Teardown: LED-Glühbirnen-Theorie vs. Realität

Duane Benson | 25. August 2023

Die typische LED-Glühbirne für den Haushalt wird mit einer Lebensdauer von 25.000 Stunden beworben, was bei etwa 3 Stunden Nutzung pro Tag einer Lebensdauer von mehr als 20 Jahren entspricht. Das klingt großartig, aber es scheint, dass viele von ihnen nach 30 bis 60 Tagen Nutzung übermäßig flackern oder sich überhaupt nicht einschalten. Zugegeben, im gleichen Zeitraum sind bei mir schon viele Glühbirnen durchgebrannt. Aber ILBs sind mit einer versprochenen Lebensdauer von nur 2.000 Stunden deutlich kostengünstiger, daher habe ich höhere Erwartungen an LED-Lampen, insbesondere jetzt, wo ILBs nicht mehr verfügbar sind.

Ab dem 1. August 2023 ist die Herstellung oder der Verkauf der meisten Glühbirnen in den USA nicht mehr legal. Das Gesetz betrifft insbesondere alle Glühbirnen, die weniger als 45 Lumen pro Watt erzeugen. Wenn man bedenkt, dass Ihre Haushaltsglühbirne für den Garten etwa 10–12 Lumen pro W liefert und die Halogenlampe bei etwa 20 Lumen pro W liegt, handelt es sich praktisch um ein Verbot von Glühlampen. Es gibt Ausnahmen für Geräte und einige andere Installationen in rauen Umgebungen, und – keine Angst vor Ihrem eigenen neuen Altbestand – die Verwendung wurde nicht verboten. Wenn Sie welche haben, können Sie so viele verwenden, wie Sie möchten.

In diesem Artikel werde ich einen Überblick über gängige LED-Glühbirnen geben, um herauszufinden, warum sie trotz des Versprechens einer jahrzehntelangen Lebensdauer so oft nur 30–60 Tage halten.

Das Versprechen der LED-Beleuchtung ist zweifach. Erstens ist die Energieeffizienz wichtig. Ich habe 26 Glühbirnen im Obergeschoss meines Hauses. Normalerweise verwende ich in allen Leuchten 60 W oder gleichwertig, also insgesamt 1,56 kW. Sobald ich sie alle durch LED-Lampen mit der gleichen Helligkeit ersetzt habe, kann ich bei Bedarf alle 24 dieser Lichter einschalten, und zwar mit der gleichen Leistung wie nur eine Leuchte mit mehreren Glühbirnen in meinem großen Badezimmer. Das sind weniger als 3 Ampere 120-V-Strom, die durch meine Kabel fließen und mein gesamtes Obergeschoss beleuchten. Als technikbegeisterter Mensch nenne ich das viel Spielraum für die Sicherheit.

Ich persönlich bin ein Fan von LED-Beleuchtung zur Allgemeinbeleuchtung. Ich fühle mich sicherer, was die Belastung meiner Hausverkabelung angeht, und ich bin sehr zufrieden mit dem geringeren Stromverbrauch. Schön ist auch die Flexibilität, eine große Auswahl an Farbtemperaturen zu haben. Ich genieße sanftes Weiß über dem Esstisch und helles Licht an den Orten, an denen ich arbeite. Natürlich wirft diese große Auswahl ein „First-World-Problem“ mit zu vielen Optionen auf. Zusätzlich zu sanftem Weiß und Tageslicht bietet Home Depot im bescheidenen Edison-Sockel weitere sieben Lichtarten an – und dabei sind die intelligenten Glühbirnen noch nicht einmal mitgerechnet.

Der zweite angebliche Vorteil ist die Lebensdauer von LED-Lampen. Bei 4,00 $ pro LED-Lampe erwarte ich, dass die installierte Leistung mindestens annähernd der beworbenen Leistung entspricht. Da ich mich mit Festkörperelektronik, einschließlich LEDs, recht gut auskenne, kann ich mir vorstellen, dass die theoretische Lebensdauer von 30 Jahren gültig zu sein scheint. Allerdings verstehe ich auch die wirtschaftlichen Aspekte der Massenproduktion, die Rentabilität und die Realität der Fertigung. Das gibt mir einige Theorien über die hohe Anzahl vorzeitiger Ausfälle, die ich erlebt habe. Meiner Einschätzung nach kommt es darauf an, ein paar Cent bei kritischen Teilen einzusparen – höchstwahrscheinlich bei Kondensatoren.

Obwohl LEDs im Vergleich zu einer Glühbirne unglaublich effizient sind, verlieren sie dennoch etwa 60 % ihrer Eingangsleistung durch Wärme. Das bedeutet, dass eine 9-W-Heizung (60-W-IC-Äquivalent) 5,2-W-Heizung ist. Das klingt nicht nach viel, aber die gesamte Wärme wird im geschlossenen Sockel und im LED-Montagesubstrat erzeugt. Das ILB hat mit einer viel größeren Wärmebelastung zu kämpfen, aber die kritischen Materialien sind das Filament und die Glashülle, für deren Verfeinerung die Industrie rund 140 Jahre Zeit hatte.

Für diesen Teardown habe ich drei LED-E26-Lampen (Edison-Sockel) zerlegt, alle mit einer Installationszeit von weniger als 60 Tagen. Keiner wurde im Dauerbetrieb betrieben. Eine davon ist eine Standardlampe, die für den Einsatz in vollständig geschlossenen Leuchten ausgelegt ist. Bei den anderen beiden handelt es sich um Überschwemmungen in Innenräumen, die als nicht für vollständig geschlossene Anlagen geeignet gekennzeichnet sind.

Die Elektronik und LEDs der Glühbirne in Standardgröße sind auf einer Leiterplatte mit Aluminiumsubstrat untergebracht. Der Sockelteil der Lampe ist mit Aluminium ausgekleidet, um als zusätzlicher Kühlkörperbereich zu dienen. Aus Sicherheitsgründen befindet sich dieser Basisteil in einer Kunststoffschale. Der Hauptelektrolytkondensator hängt unter der Platine im ansonsten leeren Hohlraum des Lampensockels. Bei dieser Anordnung entdeckte ich mein erstes Problem mit der Qualitätskontrolle der Fertigungsbaugruppe.

Elektronik und LED auf metallbeschichtetem PCB-Substrat mit Aluminium-Innengehäuse für zusätzlichen Kühlkörperbereich.

Bei dieser Glühlampe ist die Platine leicht geneigt. Die Neigung war kein Artefakt meiner Demontage, sondern die Art und Weise, wie die Glühbirne aus der Fabrik stammte. Dadurch ist eine Wärmeableitung von der Leiterplatte nur in zwei kleinen Kontaktbereichen möglich. Vergleichen Sie dies mit dem Bild unten, das eine richtig sitzende Leiterplatte einer anderen Glühbirne zeigt.

Korrekt sitzende metallbeschichtete Leiterplatte.

Die Schaltung in beiden oben genannten Glühbirnen ist ziemlich ähnlich. Der Widerstand (R3) ist ein 10-Ohm-5-%-Widerstand zur Begrenzung des Einschaltstroms. Alle Glühbirnen, die ich geöffnet habe, hatten diesen Widerstand. In einigen Fällen befand es sich auf einer Linie mit dem Draht, der den Lampensockel mit der Platine verbindet. BR ist ein Brückengleichrichter und der IC und D1 sind Teil des Strombegrenzungs- und Spannungsregelkreises.

Glühbirne Nummer zwei ist ein Flutlicht für den Innenbereich, das in einer Deckenleuchte verwendet wird. Die Glühbirne ist nicht für den Einsatz in vollständig geschlossenen Leuchten geeignet, dürfte aber für eine offene Dose geeignet sein, da sie verwendet wurde. Der größere Lampenkolben ermöglicht ein anderes mechanisches Layout. Bei der Fluterlampe ist die LED-Platine vom Stromversorgungskreis getrennt und an der breitesten Stelle der Lampenstruktur auf einer Aluminiumscheibe montiert. Die Leiterplatte ist getrennt und befindet sich in der Nähe des Sockels innerhalb der Kunststoffhülle der Lampe.

Metallbeschichtete LED-Platine auf 3 ¼ Zoll (82 mm) Kühlkörperfett. Beachten Sie LED D6 mit Brennartefakten.

Als eine der LEDs, D6 im Bild oben, Anzeichen eines katastrophalen Ausfalls zeigte, dachte ich, ich hätte meine Ursache. D6 war jedoch nur ein Teil der Geschichte. Schon auf den ersten Blick konnte ich Anzeichen einer thermischen Verfärbung auf der Platine erkennen.

Die Oberseite der Netzteil-PC-Platine weist Anzeichen einer Überhitzung auf.

Die Unterseite der Platine sah in Ordnung aus, abgesehen von Montagearbeiten, die ich als etwas mangelhaft einstufen würde. Die Schaltung ist der oben gezeigten Standardlampe sehr ähnlich. Der Widerstand rechts (im Schrumpfschlauch) ist die Einschaltstrombegrenzung. Später entfernte ich den Schrumpfschlauch und stellte fest, dass er mit 10 Ohm gekennzeichnet war, aber er wurde bei 26 getestet. BD1 ist ein Brückengleichrichter und der Rest wäre Regulierung.

Unterseite der Flutlicht-Stromversorgungsplatine.

Zusätzlich zur Verfärbung zeigte die Oberseite den Hauptkondensator mit einer verräterischen Wölbung an der Oberseite. Vergleichen Sie den eingesetzten 130-Grad-C-Kondensator (links) einer anderen Lampe mit intaktem Gehäuse mit dem prall gefüllten 105-Grad-C-Kondensator (rechts) dieser nicht funktionierenden Lampe.

Die Platine der Stromversorgung der Flutlichtlampe zeigt eine thermische Verfärbung und einen Vergleich zwischen gutem und schlechtem Elektrolytkondensator.

Ich öffnete eine andere Flutlichtlampe der gleichen Marke, um einen Blick auf die Leistungsplatine und den Kondensator zu werfen. Diese Glühbirne funktionierte immer noch einwandfrei. Allerdings zeigte die Platine auch einige Verfärbungen und der Kondensator schien sich gerade zu wölben.

Ich würde mir eine Verbesserung der Qualität der Montagearbeiten in der gesamten Heimelektronik wünschen. Schiefe Teile, zu viel oder zu wenig Lot, Flussmittelverunreinigungen und kalte Verbindungen kommen bei den Elektronikgeräten, die ich geöffnet habe, viel zu häufig vor. Leider scheint das heutzutage das zu sein, was wir haben. Abgesehen davon würden Teile, die einer höheren Temperatur ausgesetzt sind oder die spezifizierten Toleranzen einhalten, einen großen Beitrag zur Minimierung vorzeitiger Ausfälle leisten. In einem E26-Edison-Sockel ist einfach nicht viel Platz für das Wärmemanagement, und viele der Armaturen machen die Wärme nur noch problematischer.

Bei den meisten neuen LED-Heimbeleuchtungskörpern sind die LEDs auf einer großen Metallplatte verteilt und die Elektronik an Stellen angebracht, die eine viel bessere Konvektion ermöglichen. Ich habe noch nie erlebt, dass eine eingebaute LED-Leuchte dieser Art ausgefallen ist. Wenn diese Art der Installation tatsächlich eine Lebensdauer von 20 Jahren hat, ist es praktisch, sie zu installieren und zu vergessen, wodurch der Bedarf an austauschbaren Glühbirnen gänzlich entfällt. Die langfristige Lösung könnte darin bestehen, auf die Edison-Basis zu verzichten, außer bei Spezialinstallationen oder Legacy-Support.

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