Schutzbauelemente Wie Sie LED-Beleuchtungen vor Entladungen und Übertemperaturen schützen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

LED-Beleuchtungen benötigen einen wirksamen ESD- und Übertemperaturschutz. Dieser Beitrag zeigt, wie sich Stromversorgungen und Steuerschaltungen für LED-Arrays zuverlässig schützen lassen.

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Ein Blitzeinschlag: Die dabei freiwerdende Energie bedroht auch LED-Beleuchtungen.
Ein Blitzeinschlag: Die dabei freiwerdende Energie bedroht auch LED-Beleuchtungen.
(Bild: EPCOS)

LEDs leisten einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Energieaufnahme von Lampen im Innen- und Außenbereich. Sie verbrauchen nicht nur viel weniger Strom als konventionelle Lichtquellen wie Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen (HID), sondern bieten auch eine weitaus längere Lebensdauer, die bis zu 80.000 Stunden und unter idealen Betriebsbedingungen noch mehr betragen kann. Im gleichen Zeitraum müssten die Leuchtmittel konventioneller Beleuchtungssysteme bereits mehrere Male ausgetauscht werden. LEDs führen so zu niedrigeren Wartungskosten und infolgedessen zu geringeren Gesamtbetriebskosten. Die größten Gefahren für LED-Leuchten sind jedoch:

  • Elektrostatische Entladungen (ESD) – einschließlich Blitzeinschlag,
  • Überströme und Stoßstrombelastungen,
  • Strom- und Spannungsspitzen beim Austausch während des Betriebs,
  • Verpolungen,
  • Übertemperatur.
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Wenn LED-Beleuchtungssysteme so zuverlässig und langlebig wie die LEDs selbst sein sollen, dann sind alle Bauelemente und Teilsysteme vor Gefahren, die bei Montage, Wartung und während des Betriebs auftreten können, wirkungsvoll zu schützen.

Alle Teilsysteme einer LED-Beleuchtung schützen

Unternehmen und Gebäudeverwaltungen setzen zunehmend auf intelligent vernetzte Beleuchtungssysteme, die Wirkungsgrad und Qualität der Beleuchtung optimieren, den Status der einzelnen Leuchten anzeigen sowie die Fernsteuerung und Fernwartung ermöglichen. Das bedeutet, dass Stromversorgung und Schnittstellen für die Kommunikation ebenfalls in den Leuchten integrierbar sein müssen.

Das Energieniveau der ESD-Störungen und Stoßstrombelastungen, dem ­diese Teilsysteme ausgesetzt sind, definiert, welche Schutzvorrichtungen erforderlich sind, um die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aufrechtzuerhalten – das heißt, alle Elemente, aus denen eine LED-Leuchte besteht. Das sind unter anderem das LED-Modul (LED-Array, LED-Treiber und Steuerung), die LED-Stromversorgung und der Netzanschluss. Bild 1 zeigt die Teilsysteme mit den geeigneten Schutzkomponenten.

Schutz vor energiereichen Stoßstrombelastungen

Varistoren der EPCOS-Baureihe SIOV eignen sich bestens als Lösung für den Überspannungsschutz. Gerade für den Schutz der Stromversorgungen in LED-Systemen vor größeren Energiestößen von bis zu 750 J eignen sich diese Metalloxid-Varistoren besonders gut. Die SIOV-Varistoren der neuen Baureihen B20* und B25* wurden mit dem Ziel entwickelt, einen Schutz vor Stoßspannungs-/Stoßstrombelastungen bis 10 kV/ 10 kA gemäß ANSI/IEEE C62.41.2 und gemäß der Modellspezifikation für LED-Straßenbeleuchtungen zu gewährleisten. Die genannte Norm wurde vom MSSLC-Konsortium des US-amerikanischen Energieministeriums spezifiziert. Diese Baureihen umfassen drei bzw. vier SIOV-Varistoren, die im gleichen Gehäuse kombiniert sind (Bild 2). Aktuell werden die Baureihen B20* und B25* für eine maximale Betriebsspannung von 320 V, 420 V und 510 V angeboten.

EPCOS-Überspannungsableiter und Varistoren bieten mit ihrer hohen Stoßstrom-Belastbarkeit den zuverlässigsten Schutz vor sehr großen elektrostatischen Entladungen wie Blitzeinschlägen und anderen Transienten. Überspannungsableiter in Kombination mit Varistoren stellen eine platzsparende integrierte Lösung mit optimalen Leistungseigenschaften dar.

Scheibenvaristor mit Thermosicherung

Die EPCOS-ThermoFuse-Varistoren der T-Serie bestehen aus einem Scheibenvaristor, der mit einer Thermosicherung im gleichen Gehäuse in Reihe geschaltet ist. Sie empfehlen sich für den Schutz am Netzeingang. Bei einer Überhitzung des Varistors trennt die in einem Spezialkunststoff gekapselte Thermosicherung den Varistor vom Netz. So wird eine Rauchentwicklung oder sogar ein Brand verhindert. Die Varistoren der T-Serie besitzen eine Stoßstrom-Belastbarkeit von bis zu 10.000 A und eine maximale Energieabsorptionsfähigkeit von 440 J für 2 ms.

Schutz vor energiearmen elektrostatischen Entladungen

Traditionell wurden TVS-Dioden eingesetzt, um Stromkreise vor elektrostatischen Entladungen unter 25 J zu schützen. Allerdings werden aufgrund der geforderten kompakten Abmessungen, der geringen Bauhöhe, der zuverlässigen Leistung über einen breiten Temperaturbereich und der kurzen Ansprechzeiten immer höhere Anforderungen an den ESD-Schutz gestellt. Vielschichtvaristoren wie die EPCOS-CeraDioden bieten im Vergleich zu konventionellen TVS-Dioden entscheidende Vorteile und werden in diesem Energiebereich zunehmend als Lösung für den ESD- und Stoßspannungsschutz bevorzugt. CeraDioden können sehr effektiv eingesetzt werden, um die Absorptionsanforderungen in Bezug zur Größe des Bauelements zu erfüllen.

Verschiedene Konfigurationen des LED-Moduls

Für das LED-Modul sind viele verschiedene Konfigurationen denkbar. Es kann aus mehreren Hunderten LEDs bestehen, die in Form von in Serie oder parallel geschalteten Reihen oder als Kombination von beiden angeschlossen sind (Bild 3). Bei den in Serie geschalteten Reihen besteht allerdings die Gefahr, dass bei einem Ausfall einer einzelnen LED die ganze Reihe ausfällt, sodass die Beleuchtungsstärke erheblich sinkt.

ESD-Schutz der LED-Steuerleitungen

Dank ihrer äußerst geringen parasitären Kapazität ist die CeraDiode auch die beste Wahl für den ESD-Schutz der Datenleitungen, die der Steuerung der Leuchten dienen. Es ist aber nicht ungewöhnlich, dass in Netzwerken einzelne Elemente umgesetzt, außer Betrieb genommen oder ausgetauscht werden. Häufig werden diese Konfigurationsänderungen während des Betriebs durchgeführt und können so zu elektrostatischen Entladungen und Spannungsspitzen führen. Um sicherzustellen, dass die Leuchten über die spezifizierte Lebensdauer funktionsfähig bleiben, ist ein ausreichender ESD-Schutz mit CeraDiode unverzichtbar.

CeraDiode als Alternative zu TVS-Dioden

Eine CeraDiode zeichnet sich durch eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit pro Volumen/Fläche aus. Ihr aktives Volumen ist fast drei Mal größer als das einer TVS-Diode, das nur ca. 30% beträgt (Bild 4). Daher können Designer von LED-Beleuchtungen mit einem viel kleineren Bauelement den gleichen ESD-Schutz gemäß IEC 61000-4-2 sowie die gleiche Unempfindlichkeit gegenüber Stoßstrombelastungen erreichen.

Die EPCOS-CeraDioden in den EIA-Baugrößen 01005, 0201 und 0402 eignen sich gut für den Schutz des LED-Moduls und der LED-Beleuchtungsinstallationen. Sie bieten den gleichen Schutz wie TVS-Dioden, die jedoch eine viel größere Grundfläche belegen. Die neuesten CeraDioden in Baugröße EIA 01005 sind so klein, dass sie sich für Anwendungen wie LED-Blitz in Smartphones eignen. Somit unterstützen CeraDioden die Miniaturisierungsanforderungen der Leuchtenhersteller.

CeraDioden bieten einen bidirektionalen Schutz

Angesichts der vielen unterschiedlichen Arten von ESD-Ereignissen und Transienten ist es erforderlich, in beiden Richtungen einen entsprechenden Schutz vorzusehen. Als Varistor leistet eine CeraDiode einen bidirektionalen Schutz, während eine TVS-Diode konstruktionsbedingt nur in einer Richtung (unidirektional) wirkt. Somit kann es in Abhängigkeit von den Design­anforderungen erforderlich sein, für die gleiche Schutzwirkung zwei Dioden einzuplanen. Eine CeraDiode bietet also auch Vorteile in Bezug auf Abmessungen, Kosten und Platzierungslogistik.

Zuverlässiger Schutz über einen weiten Temperaturbereich

Auch beim Temperatur-Derating weist eine CeraDiode deutliche Vorteile auf. Ihre Derating-Temperatur liegt bei bis zu 85 °C. Bei TVS-Dioden beginnt das Derating dagegen bereits bei Raumtemperatur. Spezielle CeraDioden-Baureihen erzielen sogar Derating-Temperaturen von 125 °C und mehr. Damit sorgen CeraDioden für eine zuverlässige Funktion der LED-Elektronik über einen sehr großen Temperaturbereich. Zudem bietet eine CeraDiode über einen langen Zeitraum kurze Ansprechzeiten von <0,5 ns und eine hohe Impulsabsorptionsfähigkeit. Die Vorteile von CeraDioden ermöglichen es Leuchten-Designern, den Platzbedarf zu verringern und gleichzeitig Kosten zu sparen.

Übertemperaturschutz für höhere Lichtausbeute

Da die LEDs für eine gleichbleibende Leuchtkraft auf einen konstanten Strom angewiesen sind, muss ihre Temperatur in engen Grenzen gehalten werden. Die EPCOS-SMD-NTC- und SMD-PTC-Thermistoren wurden entwickelt, um die LED-Arrays vor Überhitzung zu schützen und deren Temperaturprofil für eine bestmögliche Lumen-Ausbeute zu kontrollieren. Hierfür wird der Stromfluss zur LED automatisch angepasst.

Dafür benötigte hochpräzise Messungen lassen sich mit den neuen miniaturisierten SMD-NTC-Thermistoren zuverlässig ausführen. Basis dafür sind ihre durchgehend engen Toleranzen von ±1% und ihre kurzen Ansprechzeiten. Die SMD-NTC-Thermistoren sind in den EIA-Baugrößen 0402 und 0603 verfügbar. In Verbindung mit intelligenten Schaltungen ermöglichen sie es, effektive Kontrollsysteme zu entwerfen. Ein Musterkit mit Bauelementen speziell für LED-Anwendungen steht unter der Bestellnummer B57999V3999J099 zur Verfügung.

Übertemperaturschutz mit SMD-PTC-Thermistoren

Die SMD-PTC-Thermistoren in den EIA-Baugrößen 0402, 0603 und 0805 stellen als Grenztemperatur-Sensoren eine weitere einfache, zuverlässige und kostengünstige Lösung zum Übertemperaturschutz dar. Das breite Spektrum von R/T-Kurven mit Ansprechtemperaturen von 70 bis 145 °C erleichtert die Auswahl des am besten geeigneten Bauelements. Muster der gesamten Produktreihe können in einem Musterkit mit der Bestellnummer B59001Z999A99 bezogen werden. Sind die SMD-PTC-Thermistoren in Serie zur LED geschaltet, können sie dahingehend genutzt werden, den Vorwärtsstrom der LED bei hohen Temperaturen zu verringern. Dies gilt insbesondere bei einfacheren LED-Treiberkonzepten ohne ICs (Bild 5). Für diese Anwendungen empfehlen sich bedrahtete oder große SMD-PTC-Thermistoren (EIA-Baugröße 3225 oder 4032).

Breites Portfolio von Schutzbauelementen

Das angebotene Portfolio an Schutzbauelementen wird durch ein breites Spektrum an leistungsstarken TDK- und EPCOS-Folien-Kondensatoren, Keramik-Vielschichtkondensatoren, Induktivitäten und Übertragern ergänzt. Somit ist ein modernes Design von kompakten, zuverlässigen und langlebigen Leuchten für LED-Beleuchtungssysteme für den Innen- und Außenbereich möglich.

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