Vor etwa einem Jahr habe ich meinen Eltern 4 LED-Lampen im GU-10 Gehäuse (für 230V AC) geschenkt, da ihre Led-Leuchtmittel viel zu dunkel waren.

Aufgrund schlechter Erfahrungen mit LED-Lampen aus vielen Einzel-LEDs habe ich welche mit 4x 1W Power-LEDs ausgewählt.
Doch nun nach gerade einmal einem Jahr sind zwei davon ausgefallen, beide mit dem Effekt das sie nach dem Einschalten eine Weile normal leuchten und dann anfangen zu blinken.

Das ist natürlich ein sehr lustiger Effekt, nur leider sieht man das sehr schnell anders, wenn man eigentlich sein Wohnzimmer damit beleuchten wollte.
Da bei mir bisher alle Leuchtmittel mit wenigen Power-LED keine Schwächen gezeigt haben, bin ich der Sache natürlich auf den Grund gegangen.

Also erstmal dieses chinesiche Materialkonglomerat in seine Einzelteile zerlegen.

Interessanterweise sind viele LED-Lampen ordentlich Handwerklich aus miteinander verschraubten Einzelteilen zusammengesetzt. Es ist auch in diesem Fall nichts zusamengeklebt. Die Linse (die mit Totalreflektion arbeitet) kann abgenommen werden, wenn man den äußeren Ring am Kühlkörper abschraubt.
Danach kann man den Kühlkörper vom Sockel ebenfalls durch Auseinanderschrauben trennen. Hier kommt eine kleine elektronische Schaltung zum Vorschein, der die ca. 15V / 0,3A für die 4 weißen LED aus der Netzspannung erzeugt. Bei LED-Lampen wird dieser Bausteil „Treiber“ genannt.

Hier sieht man auch schon die ersten beiden „Generalverdächtigen“, die Elektrolytkondensatoren. Diese kleine Baugruppe funktioniert mit dem winzigen Trafo nur, wenn die Netzspannung gleichgerichtet wird, und in eine viel höhere Frequenz zerhackt wird. Durch die schnellen Schwingungen kann man die nötige Energie durch diesen winzigen Trafo übertragen. Leider sorgen die dabei entstehenden pulsierenden Ströme auch für viel Streß in den kleinen Elektrolytkondensatoren. Die Abwärme der Lampe verstärkt die Alterungseffekte noch deutlich.
Um den Zustand der Kondensatoren für die Betriebsfrequenz annähernd zu beurteilen benutzt man ein ESR-Messgerät.
Der Vergleich mit einem neuen Kondensator erbrachte nur geringe Abweichung des ESR, die Kondensatoren sind also noch in Ordnung. Es muss also eine andere Ursache in Betracht kommen.

Auf der Rückseite verstecken sich übrigens die restlichen Bauteile des kleinen Schaltreglers.

Ein praktischer Test soll nähere Erkenntnisse zu Tage fördern.

Die Kühllamellen werden nach wenigen Minuten sehr heiß. Leider ist der Kühlkörper durch die Standart-Lampenform, die den „echten“ Hochvolt-Halogenlampen nachempfunden ist, sehr klein geraten um die anfallende Wärme abzuführen. Mit dem Infrarotthermometer auf der LED-Alukernplatine konnte ich messen, das der Blinkeffekt eintritt, wenn die LED-Platine 52 °C erreicht.

Das ist eigentlich schon in einem Bereich, der der Lebensdauer der LED und der Phosphor-Leuchtschicht nicht zuträglich ist. Doch der Fehler steckt weiter im Detail:

Die thermische Kopplung zwischen dem Lamellenkühlkörper und der Aluminiumplatine mit den LEDs ist schlecht. Hebt man die LED-Platine an, kann man zwar Wärmeleitpaste entdecken, jedoch ist diese schlecht verteilt und viel zu dick. Wärmeleitpaste soll die Luft aus den mikrorauhen Oberflächen der Materialien verdrängen. Ist sie jedoch zu dick aufgetragen verschlechter sich der Wärmeübergang wieder. Hier bei dieser Konstruktion ist Präzision von nöten, weil die Abmessungen der Kunststofflinse so genau zum Kühlkörper passen muss, dass der aufschraubbare Ring über die Linse die LED-Platine auf die Kühlfläche niederdrückt.

Eigentlich sollte die Wärmeleitpaste bei Erwärmung flüssig genug werden um sich selbst entsprechend zu Verteilen und nur eine dünne Schicht zu hinterlassen.
Hier kommt aber die Verarbeitung der Materialien ins Spiel, die dem Plan einen Strich durch die Rechnung macht. Die Linse wird nicht ausreichend stark auf die LED-Platine aufgedrückt da die Maße nicht genau genug sind. Außerdem liegt die Platine auf der Kühlfläche nicht richtig plan auf, weil die Ausfräsung für die Leitungsdurchführung nicht entgratet wurde. So wird es den LEDs ganz schön warm ums Herz. Zu warm.

Es sind bei den beiden Lampen je eine LED beschädigt. Herauszufinden welche defekt ist, funktioniert an einem ordentlichen Labornetzteil, welches auf Strombegrenzung eingestellt wird (und keine dicken Kondensatoren nach der Strombegrenzung haben darf).

Damit man die defekte LED identifizieren kann, muss alles wieder entsprechend erwärmt sein. Ich habe die beiden Drähte vom kleinen Schaltregler in der Lampe abgelötet und ans Labornetzteil angeschlossen, und die LED-Platine ohne den Kühler mit der Abwärme vorsichtig wieder auf „Blinktemperatur“ hoch geheizt. Danach dann eine LED nach der anderen Überbrückt, bis diejenige „ausgeschaltet“ war, die das Blinken verursacht.

Die LED ist defekt und muss ausgetauscht werden. Entweder macht man „Eins aus Zwei“ und nimmt die noch funktionierenden LEDs aus der zweiten Lampe als Ersatz her, oder man hat passende LED zum austauschen da. Das bleifreie China-Lot lässt sich sehr sehr schlecht Löten und braucht hohe Temperaturen um zu schmelzen, hilfreich kann es sein etwas normales Elektroniklot (mit 60% Blei) hinzuzugeben und es zusammenzulegieren, damit der Schmelzpunkt sinkt.
Mit Entlötlitze dann die Lötflächen „entzinnen“ und die LED herunternehmen. (Ich habe erst eine Seite mit einem Feinmechanikerschraubendreher angehoben, da das Bleifreie Lot unter dem Lötpad sehr hartnäckig war.)

Dabei bot sich noch eine weitere unschöne Überraschung:

Die metallenen Kühlflächen lagen nur so lose auf der Platine auf und waren weder mit Wärmeleitkleber, noch mit Lot (Lötpaste im Reflowprozess) noch mit einfacher Wärmeleitpaste auf die Aluminiumplatine „gekoppelt“.
Die kleinen dünnen Beinchen der LED können die entstehende Abwärme gar nicht ausreichend ableiten.

Bei so großen Temperaturschwankungen beim Ein- und Ausschalten dehnt sich das Plastikgehäuse der LED natürlich stark aus, und hat sicher einen größeren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial und die Metallteile (Beinchen und Bondingdrähte am Halbleiter). So reißt der Bondingdraht am Halbleiter ab. Wird die LED wieder kühler, liegt das feine Drähtchen wieder an und die LED leuchtet, wird es dann wieder heiß, deht sich das Gehäuse aus und zieht den Draht wieder ein wenig zur Seite, die LED erlischt. Durch die Reihenschaltung der 4 LED wird der gesamte Stromkreis unterbrochen und die gesamte Lampe geht aus.
Es stellt sich eine Elektromechanische Schwingung ein, die etwa 1-2 Sekunden für eine Schwingungsperiode benötigt.

Ich habe dann den Kühlkörper entgratet, alle LED abgelötet, einen Hauch Wärmeleitpaste auf LED und Aluplatinenrückseite aufgetragen und alles wieder zusammengebaut.
Die äußere Luftdurchströmung am Lamellenkühlkörper lässt sich noch verbessern, wenn man an der Linse an mehreren Kreissegmenten (aber nicht überall, ein paar Stücken müssen wegen der Anpresswirkung stehen bleiben) 2-3 Millimeter vom Linsenrand abträgt, damit dort die Luft in die Lamellen einströmen kann. Es kann sich dann im optimalen Fall ein kleiner Kamineffekt bilden der für eine verbesserte Wärmeabfuhr sorgt.

Jetzt werde ich wohl die beiden anderen noch funktionierenden Lampen auch noch zu einem Rückruf in die Bastelstube mitnehmen, um sie ebenfalls wärmetechnisch in Ordnung zu bringen, bevor sie auch noch kaputt gehen.

Zum weiterlesen:
Es gibt noch eine zweite Art von elektronischer Spannungsanpassung im Lampensockel, die Burkhard Kainka auf seinen Bastelseiten beschreibt: Das Kondensatornetzteil.