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Einfluss von Temperatur und Strom auf die Zuverlässigkeit und das lichttechnische Verhalten von LED-Systemen

Wagner, Max :
Einfluss von Temperatur und Strom auf die Zuverlässigkeit und das lichttechnische Verhalten von LED-Systemen.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8208]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8208

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse von Temperatur und Strom auf die Zuverlässigkeit und das lichttechnische Verhalten von LED-Systemen untersucht.

Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz ersetzen auf lichtemittierenden Dioden basierende Lampen und Leuchten zunehmend klassische Lichtquellen wie Glüh- und Entladungslampen. Der Anteil der sichtbaren Strahlung am gesamten emittierten Spektrum ist bei einer Leuchtdiode höher als bei thermischen Strahlern. Die erzeugte Wärmeleistung reicht jedoch immer noch aus, um die Leuchtdiode bei schlechter Wärmeanbindung so stark aufzuheizen, dass ihre Lebensdauer verringert wird oder sie fast unmittelbar ausfällt. Die Temperatur ist daher einer der Hauptfaktoren bei der Analyse der Defektmechanismen.

Innerhalb einer Literaturrecherche wird die Entwicklung der Lebensdaueranalyse von Beginn der ersten hergestellten Leuchtdioden bis heute aufgezeigt. Am Anfang konnten die Alterungsdaten noch mit relativ einfachen Modellen berechnet werden. Diese wurden mit der Zeit komplexer, heutzutage treten ergänzend aufwendige statistische Methoden dazu. Die Anzahl bekannter Fehlermechanismen in LED-Packages hat sich in den letzten Jahren von zehn auf über fünfzig erhöht. Daher ist die Erforschung der Zuverlässigkeit von LED-Systemen so komplex, dass kaum physikalische Modelle für die Alterung existieren.

Der Testzeitraum für die Lebensdauer von kommerziell erhältlichen LEDs beträgt häufig herstellerseitig lediglich 6000 h, was einer Mindestvorgabe im aktuellen Standard für Lebensdauermessungen entspricht. Daher sind Langzeitdaten über die Alterung von LEDs recht selten und für die Öffentlichkeit oft nicht zugänglich.

Für die Untersuchung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer dienen Versuchsstände, die für die Alterung von LED-Packages entwickelt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei verschiedene LED-Typen gealtert. Die Messergebnisse aus der Langzeitalterung von Hochleistungs-LEDs decken einen Zeitraum von 20 000 h ab. Außerdem wurden Chip-on-Board-LEDs während 6000 h gealtert.

Die Kenntnis der Temperaturen innerhalb von LED-Packages wird benötigt, um die an verschiedenen Orten auftretenden Alterungsmechanismen näher zu analysieren. Für die Untersuchung der Wärmeflüsse dienen speziell angefertigte LED-Packages, deren Bestandteile und Materialien gezielt variiert werden. Thermisch transiente Messungen lassen dabei Rückschlüsse auf wärmeableitende Schichten des Packages und der Leiterplatte zu.

Die Ergebnisse der Langzeitalterung zeigen, dass sowohl die Temperatur, als auch der Strom die Degradation eines LED-Packages beeinflussen. In manchen Fällen führt die Beschleunigung mittels Temperatur zu Ergebnissen, die eine Berechnung der Lebensdauer für niedrige Temperatur möglich macht. Anderseits können die oft angewandten Standardfunktionen die Alterungsdaten von bestimmten LED-Packages nicht zuverlässig extrapolieren.

Daher wird ein neues Lebensdauermodell entwickelt, welches keine Funktionen für die Abbildung der zeitlichen Alterung benötigt. In das Modell fließen sowohl die Temperatur, als auch der Strom ein, so dass für verschiedene Betriebsbedingungen die Lebensdauer von LED-Packages bestimmt werden kann. Außerdem zeigt sich bereits während der Modellbildung, ob die eingehenden Testdaten für eine zuverlässige Berechnung geeignet sind.

Ein thermischer Einfluss auf die gemessenen lichttechnischen Werte ist auch bei LED-Systemen gegeben. Die speziellen Messbedingungen für LED-Systeme sind in einem Standard der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) festgelegt. Dort findet sich eine Korrekturmethode für Messungen, während der sich die Brennlage des untersuchten LED-Systems ändert. Dies führte zu speziellen Erweiterungen in der Lichtmesstechnik. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, die allein mit nachträglichen Umrechnungen der Messwerte bereits eine Korrektur der Brennlage erreicht.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Wagner, Max
Titel: Einfluss von Temperatur und Strom auf die Zuverlässigkeit und das lichttechnische Verhalten von LED-Systemen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse von Temperatur und Strom auf die Zuverlässigkeit und das lichttechnische Verhalten von LED-Systemen untersucht.

Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz ersetzen auf lichtemittierenden Dioden basierende Lampen und Leuchten zunehmend klassische Lichtquellen wie Glüh- und Entladungslampen. Der Anteil der sichtbaren Strahlung am gesamten emittierten Spektrum ist bei einer Leuchtdiode höher als bei thermischen Strahlern. Die erzeugte Wärmeleistung reicht jedoch immer noch aus, um die Leuchtdiode bei schlechter Wärmeanbindung so stark aufzuheizen, dass ihre Lebensdauer verringert wird oder sie fast unmittelbar ausfällt. Die Temperatur ist daher einer der Hauptfaktoren bei der Analyse der Defektmechanismen.

Innerhalb einer Literaturrecherche wird die Entwicklung der Lebensdaueranalyse von Beginn der ersten hergestellten Leuchtdioden bis heute aufgezeigt. Am Anfang konnten die Alterungsdaten noch mit relativ einfachen Modellen berechnet werden. Diese wurden mit der Zeit komplexer, heutzutage treten ergänzend aufwendige statistische Methoden dazu. Die Anzahl bekannter Fehlermechanismen in LED-Packages hat sich in den letzten Jahren von zehn auf über fünfzig erhöht. Daher ist die Erforschung der Zuverlässigkeit von LED-Systemen so komplex, dass kaum physikalische Modelle für die Alterung existieren.

Der Testzeitraum für die Lebensdauer von kommerziell erhältlichen LEDs beträgt häufig herstellerseitig lediglich 6000 h, was einer Mindestvorgabe im aktuellen Standard für Lebensdauermessungen entspricht. Daher sind Langzeitdaten über die Alterung von LEDs recht selten und für die Öffentlichkeit oft nicht zugänglich.

Für die Untersuchung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer dienen Versuchsstände, die für die Alterung von LED-Packages entwickelt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei verschiedene LED-Typen gealtert. Die Messergebnisse aus der Langzeitalterung von Hochleistungs-LEDs decken einen Zeitraum von 20 000 h ab. Außerdem wurden Chip-on-Board-LEDs während 6000 h gealtert.

Die Kenntnis der Temperaturen innerhalb von LED-Packages wird benötigt, um die an verschiedenen Orten auftretenden Alterungsmechanismen näher zu analysieren. Für die Untersuchung der Wärmeflüsse dienen speziell angefertigte LED-Packages, deren Bestandteile und Materialien gezielt variiert werden. Thermisch transiente Messungen lassen dabei Rückschlüsse auf wärmeableitende Schichten des Packages und der Leiterplatte zu.

Die Ergebnisse der Langzeitalterung zeigen, dass sowohl die Temperatur, als auch der Strom die Degradation eines LED-Packages beeinflussen. In manchen Fällen führt die Beschleunigung mittels Temperatur zu Ergebnissen, die eine Berechnung der Lebensdauer für niedrige Temperatur möglich macht. Anderseits können die oft angewandten Standardfunktionen die Alterungsdaten von bestimmten LED-Packages nicht zuverlässig extrapolieren.

Daher wird ein neues Lebensdauermodell entwickelt, welches keine Funktionen für die Abbildung der zeitlichen Alterung benötigt. In das Modell fließen sowohl die Temperatur, als auch der Strom ein, so dass für verschiedene Betriebsbedingungen die Lebensdauer von LED-Packages bestimmt werden kann. Außerdem zeigt sich bereits während der Modellbildung, ob die eingehenden Testdaten für eine zuverlässige Berechnung geeignet sind.

Ein thermischer Einfluss auf die gemessenen lichttechnischen Werte ist auch bei LED-Systemen gegeben. Die speziellen Messbedingungen für LED-Systeme sind in einem Standard der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) festgelegt. Dort findet sich eine Korrekturmethode für Messungen, während der sich die Brennlage des untersuchten LED-Systems ändert. Dies führte zu speziellen Erweiterungen in der Lichtmesstechnik. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, die allein mit nachträglichen Umrechnungen der Messwerte bereits eine Korrektur der Brennlage erreicht.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Lichttechnik
Hinterlegungsdatum: 25 Nov 2018 20:55
Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8208
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82089
Gutachter / Prüfer: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Klaus, Prof. Dr. Hofmann
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 Mai 2018
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
In the present work, the influences of temperature and electric current on the reliability and photometric behaviour of LED systems are investigated. Due to their high energy efficiency, LEDs are increasingly replacing conventional light sources such as incandescent and discharge lamps. The proportion of emitted optical to thermal radiation is higher than by thermal emitters. However, the heat output generated is still sufficient to heat up the light-emitting diode to such an extent that its lifetime is reduced or it almost immediately fails. Temperature is, therefore, one of the main factors in the analysis of failure mechanisms. The literature research shows the development of the lifetime analysis from the beginning of the first light emitting diodes to the present day. Initially, the ageing data could be calculated using simple models. These have become more and more complex over time, and today’s statistical methods are supplementing them. The number of known failure mechanisms in LED packages has increased from ten to over fifty in recent years. Therefore, research into the reliability of LED systems is so complex that there are hardly any physical models for ageing. The test period for the lifetime of commercially available LEDs is often only 6000 h, which is a minimum requirement in the current standard for lifetime measurements. Therefore, long-term data on the ageing of LEDs are quite rare and often not accessible to the public. In the study ageing test setups for testing the reliability and lifetime LED packages are presented. Within the scope of this work, two different LED types are aged. The measurement results from the long-term ageing of high-power LEDs cover a period of 20 000 h. In addition, chip-on-board LEDs have been aged over the typical period of 6000 h. In some cases, acceleration by temperature leads to results that allow the calculation of the lifetime for a low temperature. On the other hand, the often used standard functions cannot reliably extrapolate the ageing data of certain LED packages. The results of long-term ageing show that both temperature and current influence the degradation of an LED. That is why a new model for lifetime is developed that include both parameters. The model does not need ageing functions but uses the lifetimes at every condition. During the modelling data are tested for its suitability. Knowledge of the temperatures inside LED packages is required to analyse ageing mechanisms that occur at different locations. Specially designed LED packages are used for the investigation of heat fluxes. Its components and materials are selectively varied. The thermal influence on the measured photometric values can also be observed investigating LED systems. The special measuring conditions for LED systems are defined in a standard issued by the International Commission of Illumination (CIE). There is a correction method for measurements during which the burning position of the examined LED system changes. This led to special extensions of measuring instruments. In the present work, a method is presented which already achieves a correction of the burning position by subsequent correction calculations of the measured values alone.Englisch
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