem 380kV-Mast, sondern in
> einem Chip drinne.

Um Feldstärken geht es nicht.

Wilhelm Ferkes schrieb:
> In einem 35 Jahre alten Buch über Halbleiter habe ich noch
> Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Elektromigration. Das führt auch
> zum Ausfall.

Vielleicht solltest du mal ein aktuelles Buch in die Hand nehmen, und 
nicht eines, bei dem Röhren noch aktuell waren.

Wilhelm Ferkes schrieb:
> Im Fach Halbleitertechnik gingen wir bis hin zur Ausbreitung termischer
> Wellen auf einer CPU.

In der Praxis hast du wohl keine Erfahrung.

Autor: Klaus L. (klausi5000)
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Michael schrieb:
> Da geb ich Falk recht. Bei Halbleitern ist das völlig unerheblich.
Nein, das ist es nicht, da Halbleiter eine Raumladungskapazität 
besitzen, deren Beladung erst gefüllt/ausgeräumt werden muss. Damit 
fliesst Strom, der nicht zur Helligkeit beiträgt, was dazu führt, dass 
man etwas mehr Strom fliessen lassen muss.

Ferner führen steilflankige Signale zu einem sehr unausgeglichenen Strom 
im Kristal, der lokale hohe Feldstärken erzeugt, die den Kristall altern 
lassen.

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