Elektronik Informationen - WL Gore & Associates, Inc.

LED-TECHNIK
Gehäusebelüftung
WIE INTELLIGENTE DICHTUNGEN DIE LEUCHTEN-LEBENSDAUER VERLÄNGERN
Auch Gehäuse
brauchen ihren Ausgleich
Im Außeneinsatz müssen
LED-Leuchten verschiedenen
Umwelteinflüssen
trotzen. Hilfreich ist dabei
eine intelligente Abdichtung:
Sie verhindert
einer seits, dass Schmutz
und Wasser eindringen;
anderer seits stellt sie
einen Druckausgleich in
beide Richtungen her.
Moderne Belüftungssysteme
können beides
und verlängern so das
Leben der LED-Leuchten.
52 EL-info Elektronik Informationen 10 | 2013

Gehäusebelüftung
LED-TECHNIK
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BEISPIELRECHNUNG
2
PRAXISTEST
Bild 1. Druckänderung in einem Gehäuse mit
5 l freiem Volumen bei einem Temperaturabfall
von 65 auf 15 °C innerhalb von 11 min
WISSENSWERT
GARY CHAN
HENNING VON LEPEL
Herkömmliche Leuchtstoffröhren
und Energiesparlampen müssen
immer häufiger LED-bestückten
Leuchten weichen. Denn diese überdauern
bis zu 100.000 Betriebsstunden, sind
äußerst zuverlässig und umweltfreundlich.
Eine Voraussetzung dafür ist jedoch,
dass die Gehäuse ausreichend stabil gebaut
sind und schädigende Einflüsse von
der Elektronik fernhalten. Daher werden
sie gegen Schmutz und Wasser abgedichtet.
Doch im Freien führen Temperaturschwankungen
zu ständig wechselnden
Luftdruckunterschieden zwischen dem
Leuchtengehäuse und seiner Umgebung,
sodass die Dichtungen immer wieder
Belüftung im Langzeittest. Die längere Lebensdauer belüfteter Außenleuchten
belegt ein Test, der in einem Zeitraum von fünf Jahren im Freiland südlich von
München vorgenommen wurde (siehe Online-Service am Artikelende). Dieser
verglich fünf Proben (Bild 5): zwei ohne Belüftung, eine mit Belüftung an der Seite,
eine mit Belüftung oben sowie eine mit zwei Belüftungen oben und an der Seite.
Es zeigte sich, dass bei den unbelüfteten Proben der Luftdruckunterschied innen
und außen jeweils von -150 mbar bis 131 beziehungsweise 147 mbar reichte.
Zudem wurde deutliches Kondenswasser festgestellt. Ist die Belüftung oben
angebracht, reduzieren sich die Maximalwerte auf ±40 mbar, mit Belüftung an der
Seite auf ±30 mbar und bei zwei Belüftungen sogar auf ±4 mbar. Außerdem konnte
keine Kondensation festgestellt werden, ebenso wenig ein Eintritt von Wasser
oder Staub. Weitere Tests zeigten, dass die Belüftungen auch nach fünf Jahren
im Außeneinsatz
noch voll
funktionsfähig
waren.
Bild 2. Druckverlauf bei einem belüfteten und einem unbelüfteten
Gehäuse (1 psi ≈ 68,9 mbar)
heraus- oder hineingedrückt werden.
Eine Belastung, die häufig die Dichtungen
schädigt. Mit der Zeit dringen dann
Schmutz oder Wasser in das Gehäuse ein,
was zu Korrosion, Kurzschlüssen und Fehlern
in der Elektronik führt. Zudem kann
Kondenswasser an der Innenseite des
Leuchtenglases die Lichtqualität beeinträchtigen.
Viele Ursachen, eine Wirkung
Ein häufiger Grund für Luftdruckunterschiede
sind Änderungen der Außentemperatur.
Diese entstehen unter Umständen
sehr schnell, etwa durch ein heftiges
Gewitter nach einem heißen Sommertag.
Aber auch kontinuierliche Änderungen im
Tagesverlauf oder sogar während eines
Jahres beaufschlagen die Dichtungen mit
erheblichen Spannungen. Zudem heizt
sich bei direkter Sonneneinstrahlung die
Luft innerhalb der LED-Leuchte oft stark
auf, und der höhere Luftdruck drückt die
Dichtungen nach außen. Fällt nachts die
Temperatur wieder, komprimiert die Innenluft
und erzeugt ein schwaches Vakuum.
Dementsprechend wird die Dichtung
nach innen gezogen. Ein schneller Temperatursturz
erzeugt in der Leuchte einen
Druckabfall um bis zu 150 mbar (Bild 1).
Eine weitere Ursache sind wechselnde
Innentemperaturen der Leuchten.
LEDs werden zwar nicht so warm wie
Glühbirnen, doch das An- und Abschalten
erzeugt beträchtliche Temperaturschwan-
KONTAKT
Langzeitstudie
zu Luftdruckunterschieden
in Elektronikgehäusen
W. L. Gore & Associates GmbH,
85640 Putzbrunn,
Tel. 089 4612-2211,
Fax 089 4612-2302,
www.gore.com/protectivevents
EL-info Elektronik Informationen 10 | 2013 53

LED-TECHNIK
Gehäusebelüftung
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VERGLEICH RELATIVER LUFTFEUCHTIGKEITEN
Bild 3. Das unbelüftete Gehäuse zeigt eine relative Luftfeuchte von 100 Prozent,
was auf Kondensation hinweist
DIE AUTOREN
GARY CHAN und HENNING VON LEPEL
sind Applikationsingenieure bei
W. L. Gore & Associates.
kungen. Diese sind direkt nach dem
Schaltvorgang am stärksten, sodass häufiges
An- und Abschalten nicht nur für die
Elektronik, sondern auch für die Dichtungen
die größte Beanspruchung darstellt.
Völlig unterschätzt werden Höhendifferenzen.
Zwar spielt es keine Rolle,
ob eine LED-Leuchte am Dach eines Gebäudes
oder im Garten installiert ist. Doch
zunächst muss sie an ihren Einsatzort
transportiert werden. Aufgrund der weltweit
verteilten Produktionsstätten erfolgt
der Versand heute vom Hersteller zum
Distributor oft per Flugzeug – häufig sogar
über mehrere Zwischendistanzen. So
sind LED-Leuchten einem Luftdruckunterschied
zwischen etwas über 1000 mbar
am Boden und 800 bis 850 mbar Kabinendruck
in der Luft ausgesetzt.
Eine häufige Quelle für Luftdruckunterschiede
ist auch der thermische
Schock: Dieser tritt ein, wenn beispielsweise
eine heiße LED-Außenleuchte mit
kaltem Wasser aus einem Gartenschlauch
bespritzt oder
eine kalte
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Leuchte mit heißem Wasser abgewaschen
wird. Ein Auslöser kann ebenso
Schnee sein, der auf eine Leuchte fällt.
Druckausgleich und Schutz
vor Wasser und Schmutz
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LANGZEITSTUDIE
Die Herausforderung, den Luftdruck innerhalb
der Leuchte konstant zu halten, liegt
in der Gewährleistung eines freien Luftflusses
einerseits und der Abschottung
vor Wasser und Schmutz andereseits.
Labyrinthdichtungen kommen hier nicht
in Frage, da sie komplett durchlässig sind.
Eine hermetische Abschottung durch
robustere Dichtungen, zusätzliche Gehäuseschrauben,
dickere Gehäuse oder
Vergusswerkstoffe erfordert jedoch völlig
undurchlässige Materialen – also den Verzicht
auf Kunststoff – und ist inakzeptabel
teuer. Dazu kommen erhöhtes Gewicht
und der Nachteil, dass Gehäuse bei Unterdruck
kaum zu öffnen sind.
Als Alternativen sind die Installation
von Filzelementen, gesinterte Belüftungselemente
oder mechanische Ventile in
der Diskussion. Die beiden erstgenannten
Möglichkeiten gleichen zwar den
Luftdruck aus; hier besteht aber die Gefahr
einer Verstopfung mit Wasser und
Schmutz. Das mechanische Ventil funktioniert
dagegen nur in eine Richtung,
nämlich von innen nach außen, und kann
daher kein Vakuum verhindern.
Eine Lösung hat Gore entwickelt: ein
Belüftungselement aus expandiertem
Poly tetrafluoroethylen (ePTFE). Dabei
gleicht eine in beide Richtungen durchlässige
Membran kontinuierlich den Luftdruck
im Leuchtengehäuse aus, während
sie Wasser und Schmutz abhält. Die
mikro poröse Membran kann ölabweisend
beschichtet werden. Die Mikro struktur
von ePTFE aus Fibrillen, Knoten und
Poren ist offen genug, um Gasmoleküle
und Dampf durchzulassen. Aber die Öffnungen
sind wiederum so winzig, dass
Flüssigkeiten oder andere Kleinstpartikel
zurückgehalten werden.
Ein unter Umständen wichtiger Effekt
ist dabei die Ablüftung von Schwefelwasser
stoff. Dieser wird vor allem von
kostengünstigen EPDM-Dichtungen ausgestoßen,
die mittels Schwefelvernetzung
hergestellt und bei denen im Vulkanisationsvorgang
nicht alle Schwefel-
Bild 4.
Außenleuchte
mit
Kondensation
Bild 5. Luftdruckunterschiede in Elektronikgehäusen:
Über fünf Jahre wurden die
Druck unterschiede in fünf unterschiedlich
belüfteten Gehäusen aufgezeichnet
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Gehäusebelüftung
LED-TECHNIK
FAZIT
Schutz plus Ausgleich. Druckunterschiede können Gehäusedichtungen schädigen.
Bleibt diese Tatsache in der Konstruktion von LED-Leuchten unberücksichtigt, kann
dies die Lebensdauer von LEDs, Treibern und anderen Elektronikteilen verkürzen.
Wassereintritt durch beschädigte Dichtungen kann auch zu Kondensation auf
Linsen und Reflektoren führen, welche die Lichtqualität und Ästhetik beeinträchtigt.
Ein IPX5-Test beweist, dass die Einführung einer ePTFE- Belüftung in das Gehäuse
den Luftdruck
ausgleicht, indem
sie einen kontinuierlichen
Luftstrom
in beide Richtungen
erlaubt und dabei
das Eindringen von
Wasser verhindert.
Auch Wasserdampf
kann aus der Leuchte
entweichen,
bevor er kondensieren
kann.
Die ePTFE-Belüftung
gleicht den Luftdruck
im Gehäuse aus und
verhindert das Eindringen
von Wasser
sowie die Entstehung
von Kondens wasser
atome gebunden wurden. Aber auch
schwefelvernetztes NBR (Acrylnitril-
Butadien-Kautschuk) oder andere Schwefel
enthaltende Komponenten können
Schwefelwasserstoff abgeben. Dieser
führt zur Korrosion von Leuchtenteilen
wie den versilberten Leadframes, womit
die elektrischen Kontakte mit dem
Wire-Bond oder Die-Bond zerstört
werden.
Umfassende Praxistests bestanden
Der Druckausgleich mithilfe einer ePFTE-
Belüftung verringert die Gefahr von
Konden swasser auf Linsen sowie Reflektoren
und erhöht die Lebensdauer der
Dichtungen. Dies hat ein ausführ licher Vergleichstest
mit zwei kommerziell erhältlichen
LED-Lampen (eine mit herkömmlicher
Dichtung und eine mit zusätzlicher
ePFTE-Belüftung) gezeigt. Bei diesem
Test wurde das Belüftungselement so
ausgelegt, dass eine Druck differenz von
±34 mbar nicht überschritten wird. Dies
stellt sicher, dass die Dichtung nicht
durch andauernde Über- beziehungs weise
Unter drucke beschädigt wird.
Obwohl das An- und Abschalten in
beiden Leuchten Temperaturunterschiede
erzeugt, ist der Druck auf die Dichtungen
sehr unterschiedlich (Bild 2). Während
die Druckdifferenz bei der abgedichteten
Leuchte 6,2 mbar nach dem Anschalten
und -6,9 mbar nach dem Abschalten beträgt,
sind es bei der belüfteten Version
nur ±0,69 mbar.
Der Vergleich der relativen Luftfeuchtigkeit
innerhalb der LED-Leuchten nach
einem standardisierten IPX5-Wassereintrittstest
zeigt die Bedeutung der
Druckunterschiede (Bilder 3 und 4). So
war die relative Luftfeuchte in der abgedichteten
Leuchte deutlich höher als in
der belüfteten. Bei ersterer betrug sie
innerhalb von zehn Tagen nahezu immer
rund 100 Prozent. Dies deutet darauf hin,
dass im Test Kondenswasser entstanden
und in der Leuchte verblieben ist. Obwohl
auch in der belüfteten Leuchte die relative
Luftfeuchte direkt nach dem Test stieg,
sank sie danach schnell wieder, und es
gab keinen Hinweis auf Kondenswasser.
(ml)
ONLINE-SERVICE
Langzeitstudie: „Life Time Study of
Gore Protective Vents Installed in
Enclosures in Outdoor Environments“
www.EL-info.de 865401
EL-info Elektronik Informationen 10 | 2013