Elektronik Informationen - WL Gore & Associates, Inc.
Elektronik Informationen - WL Gore & Associates, Inc.
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LED-TECHNIK<br />
Gehäusebelüftung<br />
WIE INTELLIGENTE DICHTUNGEN DIE LEUCHTEN-LEBENSDAUER VERLÄNGERN<br />
Auch Gehäuse<br />
brauchen ihren Ausgleich<br />
Im Außeneinsatz müssen<br />
LED-Leuchten verschiedenen<br />
Umwelteinflüssen<br />
trotzen. Hilfreich ist dabei<br />
eine intelligente Abdichtung:<br />
Sie verhindert<br />
einer seits, dass Schmutz<br />
und Wasser eindringen;<br />
anderer seits stellt sie<br />
einen Druckausgleich in<br />
beide Richtungen her.<br />
Moderne Belüftungssysteme<br />
können beides<br />
und verlängern so das<br />
Leben der LED-Leuchten.<br />
52 EL-info <strong>Elektronik</strong> <strong>Informationen</strong> 10 | 2013
Gehäusebelüftung<br />
LED-TECHNIK<br />
1<br />
BEISPIELRECHNUNG<br />
2<br />
PRAXISTEST<br />
Bild 1. Druckänderung in einem Gehäuse mit<br />
5 l freiem Volumen bei einem Temperaturabfall<br />
von 65 auf 15 °C innerhalb von 11 min<br />
<br />
WISSENSWERT<br />
GARY CHAN<br />
HENNING VON LEPEL<br />
Herkömmliche Leuchtstoffröhren<br />
und Energiesparlampen müssen<br />
immer häufiger LED-bestückten<br />
Leuchten weichen. Denn diese überdauern<br />
bis zu 100.000 Betriebsstunden, sind<br />
äußerst zuverlässig und umweltfreundlich.<br />
Eine Voraussetzung dafür ist jedoch,<br />
dass die Gehäuse ausreichend stabil gebaut<br />
sind und schädigende Einflüsse von<br />
der <strong>Elektronik</strong> fernhalten. Daher werden<br />
sie gegen Schmutz und Wasser abgedichtet.<br />
Doch im Freien führen Temperaturschwankungen<br />
zu ständig wechselnden<br />
Luftdruckunterschieden zwischen dem<br />
Leuchtengehäuse und seiner Umgebung,<br />
sodass die Dichtungen immer wieder<br />
Belüftung im Langzeittest. Die längere Lebensdauer belüfteter Außenleuchten<br />
belegt ein Test, der in einem Zeitraum von fünf Jahren im Freiland südlich von<br />
München vorgenommen wurde (siehe Online-Service am Artikelende). Dieser<br />
verglich fünf Proben (Bild 5): zwei ohne Belüftung, eine mit Belüftung an der Seite,<br />
eine mit Belüftung oben sowie eine mit zwei Belüftungen oben und an der Seite.<br />
Es zeigte sich, dass bei den unbelüfteten Proben der Luftdruckunterschied innen<br />
und außen jeweils von -150 mbar bis 131 beziehungsweise 147 mbar reichte.<br />
Zudem wurde deutliches Kondenswasser festgestellt. Ist die Belüftung oben<br />
angebracht, reduzieren sich die Maximalwerte auf ±40 mbar, mit Belüftung an der<br />
Seite auf ±30 mbar und bei zwei Belüftungen sogar auf ±4 mbar. Außerdem konnte<br />
keine Kondensation festgestellt werden, ebenso wenig ein Eintritt von Wasser<br />
oder Staub. Weitere Tests zeigten, dass die Belüftungen auch nach fünf Jahren<br />
im Außeneinsatz<br />
noch voll<br />
funktionsfähig<br />
waren.<br />
Bild 2. Druckverlauf bei einem belüfteten und einem unbelüfteten<br />
Gehäuse (1 psi ≈ 68,9 mbar)<br />
heraus- oder hineingedrückt werden.<br />
Eine Belastung, die häufig die Dichtungen<br />
schädigt. Mit der Zeit dringen dann<br />
Schmutz oder Wasser in das Gehäuse ein,<br />
was zu Korrosion, Kurzschlüssen und Fehlern<br />
in der <strong>Elektronik</strong> führt. Zudem kann<br />
Kondenswasser an der Innenseite des<br />
Leuchtenglases die Lichtqualität beeinträchtigen.<br />
Viele Ursachen, eine Wirkung<br />
Ein häufiger Grund für Luftdruckunterschiede<br />
sind Änderungen der Außentemperatur.<br />
Diese entstehen unter Umständen<br />
sehr schnell, etwa durch ein heftiges<br />
Gewitter nach einem heißen Sommertag.<br />
Aber auch kontinuierliche Änderungen im<br />
Tagesverlauf oder sogar während eines<br />
Jahres beaufschlagen die Dichtungen mit<br />
erheblichen Spannungen. Zudem heizt<br />
sich bei direkter Sonneneinstrahlung die<br />
Luft innerhalb der LED-Leuchte oft stark<br />
auf, und der höhere Luftdruck drückt die<br />
Dichtungen nach außen. Fällt nachts die<br />
Temperatur wieder, komprimiert die Innenluft<br />
und erzeugt ein schwaches Vakuum.<br />
Dementsprechend wird die Dichtung<br />
nach innen gezogen. Ein schneller Temperatursturz<br />
erzeugt in der Leuchte einen<br />
Druckabfall um bis zu 150 mbar (Bild 1).<br />
Eine weitere Ursache sind wechselnde<br />
Innentemperaturen der Leuchten.<br />
LEDs werden zwar nicht so warm wie<br />
Glühbirnen, doch das An- und Abschalten<br />
erzeugt beträchtliche Temperaturschwan-<br />
<br />
KONTAKT<br />
Langzeitstudie<br />
zu Luftdruckunterschieden<br />
in <strong>Elektronik</strong>gehäusen<br />
W. L. <strong>Gore</strong> & <strong>Associates</strong> GmbH,<br />
85640 Putzbrunn,<br />
Tel. 089 4612-2211,<br />
Fax 089 4612-2302,<br />
www.gore.com/protectivevents<br />
EL-info <strong>Elektronik</strong> <strong>Informationen</strong> 10 | 2013 53
LED-TECHNIK<br />
Gehäusebelüftung<br />
3<br />
VERGLEICH RELATIVER LUFTFEUCHTIGKEITEN<br />
Bild 3. Das unbelüftete Gehäuse zeigt eine relative Luftfeuchte von 100 Prozent,<br />
was auf Kondensation hinweist<br />
<br />
DIE AUTOREN<br />
GARY CHAN und HENNING VON LEPEL<br />
sind Applikationsingenieure bei<br />
W. L. <strong>Gore</strong> & <strong>Associates</strong>.<br />
kungen. Diese sind direkt nach dem<br />
Schaltvorgang am stärksten, sodass häufiges<br />
An- und Abschalten nicht nur für die<br />
<strong>Elektronik</strong>, sondern auch für die Dichtungen<br />
die größte Beanspruchung darstellt.<br />
Völlig unterschätzt werden Höhendifferenzen.<br />
Zwar spielt es keine Rolle,<br />
ob eine LED-Leuchte am Dach eines Gebäudes<br />
oder im Garten installiert ist. Doch<br />
zunächst muss sie an ihren Einsatzort<br />
transportiert werden. Aufgrund der weltweit<br />
verteilten Produktionsstätten erfolgt<br />
der Versand heute vom Hersteller zum<br />
Distributor oft per Flugzeug – häufig sogar<br />
über mehrere Zwischendistanzen. So<br />
sind LED-Leuchten einem Luftdruckunterschied<br />
zwischen etwas über 1000 mbar<br />
am Boden und 800 bis 850 mbar Kabinendruck<br />
in der Luft ausgesetzt.<br />
Eine häufige Quelle für Luftdruckunterschiede<br />
ist auch der thermische<br />
Schock: Dieser tritt ein, wenn beispielsweise<br />
eine heiße LED-Außenleuchte mit<br />
kaltem Wasser aus einem Gartenschlauch<br />
bespritzt oder<br />
eine kalte<br />
4<br />
Leuchte mit heißem Wasser abgewaschen<br />
wird. Ein Auslöser kann ebenso<br />
Schnee sein, der auf eine Leuchte fällt.<br />
Druckausgleich und Schutz<br />
vor Wasser und Schmutz<br />
5<br />
LANGZEITSTUDIE<br />
Die Herausforderung, den Luftdruck innerhalb<br />
der Leuchte konstant zu halten, liegt<br />
in der Gewährleistung eines freien Luftflusses<br />
einerseits und der Abschottung<br />
vor Wasser und Schmutz andereseits.<br />
Labyrinthdichtungen kommen hier nicht<br />
in Frage, da sie komplett durchlässig sind.<br />
Eine hermetische Abschottung durch<br />
robustere Dichtungen, zusätzliche Gehäuseschrauben,<br />
dickere Gehäuse oder<br />
Vergusswerkstoffe erfordert jedoch völlig<br />
undurchlässige Materialen – also den Verzicht<br />
auf Kunststoff – und ist inakzeptabel<br />
teuer. Dazu kommen erhöhtes Gewicht<br />
und der Nachteil, dass Gehäuse bei Unterdruck<br />
kaum zu öffnen sind.<br />
Als Alternativen sind die Installation<br />
von Filzelementen, gesinterte Belüftungselemente<br />
oder mechanische Ventile in<br />
der Diskussion. Die beiden erstgenannten<br />
Möglichkeiten gleichen zwar den<br />
Luftdruck aus; hier besteht aber die Gefahr<br />
einer Verstopfung mit Wasser und<br />
Schmutz. Das mechanische Ventil funktioniert<br />
dagegen nur in eine Richtung,<br />
nämlich von innen nach außen, und kann<br />
daher kein Vakuum verhindern.<br />
Eine Lösung hat <strong>Gore</strong> entwickelt: ein<br />
Belüftungselement aus expandiertem<br />
Poly tetrafluoroethylen (ePTFE). Dabei<br />
gleicht eine in beide Richtungen durchlässige<br />
Membran kontinuierlich den Luftdruck<br />
im Leuchtengehäuse aus, während<br />
sie Wasser und Schmutz abhält. Die<br />
mikro poröse Membran kann ölabweisend<br />
beschichtet werden. Die Mikro struktur<br />
von ePTFE aus Fibrillen, Knoten und<br />
Poren ist offen genug, um Gasmoleküle<br />
und Dampf durchzulassen. Aber die Öffnungen<br />
sind wiederum so winzig, dass<br />
Flüssigkeiten oder andere Kleinstpartikel<br />
zurückgehalten werden.<br />
Ein unter Umständen wichtiger Effekt<br />
ist dabei die Ablüftung von Schwefelwasser<br />
stoff. Dieser wird vor allem von<br />
kostengünstigen EPDM-Dichtungen ausgestoßen,<br />
die mittels Schwefelvernetzung<br />
hergestellt und bei denen im Vulkanisationsvorgang<br />
nicht alle Schwefel-<br />
Bild 4.<br />
Außenleuchte<br />
mit<br />
Kondensation<br />
Bild 5. Luftdruckunterschiede in <strong>Elektronik</strong>gehäusen:<br />
Über fünf Jahre wurden die<br />
Druck unterschiede in fünf unterschiedlich<br />
belüfteten Gehäusen aufgezeichnet<br />
54<br />
EL-info <strong>Elektronik</strong> <strong>Informationen</strong> 10 | 2013
Gehäusebelüftung<br />
LED-TECHNIK<br />
<br />
FAZIT<br />
Schutz plus Ausgleich. Druckunterschiede können Gehäusedichtungen schädigen.<br />
Bleibt diese Tatsache in der Konstruktion von LED-Leuchten unberücksichtigt, kann<br />
dies die Lebensdauer von LEDs, Treibern und anderen <strong>Elektronik</strong>teilen verkürzen.<br />
Wassereintritt durch beschädigte Dichtungen kann auch zu Kondensation auf<br />
Linsen und Reflektoren führen, welche die Lichtqualität und Ästhetik beeinträchtigt.<br />
Ein IPX5-Test beweist, dass die Einführung einer ePTFE- Belüftung in das Gehäuse<br />
den Luftdruck<br />
ausgleicht, indem<br />
sie einen kontinuierlichen<br />
Luftstrom<br />
in beide Richtungen<br />
erlaubt und dabei<br />
das Eindringen von<br />
Wasser verhindert.<br />
Auch Wasserdampf<br />
kann aus der Leuchte<br />
entweichen,<br />
bevor er kondensieren<br />
kann.<br />
Die ePTFE-Belüftung<br />
gleicht den Luftdruck<br />
im Gehäuse aus und<br />
verhindert das Eindringen<br />
von Wasser<br />
sowie die Entstehung<br />
von Kondens wasser<br />
atome gebunden wurden. Aber auch<br />
schwefelvernetztes NBR (Acrylnitril-<br />
Butadien-Kautschuk) oder andere Schwefel<br />
enthaltende Komponenten können<br />
Schwefelwasserstoff abgeben. Dieser<br />
führt zur Korrosion von Leuchtenteilen<br />
wie den versilberten Leadframes, womit<br />
die elektrischen Kontakte mit dem<br />
Wire-Bond oder Die-Bond zerstört<br />
werden.<br />
Umfassende Praxistests bestanden<br />
Der Druckausgleich mithilfe einer ePFTE-<br />
Belüftung verringert die Gefahr von<br />
Konden swasser auf Linsen sowie Reflektoren<br />
und erhöht die Lebensdauer der<br />
Dichtungen. Dies hat ein ausführ licher Vergleichstest<br />
mit zwei kommerziell erhältlichen<br />
LED-Lampen (eine mit herkömmlicher<br />
Dichtung und eine mit zusätzlicher<br />
ePFTE-Belüftung) gezeigt. Bei diesem<br />
Test wurde das Belüftungselement so<br />
ausgelegt, dass eine Druck differenz von<br />
±34 mbar nicht überschritten wird. Dies<br />
stellt sicher, dass die Dichtung nicht<br />
durch andauernde Über- beziehungs weise<br />
Unter drucke beschädigt wird.<br />
Obwohl das An- und Abschalten in<br />
beiden Leuchten Temperaturunterschiede<br />
erzeugt, ist der Druck auf die Dichtungen<br />
sehr unterschiedlich (Bild 2). Während<br />
die Druckdifferenz bei der abgedichteten<br />
Leuchte 6,2 mbar nach dem Anschalten<br />
und -6,9 mbar nach dem Abschalten beträgt,<br />
sind es bei der belüfteten Version<br />
nur ±0,69 mbar.<br />
Der Vergleich der relativen Luftfeuchtigkeit<br />
innerhalb der LED-Leuchten nach<br />
einem standardisierten IPX5-Wassereintrittstest<br />
zeigt die Bedeutung der<br />
Druckunterschiede (Bilder 3 und 4). So<br />
war die relative Luftfeuchte in der abgedichteten<br />
Leuchte deutlich höher als in<br />
der belüfteten. Bei ersterer betrug sie<br />
innerhalb von zehn Tagen nahezu immer<br />
rund 100 Prozent. Dies deutet darauf hin,<br />
dass im Test Kondenswasser entstanden<br />
und in der Leuchte verblieben ist. Obwohl<br />
auch in der belüfteten Leuchte die relative<br />
Luftfeuchte direkt nach dem Test stieg,<br />
sank sie danach schnell wieder, und es<br />
gab keinen Hinweis auf Kondenswasser.<br />
(ml)<br />
ONLINE-SERVICE<br />
Langzeitstudie: „Life Time Study of<br />
<strong>Gore</strong> Protective Vents Installed in<br />
Enclosures in Outdoor Environments“<br />
www.EL-info.de 865401<br />
EL-info <strong>Elektronik</strong> <strong>Informationen</strong> 10 | 2013