Schadgase und LED-Beleuchtung

Bild 1: Korrosive Gase können LED-Elemente nachhaltig schädigen dar

Korrosive Gase sind in der Lage, Halbleiterbauelemente wie LED massiv und nachhaltig zu schädigen (Bild 1). ­Diese Gase können auch in vermeintlich »harmlosen« Umgebungsbedingungen auftreten.

Während jeder um die Gefahren von z. B. Chlordämpfen oder Säureschwaden weiß, gibt es Materialien wie Gummidichtungen, Kleber oder Silikondichtmassen, die erst einmal unscheinbar und harmlos wirken, obwohl sie schädigende Stoffe freisetzen. Mit dem Einzug der LED in die Allgemeinbeleuchtung ist das Wissen um solche Gefahren elementar geworden. Werden mögliche inkompatible Materialien oder unverträgliche Schadgas­atmosphären nicht frühzeitig identifiziert, kann dies zu schwerwiegenden Schäden und teuren Ausfällen führen.

Rückblick: LED-Einsatz mit schmerzhafter Lernkurve

Bild 2: In der Industrie setzen neben Schad­gasen oft auch hohe Temperaturen den Leuchten zu

In den 90er Jahren hielt die LED Einzug in die Fahrzeugbeleuchtung. Da es noch keine effizienten Weißlicht-LEDs gab, waren Signale die ersten Anwendungen. Mit kommerziell verfügbaren effizienten roten LEDs ließen sich erste Brems- und Rückfahrleuchten realisieren. Allerdings traten nach einiger Zeit Ausfälle auf, die sich anfangs niemand erklären konnte. Einzelne Lichtpunkte wurden sichtbar dunkler, flackerten oder fielen ganz aus. Das ließ die betroffenen Fahrzeuge nicht nur makelbehaftet erscheinen, vielmehr war die Fahrzeugsicherheit beeinträchtigt, denn ein vollständiger Ausfall der Rück- bzw. Bremsleuchten konnte als Folge nicht ausgeschlossen werden. Leuchtdioden werden häufig in einer Reihenschaltung betrieben, so dass der Ausfall einer einzelnen LED im ungünstigsten Fall zum vollständigen Aus­fall der kompletten Leuchte führen kann.

Untersuchungen ergaben, dass ausgasende Dichtungen ursächlich für die Ausfälle waren. Das üblicherweise verwendete Dichtungsmaterial war schwefelhaltig. Über die Zeit freigesetzte Schwefelverbindungen griffen daher die Metallbestandteile der LED an. Folge dieser Korrosion war die Schwärzung der reflektierenden Silberbestandteile der Leuchtdioden und damit die reduzierte Lichtauskopplung aus der LED. Im weiteren Verlauf konnte die fortschreitende Korrosion dann zu offenen Kontakten und somit zum Ausfall der Halbleiterlichtquellen führen. Für einige Hersteller war dies eine schmerzhafte Lernkurve, da der Ausfall der nur wenige Cent teuren Halbleiter zu hohen Kosten führen konnte. Um dieser Problematik aus dem Weg zu gehen, ersetzte die Automobilindustrie die silberbasierten LEDs durch Bauelemente mit Goldbeschichtung.

Dieses Beispiel zeigt, dass sich Probleme häufig versteckt entwickeln und erst mit zeitlicher Verzögerung auftreten. Umso wichtiger ist es daher, frühzeitig mögliche Schädigungspotenziale zu identifizieren und bereits in der Planungsphase Leuchten auszuwählen, die den Anforderungen standhalten und sich unter entsprechenden Umgebungsbedingungen bewährt haben.

LEDs in der Industrie – oft eine große ­Herausforderung

Bild 3: In der Landwirtschaft ist mit Ammo­niak-Gasen zu rechnen, was den Einsatz spezieller Leuchten erfordert

Die Industrie hat mit ihren aggressiven Atmosphären, Ölen und Fetten, Vibrationen sowie durch Prozesswärme verursachten hohen Temperaturen bereits die konventionelle Beleuchtung vor häufig nur schwer zu lösende Herausforderungen gestellt (Bild 2). Je nach Anwendung können z. B. nur spezielle Stähle und Kunststoffe zum Einsatz kommen.

Für LED-Leuchten sind diese Extreme noch herausfordernder und nicht immer lösbar. LED-Leuchten, die hier Bestand haben, qualifizieren sich auch für viele weitere ­herausfordernde Aufgaben. Die bereits erwähnten goldbeschichteten Halbleiter-Emitter sind immer dann eine gute Wahl, wenn die Schadgasatmosphäre allenfalls moderat ausgeprägt ist. Im Fall einer stärkeren Einwirkung können, abhängig von den konkreten Schadgasen, speziell beschichtete Leuchtdioden zum Einsatz kommen. Die Beschichtung sorgt dafür, dass z. B. Ammoniak und Schwefelwasserstoff sowie weitere Schwefelverbindungen nicht in die LED eindringen können. Die LED ist dadurch gegen viele, aber keinesfalls gegen alle korrosiven Atmosphären geschützt. Ob ein ausreichender Schutz besteht, sollte immer durch eine längere Testinstallation im konkreten Bedarfsfall überprüft werden.

Bild 4: In Reifenlagern kann es durch Ausgasungen von Schwefelverbindungen zu Schädigungen an LED-Leuchten kommen

Gerade Säuredämpfe, wie man sie z. B. in Galvanikbetrieben oder Verzinkereien antrifft, setzen elektrischen Betriebsmitteln extrem zu. Hier kommt praktisch jede LED, egal wie gut geschützt, an ihre Grenzen. Auch Kompostanlagen und Klärschlammlager oder Tierställe stellen extrem hohe Anforderungen an die Beleuchtung (Bild 3). Solche Umgebungen erfordern hermetisch gekapselte Leuchten. Die Kapselung schützt die Leuchtdioden sicher gegen jegliches Eindringen von schädigenden Gasen. Zudem ist auch die Elektronik zuverlässig geschützt. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass auch die Kunststoffe und Metallbestandteile solcher Leuchten beständig sein müssen. Kunststoffe dürfen sich beispielsweise nicht zersetzen oder spröde werden und die verwendeten Schrauben, Halterungen und Befestigungen nicht korrodieren.

Da auch auf den ersten Blick scheinbar harmlose Objekte schwere Schädigungen von LED-Leuchten verursachen können, wie dies beispielsweise auch in Reifenlagern durch Ausgasungen von Schwefelverbindungen der Fall sein kann, empfiehlt es sich, die jeweiligen anlagenspezifischen Anforderungen genau zu beschreiben (Bild 4). Nur so kann man diese bei der Elektro- und Lichtplanung ausreichend berücksichtigen und entsprechend geeignete Leuchten auswählen. Leuchtenhersteller können durch systematisches Testen und die Identifizierung von Wechselwirkungen und Inkompatibilitäten mögliche Probleme bereits im Vorfeld erkennen und geeignete Abstellmaßnahmen ergreifen. Doch nicht in jedem Fall lassen sich Konzentration und Zusammensetzung der anlagenspezifischen Schadgasatmosphäre exakt beschreiben. In solchen Zweifelsfällen sollte man immer auf eine hermetisch geschlossene Leuchte zurückgreifen. Dadurch haben Errichter und Betreiber einer kritischen Anlage eine ausreichende Sicherheit, dass die vorgesehene Beleuchtung den objektspezifischen Anforderungen Stand hält.

Autor

Jens Schütte, Leiter Entwicklung LED-Leuchten, Adolf Schuch GmbH

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net