Warum LED-Anzeigeleuchten vorzeitig ausfallen – und wie man solche auswählt, die ein Jahrzehnt lang halten

Jeder Schaltschrankbauer kennt diesen Moment. Man geht an einem Schaltschrank vorbei, den man vor zwei Jahren in Auftrag gegeben hat, und die Hälfte der Statusleuchten an der Tür ist erloschen. Die Maschine läuft einwandfrei. Die SPS-Logik wurde nicht verändert. Aber die kleinen grünen und gelben Anzeigen, auf die sich die Bediener verlassen, sind still und leise eine nach der anderen ausgefallen.

Das Frustrierende daran? In neun von zehn Fällen war die LED selbst nicht defekt. LEDs halten in der Regel 50.000 Stunden oder länger. Was ausfällt, ist alles rund um die LED – die Ansteuerschaltung, die Lötstellen, das Gehäuse, in dem sich Wärme staute, bis sich der Leuchtstoff zersetzte. Mit anderen Worten: Ausfälle von Kontrollleuchten sind in der Regel konstruktionsbedingte Fehler und keine Bauteilausfälle.

Wenn Sie schon einmal einem Kunden erklären mussten, warum die Leuchten an einem von Ihnen gebauten Schaltpult ausgegangen sind, bevor die Maschinen abgeschaltet wurden, dann ist dieser Artikel genau das Richtige für Sie. Hier erfahren Sie, was tatsächlich zum Ausfall von Schaltpult-Anzeigeleuchten führt und wie Sie ein gut verarbeitetes Modell von einem billigen unterscheiden können, bevor es in Ihrem Schaltschrank landet.

Fehlermodus 1: Die Treiberschaltung ist das schwache Glied

Eine LED kann nicht direkt an ein 220-V-Wechselstromnetz angeschlossen werden. Sie benötigt einen Treiber, der die Spannung senkt und den Strom begrenzt, und die Auslegung dieses Treibers bestimmt nahezu ausschließlich die Lebensdauer der Leuchte.

Es gibt drei Ansätze, die sich voneinander unterscheiden.

Widerstands-Tropfer. Die kostengünstigste Lösung: Ein Widerstand wandelt die überschüssige Spannung in Wärme um. Einfach, ja. Aber in einem Wechselstromkreis verschwendet ein einfacher Widerstand kontinuierlich Leistung, wird in einem geschlossenen Gehäuse heiß und bietet so gut wie keinen Überspannungsschutz. In einem Netz mit Spannungsabfällen und -spitzen – was auf die meisten industriellen Stromnetze zutrifft – ist die LED jeder dieser Schwankungen ausgesetzt. Leuchten, die auf diese Weise gebaut sind, sind diejenigen, die innerhalb von ein oder zwei Jahren dunkler werden, flackern und ausfallen.

Kapazitiver Tropfer. Ein Folienkondensator senkt die Spannung nahezu ohne Wärmeabgabe, weshalb diese Topologie bei Kontrollleuchten der mittleren Leistungsklasse zum Einsatz kommt. Bei korrekter Ausführung läuft er kühl und ist für den 24-Stunden-Betrieb gut geeignet. Wird er jedoch billig umgesetzt – mit einem zu kleinen Kondensator oder ohne Eingangsschutz –, fällt er bereits beim ersten nennenswerten Spannungsspitzenereignis aus. Kondensatoren reagieren zudem empfindlich auf hohe Umgebungstemperaturen; in einem heißen Gehäuse driftet ihre Kapazität ab und die Helligkeit der Leuchte nimmt langsam ab.

Geregelte Konstantstromtreiber. Die richtige Lösung für Wechselstrom-Anzeigeleuchten. Der LED-Strom bleibt über einen weiten Eingangsbereich stabil, sodass die Helligkeit gleichbleibend ist, unabhängig davon, ob die Netzspannung bei 85% oder 110% des Nennwerts liegt. Die Störfestigkeit gegen Überspannungen ist quasi kostenlos mit dabei. Dies ist genau die richtige Bauweise für 110-V- und 220-V-Wechselstromkreise, in denen Netzstörungen an der Tagesordnung sind.

Hier ist ein kurzer Praxistest: Nehmen Sie eine hochwertige AC-Kontrollleuchte und eine billige Variante nach zehnminütigem Betrieb in die Hand. Wenn sich die billige Variante am Rahmen spürbar warm anfühlt, gibt ihr Treiber Energie in Form von Wärme ab – Wärme, die die LED, den Kondensator und das Kunststoffgehäuse gleichzeitig vorzeitig altern lässt.

Fehlermodus 2: Spannungstransienten und Rückspannungsspitzen

Industriestrom ist nicht sauber. Schütze schalten ruckartig ein und aus, induktive Lasten verursachen Rückschlag, wenn sie abgeschaltet werden, und in der Sturmsaison treten Blitzspannungsspitzen in den Zuleitungen auf. Eine direkt über einen Pumpenstarter geschaltete Kontrollleuchte registriert all das.

Eine robuste LED-Anzeige sorgt an zwei Stellen dafür. Am Eingang absorbiert eine gegen Überspannung geschützte Bauteilanordnung kurze Transienten. Innerhalb der LED-Schaltung ist der Verpolungsschutz wichtiger, als den meisten Käufern bewusst ist – bei einem falsch verdrahteten Gleichstromkreis während der Inbetriebnahme sollte ein einzelner Verpolungsfehler nicht zum Ausfall der LED führen. Gut durchdachte Konstruktionen verfügen über eine Verpolungsschutzdiode, damit die LED auch bei Installationsfehlern unbeschadet bleibt.

Genau hier kommt es darauf an, bei einem Hersteller zu kaufen, der seine Produkte tatsächlich auf Überspannungen testet. Zwei Leuchten können auf dem Datenblatt identisch aussehen – beide geben 220 V Wechselstrom und die gleiche Helligkeit an –, sich aber völlig unterschiedlich verhalten, sobald nebenan zum ersten Mal eine Schützspule zurückschlägt.

Fehlerart 3: Wärme und das Gehäuse, in dem sie sich staut

LEDs fallen nicht plötzlich aus wie Glühfäden. Sie verlieren allmählich an Leuchtkraft. Die Sperrschichttemperatur bestimmt die Abnutzungsrate: Lässt man eine LED zu heiß laufen, sinkt ihre Lichtleistung Jahre früher als erwartet drastisch ab. Als Erstes macht sich eine Verfärbung des Leuchtstoffs bemerkbar – das klare Grün wird fahl, das Bernstein wird trüb.

Drei konstruktive Merkmale unterscheiden Leuchten, die zum Leuchten dienen, von Leuchten, die zum Kochen dienen:

• Wärmepfad. Die von der LED erzeugte Wärme muss irgendwohin abgeleitet werden. Bei Baugruppen mit Metallklemmen oder ordnungsgemäßer Vergussmasse wird die Wärme vom Übergang in das Gehäuse abgeleitet; bei Konstruktionen, bei denen die LED in einer Lufttasche innerhalb eines versiegelten Kunststoffgehäuses schwebt, ist dies nicht der Fall.
• Materialqualität. Kunststofflinsen, die unter UV-Strahlung und Hitze vergilben und Risse bekommen, beeinträchtigen die Lichtleistung, selbst wenn die LED einwandfrei funktioniert. Achten Sie auf Gehäuse, die für einen Betrieb bei Temperaturen von mindestens -25 °C bis +70 °C ausgelegt sind – dies deutet darauf hin, dass die Materialauswahl bewusst getroffen wurde.
• Anbraten, ohne dass es schmort. Die IP65-Abdichtung an der Vorderseite hält Spülwasser und Ölnebel fern, doch die Rückseite der Leuchte muss weiterhin den tatsächlichen Temperaturen im Inneren des Gehäuses standhalten. Das Ziel ist eine Leuchte, die an der Vorderseite wie ein U-Boot abgedichtet ist und an der Rückseite thermisch empfindlich ist.

Ausfallart 4: Vibration und Ermüdung der Anschlüsse

An mobilen Geräten, Spritzgießmaschinen und allen Anlagen, die in der Nähe großer Motoren montiert sind, führen Vibrationen dazu, dass sich Anschlussschrauben lösen und Lötstellen ermüden. Die Leuchte funktioniert nicht mehr, der Techniker tauscht sie aus, und alle geben der LED die Schuld – obwohl der eigentliche Fehler eine gerissene Lötstelle aufgrund eines sich verbiegenden Gehäuses oder eine Anschlussschraube war, die nie fest saß.

Die Gegenmaßnahmen sind zwar langweilig, aber wirksam: eine korrekte Geometrie der Anschlussklemmen, eine so gesicherte Anordnung der internen Bauteile, dass diese nicht in Resonanz geraten können, sowie ein Gehäuse mit ausreichender Steifigkeit, damit die Leiterplatte nicht jedes Mal verbogen wird, wenn jemand die Verkabelung berührt. Wenn Ihre Schalttafeln in vibrationsbehafteten Umgebungen eingesetzt werden, fragen Sie den Lieferanten, wie die Anzeigebaugruppen im Inneren befestigt sind. Wenn er darauf keine Antwort geben kann, ist das die Antwort.

Was Sie vor dem Kauf unbedingt prüfen sollten

Mit dieser kurzen Liste durchschauen Sie das Marketing:

1. Treibertopologie. Bei Wechselstromleuchten sollten Sie auf eine geregelte oder kapazitive Ausführung mit Überspannungsschutz bestehen und keine einfache Widerstands-Drossel verwenden.
2. Nennspannungsbereich. Ein hochwertiger 220-V-Wechselstrom-Anzeiger verträgt einen breiten Eingangsbereich, ohne dass die Helligkeit nachlässt. Erkundigen Sie sich nach dem Bereich, nicht nur nach dem Nennwert.
3. Angabe zur Lebensdauer von LEDs im Kontext. 50.000 Stunden bedeuten nichts, wenn sie nicht durch ein geeignetes Treiber- und Wärmeableitungsdesign untermauert werden. Fragen Sie, was bei ihrem Design zuerst ausfällt und bei welcher Temperatur.
4. Anschlussart und Drehmomentbeibehaltung. Insbesondere für vibrierende Anlagen.
5. Zertifizierungen. Mindestens CE-Zertifizierung für Export-Leuchten; prüfen Sie, ob die Zertifizierung tatsächlich die Leuchte selbst abdeckt und nicht nur die Produktfamilie, der sie ähnelt.
6. Einheitlichkeit innerhalb des Gremiums. Leuchten eines einzigen Herstellers mit aufeinander abgestimmter Optik verleihen der Tür ein einheitliches Erscheinungsbild – eine unterschiedliche Helligkeit benachbarter Fenster wird als Mangel wahrgenommen, auch wenn dies gar nicht der Fall ist.

Wo dies im Panel hingehört

Anzeige-LEDs fallen selten isoliert aus. Sie befinden sich auf derselben Blende wie die Tasten und Wahlschalter, die die Bediener stündlich betätigen, und eine Blende, bei der billige Anzeigen mit hochwertiger Schalttechnik kombiniert werden, konzentriert die Ausfallstellen lediglich auf die visuelle Ebene. Deshalb bauen wir unsere runde, flache Kontrollleuchte für 220-V-Wechselstromkreise und die Ausführung mit 380 V Wechselstrom mit geschützten LED-Treiber-Schaltungen und einer Standard-Befestigungsbohrung von 22 mm – dieselbe Aussparung wie bei der übrigen Steuerungshardware, sodass bei einer Türerneuerung keine neuen Bohrungen erforderlich sind.

Bei Schalttafeln, bei denen die Anzeige vollständig von der Schaltung getrennt ist, ist die 220-V-LED-Anzeigemodul und die 24-V-LED-Anzeigemodul Behandeln Sie die beiden gängigsten Steuerspannungen, einschließlich der 24-V-Schaltkreise auf der SPS-Seite, in denen Anzeigeleuchten und beleuchtete Drucktaster gemeinsam geschaltet sind. Wenn Sie beleuchtete Drucktaster an derselben Tür verdrahten, gilt für diese die gleiche Logik wie für die 1NO1NC-Taster mit Beleuchtung — Das darin enthaltene LED-Modul unterliegt denselben Regeln wie eine eigenständige Leuchte.

Die Spannungsauswahl und die IEC-Farbcodierung sind ein ganz eigenes Thema; auf die normativen Aspekte sind wir im Leitfaden zu Spannung und Farbe der Kontrollleuchte. In diesem Artikel geht es um die andere Seite: darum, sicherzustellen, dass die von Ihnen gewählte Leuchte auch in fünf Jahren noch leuchtet.

Das Fazit

Kontrollleuchten sind die kostengünstigsten Komponenten auf dem Bedienfeld und – ironischerweise – die auffälligsten. Wenn sie ausfallen, sieht das Bedienfeld defekt aus, auch wenn die Maschine einwandfrei funktioniert. Der Ausfall ist fast immer auf das Treiberdesign, das Wärmemanagement oder die Vibrationsfestigkeit zurückzuführen – Faktoren, die weder auf einem Foto noch in einer einzeiligen Spezifikation erkennbar sind.

Legen Sie die Spezifikationen also so fest, wie Sie es bei einem Schütz tun würden: Fragen Sie nach der Bauweise und nicht nur nach den angegebenen Werten. Und wenn ein Anbieter die Topologie seines LED-Treibers nicht in einem Satz erklären kann, fragen Sie weiter nach – oder suchen Sie sich einen Anbieter, dessen Leuchten so konstruiert sind, dass sie denselben Umgebungsbedingungen standhalten wie der Rest der Schalttafel.