Was geschah mit den 100.000

May 09, 2024

Frühe Anwender der LED-Beleuchtung werden sich an die auf der Verpackung aufgedruckten Lebensdauerbewertungen von 50.000 Stunden oder sogar 100.000 Stunden erinnern. Bei einem kürzlichen Besuch im Baumarkt fand ich jedoch heraus, dass die längste angegebene Lebensdauer 25.000 Stunden betrug. Andere behaupteten nur 7.500 oder 15.000 Stunden. Und ja, das sind Markenlampen von Cree und GE.

Was ist also mit diesen 100.000-Stunden-LED-Lampen für Privathaushalte passiert? Waren die ersten Schätzungen einfach zu optimistisch? War das alles ein Marketing-Hype? Oder wussten wir nicht genug über die Alterung von LEDs, um die tatsächliche Nutzungsdauer einer Glühbirne vorherzusagen?

Ich habe diese Fragen auf die Probe gestellt. Kommen Sie nach der Pause zu mir, um einige Hintergrundinformationen zum Glühbirnenkartell aus der Zeit der Glühlampen zu erhalten (kein Scherz, ein Kartell kontrollierte die Lebensdauer Ihrer Glühbirnen) und über die Zerstörung einiger moderner LED-Glühbirnen, um zu sehen, warum die Lebensdauer verkürzt wird in viel geringerem Maße als die ursprüngliche LED-Ersatzwelle.

Jede Diskussion über die Lebensdauer von Glühbirnen wäre unvollständig, ohne das Phoebus-Kartell zu erwähnen, eine internationale Organisation, die 1924 von den weltweit führenden Glühbirnenherstellern gegründet wurde, um den Glühbirnenmarkt zu manipulieren. Wie Markus Krajewski in „Die große Glühbirnen-Verschwörung“ erläutert, teilte das Kartell seinen Mitgliedsunternehmen Gebiete zu, begrenzte die Produktion und diktierte eine verkürzte Lebensdauer der Glühbirnen von 1.000 Stunden. Frühere Glühbirnen hatten eine viel längere Brenndauer von 1.500 bis 2.500 Stunden. Die neue 1.000-Stunden-Grenze, die angeblich eingeführt wurde, um Qualität, Effizienz und Lichtausbeute zu steigern, führte auch zu deutlich mehr Glühbirnenverkäufen. Aus archivierten Dokumenten geht hervor, dass erhebliche Forschungsarbeit aufgewendet wurde, um Glühbirnen zu entwickeln, die nur die vorgesehenen 1.000 Stunden halten. Nicht nur die Haushaltsbeleuchtung erlitt einen Schlag: Die ursprünglich für drei Batteriesätze reichenden Taschenlampenbirnen wurden auf zwei reduziert, und es wurde vorgeschlagen, ihre Lebensdauer auf einen einzigen Satz zu beschränken. Als Grund wurden erneut Helligkeitssteigerungen genannt. Allerdings würde dieser letzte Schritt, die Halbierung der Lampenlebensdauer, die Helligkeit nur um 11–16 % erhöhen und gleichzeitig den Umsatz verdoppeln. Es ging darum, mehr Glühbirnen zu verkaufen und mehr Geld zu verdienen.

Das Kartell setzte Produktionsquoten und die Lebensdauer der Glühbirnen mit einem System von Geldstrafen durch, gestützt durch die Macht des Patentportfolios von GE. Die Glühbirnen jedes Herstellers wurden getestet und es wurden Strafen verhängt, wenn die Lebensdauer der Glühbirnen deutlich kürzer oder länger als 1.000 Stunden war. Phoebus übte weiterhin Einfluss auf den Markt aus, bis der Zweite Weltkrieg seine Herrschaft beendete. Das Kartell wird oft als einer der ersten Fälle geplanter Obsoleszenz angeführt: die Entwicklung von Produkten mit einer künstlich verkürzten Lebensdauer. Der Dokumentarfilm „The Light Bulb Conspiracy“ aus dem Jahr 2010 untersucht die Geschichte des Kartells sowie einige neuere Fälle geplanter Obsoleszenz. Ich frage mich, was die Verschwörer von Glühbirnen gedacht hätten, die angeblich 100.000 Stunden halten? Oder gar 7.500?

In einem unteren Regal auf der Beleuchtungsinsel des Baumarkts warteten ein paar einsame Glühbirnen auf einen verrückten Verbraucher. Als ich eine Schachtel in die Hand nahm, las ich die Nennlebensdauer ab: 1.000 Stunden.

Was genau bedeutet die Box mit dieser Lebensdauer von 1.000 Stunden? Dies ist die durchschnittliche Lebensdauer (Average Rated Life, ARL) der Glühbirne – es ist die Zeitspanne, in der 50 % einer ersten Glühbirnenprobe ausfallen (abgekürzt B50). Was „Ausfall“ bedeutet, hängt von der Art der Glühbirne ab; Wir werden dies später genauer untersuchen. Die Definition von B50 offenbart eine häufige Fehlinterpretation, nämlich dass eine Glühbirne ihre Nennlebensdauer lang hält. In Wirklichkeit hält nur die Hälfte von ihnen so lange, obwohl diese Bewertung nichts über die Verteilung der Ausfälle über die mittlere Lebensdauer aussagt.

Hersteller verwenden diese ARL-Werte, um vorherzusagen, wie viele Jahre eine Glühbirne halten wird, basierend auf der Verwendung der Glühbirne für eine bestimmte Anzahl von Stunden pro Tag (typischerweise 3). LED-Lampen verschleißen durch Aus- und Einschalten weniger stark als Glühlampen, daher ist die Umrechnung nur eine Division: Betriebsjahre = ARL/(3*365). Beispielsweise wäre nach dieser Berechnung die Hälfte einer 100.000-Stunden-Glühbirne nach 91 Jahren noch in Betrieb. Aber diese einfache Kennzahl erzählt nicht die ganze Geschichte. Die Ausfallmechanismen von LED-Lampen sind komplex und unterscheiden sich grundlegend von den bekannten Glühlampen. Um mehr zu verstehen, müssen wir etwas Licht auf das Innenleben einer Glühbirne werfen.

Bevor ich den Laden verließ, warf ich ein paar Glühbirnen in meinen Einkaufswagen, damit ich aus erster Hand sehen konnte, was sich darin befand.

Zu einer LED-Glühbirne gehört mehr als nur die LEDs. Steckdosen in unseren Häusern sind tatsächlich ziemlich schmutzige Wechselstromquellen. LEDs benötigen saubere Gleichstromquellen mit konstantem Strom, daher müssen Schaltkreise in den Lampen den eingehenden Wechselstrom gleichrichten und filtern und dann den Strom zu den LED-Paketen begrenzen. Um zu sehen, wie das geht, habe ich drei verschiedene Glühbirnen im A19-Stil zerlegt: jeweils eine aus den GE-Linien „Basic“ und „Classic“ (7.500 und 15.000 Stunden) und ein Cree-Modell mit einer Lebensdauer von 25.000 Stunden.

Diese GE-Glühbirne verfügt über eine Kunststoffkuppel, die eine kreisförmige Aluminiumplatine abdeckt, die acht LED-Pakete und die Treiberelektronik trägt. Der Treiber besteht aus einem MB10F-Brückengleichrichter, einem für 105 °C ausgelegten Elektrolytkondensator und einem linearen Konstantstromtreiber SM2082D. Auf der Platine befinden sich drei Widerstände: Einer leitet Ladung aus dem Kondensator ab, wenn die Glühbirne ausgeschaltet ist, und zwei andere stellen den SM2082D-Strom auf 54 mA ein. Tatsächlich sieht die Schaltung so aus, als wäre sie direkt dem SM2082D-Datenblatt entnommen.

Sieben der 3,5 x 2,8 mm großen LED-Pakete weisen bei Betrieb mit 50 mA einen Vorwärtsabfall von etwa 18 V auf, was darauf hindeutet, dass sie sechs LED-Chips in Reihe enthalten. Eine LED auf der Platine weist einen Spannungsabfall von 9 V auf, es sind also nur drei LED-Chips vorhanden. Alle LEDs, insgesamt 45 Würfel, sind in Reihe geschaltet, um eine Spannung von ca. 135 V abzugeben.

Wenn sie klassisch sagen, meinen sie es ernst. Diese Glühbirne befindet sich in einer Glashülle, genau wie Glühlampen, und wie bei diesen alten Glühbirnen lässt sich das Glas leicht mit einem Kugelhammer entfernen. Anstelle des Wolframfadens befindet sich eine Aluminiumplatine, die zu einem gedrungenen Obelisken gefaltet ist. Auf der Platine sind sechzehn 3,5 x 2,8 mm große LED-Pakete in Reihe geschaltet, die jeweils eine Durchlassspannung von rund 9 V bei 50 mA aufweisen. Diese Version verfügt also über 48 LED-Chips gegenüber 45 bei der Basic-Glühbirne, außer dass sie in doppelt so vielen Paketen enthalten sind – das ist gut, um die LEDs kühl zu halten.

Ein weiterer Unterschied bei dieser langlebigeren Glühbirne besteht darin, dass die Treiberelektronik nicht thermisch an die LEDs gekoppelt ist; Sie sind auf einer separaten Platine im Schraubsockel versteckt. Dadurch wird verhindert, dass sich die übrigen Komponenten mit den LEDs erhitzen. Auf der Treiberplatine befinden sich ein Brückengleichrichter, ein Elektrolytkondensator, der ebenfalls für 105 °C ausgelegt ist, und ein SOIC-8-IC. Interessanterweise enthält diese Glühbirne auch einen Metalloxid-Varistor zur Unterdrückung von Transienten. Obwohl ich nicht feststellen konnte, was für ein Treiber-IC mit der Hausmarke („BYSACT“) es war, deutet das Fehlen jeglicher induktiver Komponenten auf der Platine darauf hin, dass es sich um eine weitere lineare Versorgung handelt.

Die Cree-Glühbirne verfügt wie das GE Basic-Modell über eine diffuse Kunststoffkuppel. Im Inneren beherbergt eine größere Aluminiumplatine (16) 3,5 x 2,8 mm große LED-Pakete. Jede LED fällt bei 50 mA um etwa 8,5 V ab, sie enthalten also 3 Chips; Wie die GE Classic-Glühbirne verwendet diese insgesamt 48 LED-Würfel. Die LEDs sind als acht Abschnitte von zwei parallel geschalteten LEDs verdrahtet, sodass der Gesamtspannungsabfall etwa 68 V beträgt. Die LED-Platine ist mit einem dicken Aluminiumkühlkörper mit Silikon-Wärmeleitpaste verbunden.

Wie bei der GE Classic-Glühbirne befindet sich die Stromversorgungselektronik auf einer separaten Platine und ist thermisch von den LEDs entkoppelt. Beim Treiber-IC handelt es sich um ein SOT23-5-Gehäuse, das undurchsichtig mit „SaAOC“ gekennzeichnet ist. Das Vorhandensein eines Transformators und einer robusten Schottky-Diode verrät jedoch, dass es sich um ein Schaltnetzteil handelt. Der Filterkondensator am Umschalterausgang ist ein Aluminium-Elektrolytkondensator mit einer Nenntemperatur von 130 °C.

Das ist nicht viel weiter zu sagen, aber welche Schlussfolgerungen können wir aus dem Design dieser drei Glühbirnen ziehen? Es ist hilfreich zu überlegen, wie sie typischerweise versagen und welche Faktoren ihre Lebensdauer beeinflussen.

Da die LED-Lampen aus mehreren Teilen bestehen, stellt sich natürlich die Frage, welche für den Ausfall verantwortlich sein könnten. Das Festkörperbeleuchtungsprogramm des US-Energieministeriums (DoE) unterstützt die Forschung und Entwicklung von LED-Technologien und seine Website enthält umfangreiche Daten zu LED-Beleuchtungssystemen. Ihr Fact Sheet zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit enthält Daten zur Ausfallrate von 5.400 Außenlampen über 34 Millionen Betriebsstunden. Interessanterweise sind die LEDs selbst nur für 10 % der Ausfälle verantwortlich; Die Treiberschaltung hingegen war in fast 60 % der Fälle dafür verantwortlich. Der Rest der Ausfälle war auf Probleme mit der Unterbringung zurückzuführen, was bei Glühbirnen für den Innenbereich möglicherweise nicht der Fall ist. Diese Daten zeigen, dass zumindest bei katastrophalen Ausfällen (bei denen die Lampe kein Licht mehr aussendet) eine Verlängerung der Lebensdauer eine Verbesserung der Stromversorgung bedeutet.

Die Lebensdauer einer Glühbirne (oder eines Netzteils) kann nicht länger sein als die Lebensdauer aller ihrer Komponenten. Unter den Komponenten im Inneren der Glühbirnen ragen zwei als Lebensdauerbegrenzer heraus: die Halbleiter und die Elektrolytkondensatoren. Bei beiden Komponenten kommt es zu einer Ausfallrate, die stark von der Temperatur abhängt. Das typische Modell für diesen Effekt, das auf der Arrhenius-Gleichung basiert, sagt eine Verdoppelung der Lebensdauer für jede Temperaturabnahme um 10 Grad Celsius voraus, zumindest in einem begrenzten Bereich.

Die beiden langlebigeren Glühbirnen benötigen doppelt so viele Gehäuse, um ungefähr die gleiche Anzahl an LED-Chips zu tragen wie die GE Basic-Lampe, wodurch der Wärmewiderstand zu ihren jeweiligen Kühlkörpern verringert wird und vermutlich auch ihre Temperatur sinkt. Bei diesen Lampen ist außerdem die fehleranfällige Treiberelektronik auf von den LEDs getrennten Leiterplatten montiert, um sie kühl zu halten. Schließlich verwendet die 25.000-Stunden-Cree-Glühbirne einen Elektrolytkondensator, der für 130 °C ausgelegt ist, im Gegensatz zu den 105 °C-Sockeln der anderen beiden. Bei ähnlichen Betriebstemperaturen könnte dies die erwartete Lebensdauer des Kondensators um den Faktor fünf vervielfachen. Jede dieser Maßnahmen trägt wahrscheinlich dazu bei, einen katastrophalen Ausfall der Glühbirne zu verzögern, was zu einer längeren Nennlebensdauer führt.

Aber wenn es um die LEDs selbst geht, geht es bei der Schätzung der Lebensdauer um mehr als die Vorhersage eines katastrophalen Ausfalls.

Wie die Soldaten in Douglas MacArthurs berühmter Serie sterben alte LEDs nicht, sie verblassen einfach. Wir alle wissen, wie ein Ausfall einer Glühlampe aussieht: In einer Sekunde brennt sie hell; Beim nächsten Mal ist das nicht der Fall (und hin und wieder hört man ein Knallen, gefolgt von einem schwachen Klirren, während der freigesetzte Glühfaden in der Glühbirne brennt). Abgesehen von den Netzteilen fallen LEDs normalerweise nicht mit so viel Tamtam aus. Stattdessen verlieren sie mit zunehmendem Alter allmählich an Helligkeit. In der Beleuchtungsindustrie wird dies als Lumenverlust bezeichnet und ist ein anderer Fehlermodus als der katastrophale Ausfall, an den wir normalerweise denken.

Wie sich herausstellt, kommt es auch bei Glühbirnen zu einem Lumenverlust. Am Ende ihrer 1.000-Stunden-Lebensdauer ist die Leistung normalerweise um 10–15 % gesunken, aber niemand bemerkt es jemals. Bei LEDs ist der Effekt deutlich schlimmer und die Leistung nimmt mit zunehmendem Alter des Geräts immer weiter ab. Irgendwann gibt die LED nicht mehr genug Licht ab, um ihren ursprünglichen Zweck zu erfüllen, obwohl sie nicht „durchgebrannt“ ist. Untersuchungen haben ergeben, dass die meisten Benutzer einen allmählichen Rückgang der Lichtstärke um 30 % nicht bemerken; Dementsprechend hat die Industrie L70, den Zeitpunkt, an dem die Leistung auf 70 % ihres ursprünglichen Niveaus gesunken ist, als Endpunkt für die Messung der Lebensdauer von LED-Lampen definiert. Basierend auf der Schätzung wird dieses Maß typischerweise als B50-L70 angegeben, der Punkt, an dem 50 % einer anfänglichen Glühbirnenprobe noch 70 % ihrer Nennleistung behalten.

Wenn weiße LEDs auf Phosphorbasis altern, passiert noch etwas anderes: Sie ändern ihre Farbe. Der Bericht des US-amerikanischen Energieministeriums „LED Luminaire Reliability: Impact of Color Shift“ definiert vier Farbverschiebungen (blau, gelb, rot und grün), die bei LED-Lampen beobachtet werden, obwohl die gelbe Verschiebung bei weißen Hochleistungs-LEDs dominiert. Diese allmähliche Vergilbung der Lichtleistung resultiert aus Rissen des Leuchtstoffs, Delamination und thermischen Effekten, da die Leuchtstofftemperatur die des LED-Übergangs um 30 bis 50 °C übersteigen kann. Die Modellierung und Vorhersage der Farbverschiebung bei LEDs ist eine schwierige Aufgabe, da noch nicht alle Mechanismen vollständig verstanden sind. Daher wurden noch keine Standards für beschleunigte Tests oder die Prognose der Farbstabilität über einen längeren Zeitraum festgelegt.

Letztendlich können diese Auswirkungen die Funktion der Glühbirne ebenso beeinträchtigen wie ein katastrophaler Ausfall. Angesichts der Tatsache, dass der Lichtstromverlust und die Farbverschiebung die LEDs mit der Zeit unbrauchbar machen, ist es für Hersteller möglicherweise nicht sinnvoll, Lampen mit sehr langer elektrischer Lebensdauer zu entwickeln. Es ist möglich, dass die reduzierten Lebensdauerwerte, die wir bei aktuellen Glühbirnen sehen, einfach ein besseres Wissen über die tatsächliche Leistung der vorhandenen LED-Technologie im Laufe der Zeit widerspiegeln.

Ich habe den Lumenverlust und die Farbverschiebung aus erster Hand gesehen. Im Juni 2010 habe ich zwölf 65-W-PAR30-Flutlichtbirnen in unserer Küche durch LED-Äquivalente ersetzt. Gleichzeitig habe ich auch drei Lampen in einem anderen Raum durch identische LED-Lampen ersetzt. Diese drei Glühbirnen werden viel seltener genutzt, daher habe ich zur Vorbereitung dieses Artikels eine Glühbirne von jedem Standort genommen und sie nebeneinander gestellt, um zu sehen, ob ich den Unterschied in der Leistung erkennen kann. Die Einbauleuchten in beiden Räumen sind identisch, daher erwarte ich, dass die Glühbirnen im eingeschalteten Zustand ähnlichen Temperaturen ausgesetzt sind: Unterschiede dürften nur auf Alterungseffekte zurückzuführen sein. Die Ergebnisse waren schockierend. Da sich diese beiden Glühbirnen in verschiedenen Räumen befanden, sah ich sie nie nebeneinander und bemerkte daher nicht, wie schlimm der Lumenverlust und die Farbverschiebung geworden waren. Klar, ich wusste, dass sie dunkler und gelber waren als bei der Installation, aber ich hatte keine Ahnung, dass es so schlimm war.

Diese Lampen wurden mit einer Lebensdauer von 30.000 Stunden beworben. Ich schätze die Gesamtnutzung auf 15.000-20.000 Stunden. Während der 8 ½ Jahre, die diese im Einsatz waren, fiel eines völlig aus. Anstatt sie durch eine neuere Glühbirne zu ersetzen, die nicht zur Farbe der älteren passte (oder sie alle auszutauschen), habe ich diese Fassung leer gelassen.

Im Baumarkt sind mir neue 9-Watt-BR30-LED-Lampen für 5 $ pro Stück aufgefallen. Die PAR30, die ich 2010 gekauft habe, kosteten 45 US-Dollar und verbrauchen 11 Watt. Eine schnelle Rechnung zeigt, dass sich die alten Glühbirnen im Vergleich zu den ersetzten Glühbirnen durch die Stromeinsparung mehr als dreimal amortisiert haben und so viel weniger Kohlenstoff in die Atmosphäre abgegeben haben. Sie brennen vielleicht noch weitere 15.000 Stunden, aber nachdem ich die verminderte Leistung und die Kosten für den Ersatz durch hellere, effizientere Versionen abgewogen habe, gehe ich zurück zum Laden.

Ich habe einen Blick auf einige technische Probleme bei der LED-Beleuchtung geworfen. Natürlich gibt es bei LED-Lampen mehr als nur die Lebensdauer – Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex (CRI) sollten bei jeder Kaufentscheidung eine Rolle spielen. Es gibt auch eine Reihe größerer Probleme, darunter Fragen der Wirtschaft und Nachhaltigkeit. Einige davon werden in JB MacKinnons Artikel „The LED Quandary: Why There's No Such Thing as „Built to Last“ aus dem Jahr 2016 im The New Yorker angesprochen.

Die Abkehr von Glühlampen und hin zu einer effizienteren Beleuchtung ist sicherlich sinnvoll, aber vielleicht brauchten wir überhaupt keine 100.000-Stunden-Glühbirnen. Die Lebensdauer selbst von 7.500-Stunden-Glühbirnen ist im Vergleich zum rasanten Fortschritt in der Beleuchtungstechnologie lang. Ist es sinnvoll, heute teure, langlebige Glühbirnen zu kaufen, wenn in naher Zukunft möglicherweise bessere, günstigere und effizientere erhältlich sind?

Die älteste erhaltene Glühbirne, bekannt als Centennial Bulb (klicken Sie hier, um eine Webcam der Lampe zu sehen), ist eine schwache Kohlefadenlampe, die seit 1901 fast ununterbrochen brennt – über 1 Million Stunden. Im jetzigen Zustand gibt sie so viel Licht ab wie eine moderne 4-Watt-Glühlampe. Wäre es um die Wende des 20. Jahrhunderts sinnvoll gewesen, für solche „Millionen-Stunden-Glühbirnen“ einen Aufschlag zu zahlen, wenn wir eine Ahnung von den Fortschritten gehabt hätten, die in den nächsten 117 Jahren kommen würden?

Die neuen BR30-LED-Lampen für 5 US-Dollar, die ich gerade in der Küche installiert habe, sind erstaunlich hell und klar: Tests mit einem Luxmeter zeigen, dass die Beleuchtungsstärke um mehr als 60 % höher ist. Darüber hinaus machen sie sich durch die Stromeinsparungen im Vergleich zu den alten, ineffizienten LED-Lampen, die sie ersetzt haben, mehr als bezahlt.