Reparatur BMW E39 Celis / Angel Eyes / Standlichtringe (Birne durchgebrannt)

Servus!

Wenn Euch der E39 mal so begrüßt (siehe linke Scheinwerfer), dann keine Panik. Es ist mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht das Steuergerät ausgefallen, sondern das Leuchtmittel, das die sog. "Angel Eyes" beleuchtet, also die Ringe um die Scheinwerfer herum.
Symptome:

• wenn nur Standlicht eingeschaltet ist, fehlt es auf einer oder beiden Seiten. Statt dessen leuchtet die jeweilige Blinker-Leuchte dauerhaft mit reduzierter Helligkeit
• die Standlichtringe leuchten auch in keinem anderen Beleuchtungsmodus (Abblend-/Fernlicht)
• die Blinker-Leuchte wird bei Abblend- oder Fernlicht ausgeschaltet (außer man blinkt tatsächlich)
• ggf. Meldung "Standlicht prüfen" in Check Control (ohne wäre es mir wohl erst sehr viel später aufgefallen)

Dass dann statt der Standlichtringe der Blinker halbdunkel leuchtet, ist entweder vom Steuergerät so gewollt, um zu zeigen, dass es ein Problem gibt, oder ein Effekt von Check Control, wo vielleicht durch den Ausfall der Birne der Strom sich einen anderen Weg sucht. Ich würde aber eher auf ersteres tippen.

Ich kann jetzt natürlich nur für meinen eigenen E39 touring sprechen, der aus Baujahr 2002 stammt, Xenon-Abblendlicht eingebaut hat, und das E39-Facelift bereits serienmäßig hat. Falls es von Bedeutung ist, es ist ein 530d mit Original M-Sportpaket. Bei meinem werden beide Standlichtringe pro Scheinwerfer von nur einer einzigen Glühbirne beleuchtet. Also nicht eine Kette von mehreren Lämpchen, keine CCFL-Röhre, keine LEDs, nur eine einfache 10-Watt-Glühbirne.
Gemäß Teilekatalog kommt dasselbe Konzept auch in folgenden Baureihen zum Einsatz - ohne Gewähr und ohne Anspruch auf Vollständigkeit:

• E87 (1er)
• E63 und E64 (6er)
• E83 (X3)

Evtl. kann man also die nachfolgende Anleitung auch für diese Modelle brauchen.
Für mich als Nicht-Auto-Schrauber war nicht ganz klar, wie man an diese Glühbirne überhaupt herankommt. Enttäuschend fand ich, dass alle Hilfestellungen im Netz erst anfangen, nachdem die Glühbirne inkl. Halterung aus dem Auto ausgebaut ist.
Darum möchte ich ganz vorne beginnen, um Euch vielleicht einiges an Kummer und Frust zu ersparen.

Vorweg zur Klarstellung: ich beschreibe hier eine auf eigene Gefahr von mir selbst vorgenommene Reparatur. Jeder, der die Anleitung befolgt, macht dies ebenfalls auf eigene Gefahr.  Was ich hier beschreibe, trifft möglicherweise nicht auf jeden E39 zu. Wenn Euer Auto offensichtlich nicht zur Anleitung passt, versucht bitte, die Infos anderswo zu bekommen und probiert lieber nicht herum!
Außerdem übernehme ich keine Verantwortung für Schäden, die durch richtige oder unrichtige Befolgung der Anleitung an fremdem Eigentum entstehen. Ich empfehle ganz klar, diese Reparatur nur mit Vorkenntnissen auszuführen und ggf. lieber eine Werkstatt oder einen erfahrerneren Reparateur ans Auto zu lassen.

Entscheidung: Austausch oder do-it-yourself?

BMW will an dieser Stelle gerne Geld an uns verdienen. Das ist normal, aber hier meiner Meinung nach übertrieben: laut Teilekatalog soll das Ersatzteil 27,09 Euro kosten. Um den Defekt an einer Glühbirne im Gegenwert von vielleicht ein paar Cent oder wenigen Euros zu beheben. Wer dann noch zur Fachwerkstatt geht, ist schnell mindestens das Doppelte los - der Laden muss ja auch Miete zahlen und die Lohn(neben)kosten sind ja so unverschämt.
Der Grund für den hohen Preis ist einfach: es geht hier leider nicht nur um eine einfache marktübliche Glühbirne, eher um ein Modul, in dem eine Glühbirne verbaut ist. Wenn die Birne durch ist, will BMW, dass das gesamte Modul getauscht wird. Geschmackssache! Wer dies hier liest, gehört vermutlich zur Fraktion der Selbstreparierer (zumindest bei Bagatellsachen) und würde sicher erst mal selbst versuchen, das Problem zu beheben. Aber auf für die anderen ist die Anleitung ja vielleicht von Wert.
Das fragliche Modul hat die Teilenummer 63126904048 und besteht aus:

• dem Reflektor als vorderem Teil
• der Lampenfassung, die mit dem vorderen Teil an zwei Stellen verschweißt ist (unfair!)
• der Lampe selbst

Das Modul wird mit dem Reflektor voran im Scheinwerfergehäuse befestigt und auf der Rückseite per Kabelstecker mit der Elektrik verbunden.
Wer sich für den Komplettaustausch entscheidet, braucht von diesem Beitrag lediglich die Aus- und Einbauanleitung des ganzen Moduls und kann die Reparaturschritte dazwischen überspringen. Aber ich kann nur noch mal sagen, dass es sehr verschwenderisch ist, so viel Geld für eine primitive Glühbirne auszugeben, zumal wenn die Reparatur so einfach ist. Das ist ja fast, als würde Apple für ein schnödes Mobiltelefon ohne Extras 700 Euro nehmen... oh.... egal, ich schweife ab.

Ausbau des Celis-Moduls aus dem Scheinwerfer

Ohne Vorerfahrung fand ich schon die Verortung des fraglichen Bauteils nicht einfach, denn der Teilekatalog (z.B. bmwfans.info) weist schon mal keinen Scheinwerfer aus, der überhaupt so aufgebaut ist. Die meisten scheinen die Celis-Beleuchtung irgendwie integriert zu haben. Ich konnte jedenfalls kein Scheinwerfermodell finden, bei dem die Explosionszeichnung auf ein entfernbares Zusatzlämpchen hinweist.
Insofern habe ich zunächst natürlich auch die falsche Kappe geöffnet, und zwar die, die man von oben nahe der Scheinwerferfront sieht (auf dem nachfolgenden Foto oben in der Mitte). Darunter ist jedoch nicht das Gesuchte. In Wirklichkeit bekommt man den Zugang zum Modul von hinten. Es sitzt ziemlich genau in der Mitte zwischen Abblend- und Fernlicht und eher an der Oberkante des ganzen Gehäuses. In der eingebauten Position zeigt der Kabelanschluss nach unten.
Im folgenden Bild sieht man die Scheinwerferrückseite, der gelbe Kasten markiert den Einbauort des Moduls. Da dies ein linksseitiger Scheinwerfer ist, wird hier das Modul so eingebaut, dass der Anschluss auf der Rückseite nach rechts zeigt. Auf der rechten Fahrzeugseite zeigt der Anschluss in eingebauter Position hingegen nach unten (siehe ggf. die Bilder ganz am Ende des Posts)

Um das Modul aus dem Scheinwerfergehäuse zu bekommen, dreht man es mit Hilfe der zwei Kunststofflaschen, die aus dem vorderen Teil nach hinten herausstehen, ca. 1/8 Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Die Laschen dazu einfach leicht zusammendrücken und das Modul um die eigene Achse drehen. Hier kann sanfte Gewalt erforderlich sein, weil das Modul mit einem Dichtungsring im Scheinwerfergehäuse sitzt. Da ist also einige Reibung zu überwinden.
Die besagten Laschen sind in den Fotos weiter unten deutlich zu sehen.
Bitte an keiner anderen Stelle die Drehbewegung auf das Modul geben! Auch wenn der Kabelanschluss verlockend aussieht, er ist viel zu labil und wird dabei wahrscheinlich brechen.
Das Modul lässt sich am Ende hoffentlich vollständig nach hinten herausziehen. Nun müssen wir das Kabel lösen.
Der KFZ-seitige Stecker ist auf den Anschluss aufgeschoben und wird mit folgender Rastnase gesichert (hier Seitenansicht):

Der Stecker ist mit einem länglichen U-förmigen Clip an dieser Nase eingerastet. Der Clip muss an der gezeigten Stelle leicht angehoben werden, z.B. mit einem dünnen Schlitzschraubendreher oder etwas ähnlichem. Hierbei gleichzeitig den Stecker abziehen, das sollte mit vorsichtigem Krafteinsatz möglich sein:

EDIT: so geht es zwar auch, ist aber vollkommen unnötig. Man kann auch das andere Ende des U-Clips drücken, also an dem Ende, wo der Stecker ins Kabel übergeht, den Stecker zusammendrücken (im Bild ganz oben). Damit geht der Clip nach Art einer Wippe am vorderen Ende nach außen und kommt so ebenfalls an der Rastnase vorbei.

Überprüfung des Moduls

Bevor Ihr jetzt zu den nächsten Schritten geht, empfehle ich das Durchmessen der Einheit. Es gibt im Verbinder nur zwei Metallkontakte, die direkt zur Glühlampe führen, und die man leicht mit einem Multimeter oder Durchgangsprüfer (Baumarkt max. 10 Euro) auf Widerstand prüfen kann:

Wenn ein messbarer geringer Widerstand vorhanden ist, oder der Durchgangsprüfer positiv anschlägt, ist die Glühbirne in Ordnung! Dann lohnt sich auch kein Austausch. Möglicherweise ist dann doch das Steuergerät betroffen.
Nur wenn kein Widerstand gemessen wird (OPEN, OL oder ähnlich), dann ist die Birne wirklich hin.

Ersatzteilbestellung

Zum Nachbestellen würde ich Euch gerne direkte Links geben, aber es ist einfacher, bei Google einfach nach "ba9s 12v 10w" zu suchen. Es gibt derzeit (Stand 20.05.2017) Wucherpreise bis 34,50 und auch wenn "Automotive" oder "speziell für Angel Eyes" draufsteht, ist der Preis eher Abzocke - dafür weiß man dann zwar, dass man definitiv das Richtige kauft, aber so teuer muss es trotzdem nicht sein. Ein realistischer Preis ist zwischen 3,80 und ca. 5 Euro pro Stück.
Ein paar Beispiele für konkrete Artikel, die man ebenfalls via Google finden kann:

• Osram 64113
• Philips Vision H10W
• Bosch 1987302233
• Scharnberger + Hasenbein 81837
• Barthelme 01641130
• Herth+Buss 89901165

Leider ist es relativ unwahrscheinlich, dass so ein Leuchtmittel noch beim Laden um die Ecke erhältlich ist. Die Kombination aus Bauform, Leistung und Spannung ist zu speziell, am ehesten wird man bei Großsortimentern fündig (eBay, Mercateo, Conrad o.ä.)

Überlegungen zur Umrüstung auf LED

Viele überlegen an dieser Stelle, gleich auf eine LED-Beleuchtung umzusteigen, vor allem wegen der umfangreichen Farbwahl von kaltweiß bis ultraviolett, aber auch wegen der Langlebigkeit. Darauf gehe ich hier mangels Erfahrung nicht im Detail ein. Relativ sicher bekommt man mit billigen LED-Ersatzlampen Probleme, da Check Control sie nicht erkennt und weiterhin Fehler meldet (der Durchgangswiderstand von LEDs ist anders als von Glühlampen, und die Polarität muss auch stimmen, was bei Glühlampen egal ist). Amtliche LED-Nachrüstsätze kosten um die 100 Euro und enthalten dafür zwei Module, die die bisherigen Module komplett ersetzen (also nicht nur das Leuchtmittel).
Bei mir ist nun die erste Standlichtbeleuchtung nach 15 Jahren ausgefallen. Insofern stellt sich die Frage, ob Langlebigkeit ein gültiges Argument für die LED ist. Immerhin entsteht durch die Beleuchtung, egal welche Ausführung, einiges an Hitze. Die Glühlampe kann damit recht gut umgehen, eine LED aber nur begrenzt. Wenn sie zu heiß wird, ist sie gleich wieder defekt. Man muss also schon eine LED-Lösung nehmen, die die Kühlung mit einbezieht. Das macht die Nachrüstmodule auch so teuer, sie bestehen zum großen Teil aus massivem Metall, um die Wärme zuverlässig abzuführen. Ein Ersatz in Form einer LED-"Glühbirne" wird recht schnell versagen, weil das Kunststoffgehäuse so gut wie keine Wärme abführen kann.

Zerlegen des Moduls

EDIT 2017-12-10: es gibt bei Youtube ein neues Video mit einer cleveren Idee, wie man das Leuchtmittel ohne Zerlegung des Moduls herausbekommt! Suchbegriff: GDApyupw_1Y

Der Trick ist, für die beiden Bajonett-"Nippel" an der Glühbirne jeweils zwei kleine Löcher in den Reflektor zu brennen. So bekommt man die Glühbirne ohne Probleme heraus und die neue hinein.

Dies ist sicher die bessere Methode, weil damit das Brüchige Plastik des Gehäuses geschont wird. Dann passiert nicht so ein Unfall wie ich ihn weiter unten beschreibe.

Wer die Youtube-Anleitung befolgt, kann beim Abschnitt "Reflektor reinigen" weiterlesen.

An beiden Seiten seht Ihr jeweils eine runde "schraffierte" Fläche, dies ist die Verschweißung des Reflektors mit der Lampenhalterung. Die ist in den folgenden Fotos bereits entfernt, aber zur Verdeutlichung der Positionen trotzdem:

Da das Gehäuse aus Plastik ist, lässt sich die Verschweißung recht leicht aufmachen. Ich habe dazu einfach eine kleine Kneifzange genommen und jeweils seitlich an dem Steg, den man unterhalb der verschweißten Stelle sieht, entlanggeschnitten - er setzt sich bis unter die Schweißstelle fort. Das Plastik ist recht hart und etwas spröde und lässt sich gut schneiden. Wegen Bruchgefahr sollte man aber vorsichtig sein und lieber mehrmals kleine Schnitte machen.

Die beiden Teile sollten am Ende nicht mehr ganz fest miteinander verbunden sein, sondern leicht wackeln. Die Verbindung ist dank des inneren Dichtungsringes immer noch recht stark, lässt sich aber nun auseinanderziehen. Bitte hierbei möglichst nicht verkanten, weil dann der Kragen des Reflektors bricht, in dem der Lampenfassungsteil eingeschoben ist (dazu mehr im nächsten Abschnitt)

Übrigens, wer jetzt denkt, das sei ja unglaublich umständlich, und die Birne ließe sich doch einfach nach vorne herausziehen (quasi durch den Reflektor hindurch), der irrt: die BMW-Ingenieure haben sich ein teuflisches Detail ausgedacht, und zwar handelt es sich bei der Glühbirne um eine mit sogenannter Bajonettfassung, d.h. sie hat am Anschlussende zwei seitlich herausstehende Noppen, die in der Fassung einrasten. Die Öffnung für die Birne im Reflektor ist gerade so groß, dass der Glaskörper der Birne hindurchpasst, aber eben nicht die breiteren Noppen. Auch mit Verkanten ist das nicht ohne Gewalt möglich und man würde den Reflektor beschädigen. Daher bleibt tatsächlich nur das komplette Zerlegen.

Gehäuse prüfen

Der Gehäusekunststoff PEI oder Polyetherimid (Wikipedia), aus dem unser Modul besteht, steht im Betrieb unter einer ziemlichen thermischen Belastung. Die Glühbirne wird mit 10W Leistung recht heiß, und der Kunststoff leidet darunter, trotz der Hochtemperaturfestigkeit, die man PEI attestiert. Das zeigte sich bei meinem Exemplar leider mit einem Riss, nicht ganz sicher, ob er schon vorher da war oder erst durch das Zerlegen entstanden ist:

oh f...

Der Riss fängt beim linken Pfeil an (das ist leider schon hinter der inneren Dichtung) und zieht sich bis zu der Kerbe durch, an der früher die Verschweißung war.
Das kann bei Euch ähnlich aussehen. Diese Stelle steht durch den von innen drückenden Dichtungsring ziemlich unter Spannung und das Material wird ständig aufgeheizt und kühlt wieder ab. Da ist es leider nicht zu vermeiden, dass der Kunststoff irgendwann spröde wird.
Wenn ja, steht Ihr vor der Entscheidung, ob es nun doch Zeit für ein Neuteil ist, oder ob der Schaden noch reparabel ist. Je nach Ausprägung des Risses kann eine Reparatur noch möglich sein.
Da es sich hier um kein lebenswichtiges Teil des Autos handelt, reicht mir ein Kabelbinder, den ich einmal außen herum festziehe, nachdem alles wieder zusammengesetzt ist. Nicht vorher, denn ohne "Füllung" den Kragen zusammenzudrücken kann zu einem neuen Riss oder gar Bruch führen. Den Riss kann man mit Sekundenkleber oder Heißkleber auffüllen.
Sollte aber der Riss nicht der einzige sein, so dass vielleicht schon Teile des Gehäuses komplett abbrechen, dann kommt man um den Neukauf wohl kaum noch herum.

Defekte Birne entfernen

Hier nun die Draufsicht auf die Fassung. Die Birne kann man leicht in die Fassung hineindrücken und dann ca. 30° gegen den Uhrzeigersinn drehen, um sie zu lösen.

Und hier ist der Übeltäter: Philips, made in Germany, 12V 10W, offenbar explosionsartig durchgebrannt, wenn man die Schwärzung am Glaskörper so anschaut:

Fassung reinigen

In den offenen Stellen des Moduls sammelt sich über die Jahre, wie an so vielen Stellen im Motorraum, ein Mix aus Dreck und Öl. Daher ist die innere Dichtung zwischen Fassung und Reflektor wohl auch eine ganz gute Idee, denn gerade diese Dichtung hat einiges eingesammelt, was nicht bis in den Bereich des Reflektors vorgedrungen ist. Es kann nicht schaden, alles gründlich zu reinigen. Bitte bedenkt aber, dass wir hier mit einem Teil arbeiten, das später an der Elektrik hängt. Auf eine nasse Reinigung sollte deshalb eine gründliche Trocknung folgen. Wie weit sich das wirklich lohnt, muss jeder selbst wissen. Mir hat es genügt, den inneren Dichtungsring sauberzuwischen, der Rest außerhalb davon wird eh früher oder später wieder dreckig.

Reflektor reinigen

Der Reflektor ist möglicherweise beschlagen. Es lohnt sich, ihn mit einem weichen Tuch und etwas Wasser, bei schwereren Verschmutzungen mit hochprozentigem Alkohol zu reinigen. Bitte auf keinen Fall einen Topfkratzer, Ajax-Pulver oder Nitroverdünnung nehmen, danach kann man den Reflektor sicher wegwerfen. Es handelt sich hier lediglich um beschichteten Kunststoff und entsprechend zärtlich will das Ganze behandelt werden!

Neue Birne prüfen 

Vor dem Einbau der neuen Birne empfehle ich, diese ebenfalls mit dem Multimeter, Durchgangsprüfer oder an einem Netzteil (max. 12 Volt) durchzumessen bzw. zu testen. Diesen Halogenlämpchen sieht man oft nicht an, ob sie eine Unterbrechung irgendwo haben. Ihr wollt ja nicht erst nach der ganzen Arbeit des Zusammenbaus feststellen, dass alles umsonst war, richtig? Zumal wir gleich noch Sekundenkleber o.ä. einsetzen, was die nächste Demontage etwas schwieriger machen wird.

Neue Birne einsetzen

Zum Einsetzen führt Ihr die Birne in die Fassung ein. Dabei müssen die Bajonett-Noppen bereits richtig ausgerichtet sein, die Führung ist klar zu erkennen als Unterbrechung in dem Metallkragen der Fassung. Wenn nur noch ungefähr der gläserne Teil der Birne herausguckt, ist die Feder im hinteren Teil der Fassung zu spüren. Gegen diese Feder leicht drücken und dabei die Birne im Uhrzeigersinn drehen. Sie muss sich drehen lassen, sonst ist sie evtl. noch nicht tief genug in der Fassung. Nach ca. 1/6 Drehung geht es nicht mehr weiter und sie sitzt nun sicher in der Fassung. Zur Sicherheit noch mal leicht ziehen, es sollte sich nun nichts mehr bewegen und die Birne sollte sich auch nicht in irgendeine Richtung drehen lassen.

Reflektor und Fassung wieder verbinden

Wir schieben nun die beiden Einzelteile des Moduls wieder zusammen. Hierbei gibt es einen bösen Fallstrick, denn es ist nicht egal, welche der zwei möglichen Varianten man wählt.
Der Reflektor hat vorne drei Rastnasen, die im Dreieck angeordnet sind. Damit ist das gesamte Modul im Scheinwerfer befestigt. Über die Position kann man ermitteln, was "Oben" und was "Unten" ist. Eine der Nasen ist kleiner und fast rechteckig, und diese markiert die Oberseite des Moduls, die anderen zwei sind angeschrägt und größer:

Hier noch mal ein geklautes Bild zum Thema. Auf die obere Rastnase zeigt der orangene Pfeil, auf die unteren beiden und auf den nach unten zeigenden Sockel für den Kabelanschluss zeigen die gelben:

Bitte beachtet also vor dem Zusammenstecken schon unbedingt darauf, dass die zwei großen Rastnasen und die Öffnung des Anschlusses auf derselben Seite liegen, dann kann nichts schiefgehen. Es muss einfach so aussehen wie im Bild.
Für die Verbindung beider Teile hat man nun mehrere Optionen, z.B. Heißkleber, oder man lötet beide Gehäuseteile mit dem verbleibenden Kunststoff wieder zusammen. Beides wird aber nicht unbedingt halten. Auch das leidige Temperatur-Thema sollte berücksichtigt werden. Für das Zusammenschweißen beider Teile fehlt nun eigentlich die Substanz, und Heißkleber verflüssigt sich vielleicht, nachdem die Lampe einige Stunden im Betrieb ist und ihre Hitze an das Gehäuse weitergegeben hat.
Sekundenkleber oder Zweikomponentenkleber verbindet beides bombenfest, macht allerdings die nächste Reparatur praktisch unmöglich. Wieder muss man sich die Frage stellen, wie wahrscheinlich ein erneuter Ausfall der Glühbirne vor dem endgültigen Ableben des Autos ist. Durch die gemachte Operation haben wir jetzt einmal gut 20 bis 25 Euro gespart. Wenn die Sache hält, ist alles gut, andernfalls gibt es notfalls immer noch die vom Hersteller vorgesehene Lösung.
Ich habe mich für die Variante Sekundenkleber entschieden, aber das muss jeder selbst wissen. Letztendlich heißt es beim nächsten Ausfall eh "ab zum Freundlichen" und es so machen, wie BMW das schon immer wollte.
Bei mir ist nun auch wegen des Risses folgende Konstruktion herausgekommen:

Die Kabelbinder sind bis zum bitteren Ende festgezogen und Sekundenkleber macht den Rest. Wenn das nicht hält, weiß ich auch nicht...
Den Sekundenkleber lass ich trotz seines Namens lieber eine halbe oder volle Stunde trocknen. Jeder, der schon mal Sekundenkleber an den Fingern oder anderswo hatte, weiß, das ist es wert.

Wiedereinbau ins Auto

Kaum der Rede wert, aber trotzdem: eingebaut wird das Ganze so:

Reflektor bis zum Anschlag (nicht weit) in das Loch, am Ende gibt es wegen des Dichtungsrings möglicherweise etwas mehr Widerstand:

Dann mithilfe der Laschen nach rechts drehen, bis das Ganze einrastet, fertig:

Bissl unscharf, sorry...
Der Anschluss + Stecker sollten jetzt wieder genau nach unten zeigen.
Noch mal als Übersicht:

Und zum Vergleich hier noch ein Bild vom linken Scheinwerfer:

Wie schon erwähnt sitzt hier das Leuchtmodul mit dem Anschluss nach rechts in der Fassung. Ansonsten dürfte der Reparaturvorgang auf dieser Seite sehr ähnlich sein.

Wer bis hier gekommen ist: danke für's Interesse und viel Erfolg bei der eigenen Reparatur! Sollte die auch schon beendet sein: herzlichen Glückwunsch!

P.S.: und wie Murphy so will, passen die Farben jetzt nicht zusammen. Sprich: die neue Lampe leuchtet deutlich "kaltweißer" als die alte (wobei es immer noch ein Warmweiß ist, aber eben heller).
Also Freunde perfekter Optik müssen sich drauf einstellen, dass sie beide Seiten zugleich reparieren müssen ;o)

Logitech Squeezebox Boom VFD Display Repair Guide Part 2: Filament Power Supply

Please refer to Part 1 for instructions on VFD common information, Boom disassembly procedures etc.!

Fixing the "Filament Starvation" Phenomenon on the Logitech Squeezebox Boom

This entry is about a problem that apparently exists mostly in Boom units. I never found it in Classics or Transporters.
So what is filament starvation anyway? I got this term from the Noritake technicians - Noritake Itron is the manufacturer of the beloved VFD displays in the older Squeezebox devices such as SLIMP, Classic, Boom, and Transporter. It means that the heater wires which you can see horizontally across the display in the frontmost position are supplied with insufficient power so the display cannot show its full brightness. Even worse, the display may show shadowy sections especially at the left and right side. No matter if you just replaced the old VFD by a brand new one, you may be greeted with a sight that looks pretty rotten.
Here is an example I took of a unit in factory button test mode. Observe the inconsistent brightness of the blocks across the display:

Or even worse: this is a brand-new display on brightness level 2 / 5 (lower brightness makes the problem much more apparent):

The same display can also look like this (same brightness level):

So how is this issue identified vs. a generally-aged display?

Idenfying the Actual Boom Display Issue

When a display begins to look shoddy, there are multiple (mostly concurrent!) indications for the respective problem behind the symptoms:

• display shows 'shadowy' sections rather in its center --> probably burnt-in pixels --> display replacement advised. This can go as far as recognizable digits from the clock screensaver which appear as a permanent dark cast across the actual display content, of course mostly in the places where the clock would have shown its digits
• display gets darker beginning at the left or right side. The center is the brightest part until it fades away completely --> power supply failure
• display is completely dark, or quickly fades from barely readable to completely dark shortly after powerup (after being separated from the power supply) --> power supply failure. This recovers when the Boom has been sitting around without power applied for some hours, but quickly comes back after powering up again

Most Booms have both simultaneously, i.e. burnt-in pixels as well as a failing power supply. When you replace the display anyway, it's worth while applying the power supply fix described here. That is, if you find that the display replacement alone did not end in the expected bright and shiny new look.

Edit 2020-06-08: there is a new blog post about this matter specifically, to be found here: https://joes-tech-blog.blogspot.com/2020/06/vacuum-fluorescent-displays-how-they.html

About VFDs

Wikipedia.com gives you extensive information about how a VFD works. Please take a look to understand the basic principles of operation.
The Noritake displays employed in Squeezebox devices need mainly four supply voltages:

a) +5V operating voltage at low current for the embedded controller chip
b) +55V grid voltage
c) +5V filament voltage #1 (left side)
d) variable voltage between +1.5 and +3.0V for filament voltage #2 (right side)

A high current flows between c) and d), I estimate it about 800mA.

EDIT 2023-01-19: well, after all these years, I have finally come to measure it and actually it is far less. It's a unit where the the diode fix is already in place. With that in the loop, the amperage is around 105mA constantly. It's a little bit more when the display brightness is higher, and is zero when the display is off.

What we are going to fix here is d). A little theory for those who did not visit the Wiki article above. A VFD is very similar to a classic vacuum tube in that it has a heated cathode that emits electrons, a grid that controls electron flow towards the anodes, and eventually anodes to "pick up" the electrons which in a VFD are the individual pixels. If a pixel is positively charged, it attracts the electrons emitted and the phosphor coating causes the pixel to glow.
While the heater wires are supposed to permanently emit electrons, the grid sections between the heater wires and the pixels control which group of pixels receives electrons at all by setting all grids that should be blocked to the a positive potential so they basically catch all free electrons. Only the grid section where electrons should pass through is switched to a neutral potential so the electrons can get past it. The neutral part in the grid sections is scanning to enable all groups of pixels in a cycle. This happens hundreds of times per second so the human eye will not notice it. A slight flicker can be observed when the eye moves quickly across a VFD though.
Filament starvation causes the heater wires to reduce or even stop electron emission. There can be any degree between hardly noticeable to completely dead. In some cases, both heater wire connections are fed with +5V which means there is no voltage drop at all. While the display may be fully operational, it will act like it's dead.
So the thermic electron emission in a directly-heated cathode (such as the heater wires in the VFD) is caused by a voltage drop across the heater wires. The higher the voltage drop, the more the heater wires will glow and thereby emit electrons. In reverse, if the voltage drop gets too low, the electron emission will slow down or stop. A considerable current is needed to heat the wires up. In dark environments, you will even see the six horizontal wires glow. This is also a reasonable limit for the driving circuit. A balance should be found between sufficient electron emission that is just enough to have a good visual impression that is not disturbed by the heater wires glowing. The corridor between both is rather narrow.

Boom Failure Mode

While I never had any Boom with failures regarding the filament voltage #1 which is a stable +5 Volts whenever the Boom is connected to the external power supply (yes, even in the deepest standby mode), the other side of the filament is apparently the output of a power supply circuitry that has some still-unknown component that fails over time. It is meant to supply variable voltages depending on the selected brightness level, so there is a more complex circuitry behind that that is designed to handle the high current... or rather not apparently.
If you have a multimeter at hand, you will be able to measure +5V at any of the three leftmost pins of the display - positive test lead going to the display, negative test lead put to GND which can be found at any of the screws that hold the board in place while mounted. If not mounted, use the gold-plated screwholes instead. You should also measure approximately this between GND and one of the three pins on the right side:

Level 5: 1.418 Volts
Level 4: 1.414 Volts
Level 3: 1.413 Volts
Level 2: 2.513 Volts
Level 1: 2.511 Volts
Level 0 (off): circuit open

By the way, if you switch the display 'off', both filament voltages might be GND or dropping towards GND. There seem to be releases of the Boom where the display is actually turned off, in contrast to what I assumed. Just found this out. Interesting. I will probably investigate deeper here because that is what I would like to see in all Squeezebox devices when their displays are not showing anything. Just imagine how much power might be saved, and most Booms are pretty wasteful in this respect by keeping the heater wires hot all the time, no matter the operation mode.

So levels 5 and 4 mean a voltage drop of about 3.6 Volts which I think is pretty extreme. The voltage drop in levels 3 thru 1 is about 2.5 Volts.
When a Boom begins to show filament starvation, what happens is that the variable filament voltage rises too high. I measured up to 5.5 Volts in defective units which means the right side is even supplied with more volts than the left side, reversing the electron flow, but the resulting 0.5V voltage drop is not getting you anywhere.
So the failure mode regarding the right-side power supply is not that it fails and is eventually 'open' or falling to the potential of GND, but is reaching or even exceeding +5 Volts instead. So what fails is apparently some kind of pull-down circuit that is designed to provide stable voltages below 5V at a higher current.
We have +5V on the display's left side so the right side needs at least 1V more or less for a voltage drop big enough to start the magic, or better 2 Volts. The higher the voltage drop, the more the heaters will glow, so there is a voltage drop where undesired effects begin to show. Heater wires glowing red is probably not what you want. They can withstand a *lot* of power, so they will probably not take damage, but will emit a ton more electrons than actually needed. This will make the active pixels shine brighter which will more quickly consume them. Consequentially this will cause shadows in the display caused by pixels which burnt down quicker than others. Which puts you back to square one, having to replace the display again.
So let's assume that we want to define and limit the voltage drop. Otherwise, you could set the right side of the filament to GND, creating an effective voltage drop of 5V, and you'd be done. But that would be too easy, wouldn't it? A display might last some weeks or even months under this condition but it would cook itself to death.
Unfortunately, to this day, there is no technical documentation available from Logitech, and it is uncertain if it will ever surface. The majority of the Boom consists of tiny SMD parts which are hard to figure out, mounted to a multilayer board (at least 4-6 layers, I think). It's practically impossible to know what part of the circuitry is failing, and what could be replaced to fix it.
Basically, even if we knew, the design has an apparent flaw. A brand-new component will just solve the issue for a time before it starts failing all over again.

The (Pseudo-)Solution

IMPORTANT: You should not apply this fix unless you are more or less convinced that your Boom is suffering from the filament starvation phenomenon! Because there is no way of knowing if an intact power supply circuit could be damaged by the fix so things get even worse.

I have a more 'brutal' approach to this. Assuming that the right-side power supply has failed and generates +5 Volts or more continuously, why not pull it down to a more reasonable level with the help of just a few additional parts? While this will eliminate the ability to create arbitrary voltages, I found that a constant voltage drop will still allow you to fully control brightness levels. And it's really a very simple addition:

What you see here is the right side of the display. The three pins at the top are linked together (a tribute to the higher current that passes them). This is by design. Even if the three pins are not connected to anything, they share the same potential. My idea is to use three simple diodes in series from these pins towards GND, shown in yellow.
The diodes used can be run-of-the-mill 1N400x-type diodes which are available for just a few cents each. Just be careful to order ones which are capable of handling up to 1A of current. Typical diodes have a voltage drop of around 0.7 Volts each, so a chain of three creates a voltage drop of ~2.1 Volts. Assuming that the original voltage is around 5 Volts, the diodes would pull it down to about 2.9 Volts.
That is in the range of the voltage that an intact circuitry would generate; a voltage drop of 2.1 Volts is enough to give you a nice clear display in all situations, and even though this is less than the up to 3.6V voltage drop in the original circuit, giving the display a lower voltage drop is likely contributing to a longer display life. Visually it's negligible.

Current flows in the direction of the arrow towards the 'bar' in the schematic, and the bar is what you can also find on one end of the diode. That is the cathode (or minus) end, whereas the other end of it is the anode (or plus).
The nice thing about the diodes is that they cause a voltage drop but do not convert this drop into a lot of heat like a power resistor would. Furthermore, the current direction is still forced to be in sync with the original design.
This has proven to be a cheap and reliable solution in many cases (up to 60 at this point). Whenever I do a display replacement, many times I'll include this fix because the power supply decay becomes visible. Newer displays at low brightness are particularly good at helping to discover this.

Tools Needed

What you need for this repair is:

• all the tools for disassembly / reassembly (see Part 1)
  
• soldering iron with fine tip (~ 285°C, no more than 40W)
• 3 1N4001 (or 1N4002, 1N4003, whatever) silicon diodes with 1A rating
• 1 pair of pliers
• 1 small piece of heat shrink tube ~6mm diameter
• 1 small piece of heat shrink tube ~2mm diameter
• highly recommended: a "3rd / 4th" hand tool to hold the diodes in place for soldering

Creating Your Own Fix

So here is a guide on how to integrate these diodes. Please consider reading it through the end first before you start your own repair. There are some tips hidden here that could appear out of sequence.
From your collection of diodes, select three:

Keep in mind that we want a chain where one end of the overall construct is the anode and the other is the cathode. All diodes between need to be in line, the anode of one connecting to the cathode of the next. Reversing any diode in this chain will probably end in something nonfunctional that acts like an open link.

Pick two, bend the anode (unmarked) wire of one 90° to the side. Do the same with the cathode (marked) wire of the other.

Now let's join these two with a little drop of solder. First cross the bent pins, put the diodes as close together as possible, and solder:

The result is a 'Pi' pair of diodes:

Now bend one of the pins away 90° again. The third diode will be soldered to this wire. In this case, we bend the anode wire of one diode:

Also bend the cathode side of the third diode that comes in now:

Life gets easier if you clip the wires of the diode contacts that we already soldered together:

Now cross the two bent leads again and solder them together. Ensure that the anode of one diode is connected to the cathode of the next diode, or vice cersa. This needs to be consistent, otherwise the fix will not work.

Finished:

The end result is a series of three diodes in the smallest possible form factor:

The brave of heart could try a little dry test now. If you power up the Boom board, holding the diode cascade's anode to one of the three rightmost display pins and the other lead to the gold plated screw hole next to them (see schematic in "The Solution" section above), this should immediately light up the display to a much brighter level if it works. But make sure you do not touch anything else on the board with any side of the diode cascade! If nothing happens, or it gets blindingly bright and you see the heater wires getting red-hot, there is something wrong. Please stop immediately, recheck, and do not continue because this is not recovering by itself. In doubt, better send me a message and I will try to help you.

We need to isolate the diodes a little to ensure that we won't create any short circuit in the precious Boom board. I recommend heat shrink tube, one piece of ~6mm diameter (yellow in the following images) to cover the barrel of diodes, and another of ~2mm diameter (blue in the photos) which we will see shortly.

Prepare two pieces like so:

Mark one piece of the 6mm heat shrink tube so we know where the cathode of the chain is. It should correspond with a cathode marking on the last diode of the chain (it's the one closest to the camera in the following picture):

Push the 6mm heat shrink tube over the diodes, and the 2mm one over the cathode lead:

Then apply heat (150-200°C):

The anode wire (the unmarked side) will go across the three pins to the right of the display. As there is not enough space on the main board's front side, we will place this piece in the back.
First, bend the anode wire 90 degrees off:

 
Place it across the three pins as shown here and solder:

Please make sure the lead you attached to the display's pins does not touch the Wi-Fi antenna metal pad! Missing this point may damage your Wi-Fi board, or worse. The antenna pad has some degree of GND level. If both pieces make contact, you have around 5V voltage drop, so its way too high, and goes through the Wi-Fi card, too, which can't be good. Please avoid from the start. Place the lead as far right as possible. In doubt, put some isolation tape in between, like Logitech did in the original design (this strip of black plastic adhesive tape is missing in the photos). The diode contact should still touch all three solder pads of the display but this is not vital. It also works if you solder the diodes to just one of these pins as they are shorted together in multiple places on the board as well as in the display itself.

Clip the excess wire and bend the diodes so the cathode wire points to the right:

You can see in the previous picture that there is not much clearance between the diodes and the antenna. The gap should be as big as possible. Or, if you are even smarter, you first read up to here and remember to put another small piece of 2mm shrink wrap to this end of the diode cascade to isolate this properly :o)
I helped myself by bending the entire diode setup after soldering which becomes apparent in the next pictures but it's certainly not the nicest solution.

You may have to adjust the length of the 2mm shrink wrap tube. The wire needs to be soldered to the screw hole. Bend the lead to go there the shortest way. Prepare the diode's lead as well as the outmost section of the screw hole gold plating with a bit of solder:

Now join both:

Make sure the contact is stable because there will be some (mechanical) load on it once you reassemble the Boom.
You should not see any indication of the fix on the front side:

But on the back - see top left corner!

That's it folks! You're done!

I'd be overjoyed if you share your results and thoughts in the comments. Thanks for reading and for your feedback!

Final Words

Some legal stuff because you never know: please bear in mind that I am writing this as a hobbyist, not a professional. I describe personal ideas here which is only one of many ways such a repair can be achieved. I cannot guarantee that following this guide will lead to a good result, and cannot be held liable for any personal, physical, or monetary damage anybody suffers by following this guide.
I am open to advice if anything described here is wrong or can be done better. Please let me know in the comments if you find there is anything left to be desired.
Thank you!