Wie sich LEDs gegen Überspannung schützen lassen

| Autor / Redakteur: Andreas Schamber * / Hendrik Härter

LED-Beleuchtung: 
Damit die elektronischen 
Bauteile zuverlässig 
funktionieren, sind 
hochwertige Kompo-
nenten erforderlich.
LED-Beleuchtung: 
Damit die elektronischen 
Bauteile zuverlässig 
funktionieren, sind 
hochwertige Kompo-
nenten erforderlich. (Bild: Phoenix Contact)

Schutzbausteine erhöhen die Lebenserwartung von LED-Technik. Mit entsprechenden Bausteinen werden unvorhergesehene Überspannungen abgewehrt. Die Anschlusstechnik spielt eine zentrale Rolle.

Der Markt für LED-Beleuchtung ist in den letzten Jahren extrem gewachsen – entsprechend groß ist das Angebot an Komponenten mit unterschiedlichen Designs, Formen und Funktionen. Hauptvorteile der LED-Technik sind Energieeffizienz und Langlebigkeit. Als Nachteil schlägt zu Buche, dass die verbauten Elektronik-Komponenten sensibler auf Überspannungen reagieren als herkömmliche Technik. Ein wirksames Schutzkonzept hilft, die Verfügbarkeit der Beleuchtung zu erhöhen und einen frühzeitigen Ausfall zu vermeiden. Eine kompakte und zeitsparende Anschlusstechnik sorgt zudem für eine kostengünstigere Installation (Aufmacherbild).

LED-Beleuchtung ist immer auf Energieeffizienz ausgelegt. Daher werden elektronische Komponenten verwendet, die mit möglichst geringen Verlusten elektrische Energie in Licht umwandeln. Aufgrund niedrigerer Störfestigkeit reagieren diese Komponenten besonders sensibel auf Störimpulse. Da die unerwarteten Störimpulse häufig weit über die Störfestigkeit der Bauteile hinaus auftreten, werden diese bei Belastung vorgeschädigt oder sogar zerstört.

Überspannungsschutz für die LED-Beleuchtung

Grund für die Störimpulse sind die im Netz auftretenden Stoßströme und Überspannungen, die als Folge von direkten und indirekten Blitzeinschlägen entstehen. Transiente Überspannungen aufgrund von Schalthandlungen im Versorgungsnetz sind eine weitere Ursache. Blitzeinwirkungen sind in manchen Regionen zwar selten, können aber aufgrund eines hohen Energiegehalts die LED-Beleuchtung zerstören. Überspannungen entstehen dabei zum einen durch direkte Blitzeinschläge in die Leuchte oder in die Überlandleitung, und zum anderen als Folge von indirekten Blitzeinwirkungen durch Erdrückkopplung oder durch induktive Einkopplung in der Applikation.

Beim direkten Blitzeinschlag – beispielsweise in die LED-Straßenleuchte oder in ein Gebäude – kann im schlimmsten Falle die gesamte LED-Beleuchtung ausfallen, da die Leuchten über das Versorgungsnetz miteinander verbunden sind. Ohne passende Schutzeinrichtungen kann sich der Blitzstrom schnell in der gesamten Installation verteilen und hohe Schäden anrichten. Zudem erzeugen die Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren tausend Volt. Schlägt ein Blitz etwa in ein Gebäude mit einem äußeren Blitzschutz ein, oder auch in einen Baum in der Umgebung, wird das Erdpotenzial angehoben. Dadurch entsteht eine hohe Potentialdifferenz zu den geerdeten Teilen, die einige tausend Volt betragen kann. Dies übersteigt die Spannungsfestigkeit von LED-Komponenten und führt zu Isolationsüberschlägen in der Installation oder in den eingebauten elektronischen Komponenten.

Wenn eine Überspannung eingekoppelt wird

Ein anderes physikalisches Phänomen ist die Einkopplung von Überspannungen durch den Blitzstromfluss im Erdreich oder über ein äußeres Blitzschutzsystem. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss in den Ableitungen vom äußeren Blitzschutzsystem ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert. Eine andere Ursache für die häufigen Überspannungen sind Schalthandlungen im Verteilnetz. Diese können bis zu mehreren Kilovolt betragen und beispielsweise durch Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Ausrüstungen, durch Erd- und Kurzschlüsse sowie durch Auslösen einer Sicherung entstehen. Dabei können die Überspannungen die funktionsfähige LED-Beleuchtung vorschädigen und dadurch die Lebensdauer der Leuchte deutlich reduzieren.

Wer derartige Ausfälle durch Störimpulse vermeiden und seine Investitionen in der LED-Technik schützen möchte, kommt auch bei der LED-Beleuchtung an einem umfassenden Schutzkonzept bei Überspannungen nicht vorbei. Denn die Folgen von Ausfällen der LED-Beleuchtung können je nach Standort mitunter dramatisch sein. LED-Beleuchtung ist grundsätzlich für eine lange Nutzungsdauer ausgelegt – auch zum Schutz der hohen Investition. Ein mehrstufiges Blitzstrom- und Überspannungsschutz-Konzept, etwa für ein Straßenbeleuchtungs- oder Hallenbeleuchtungssystem auf LED-Basis, konzentriert sich auf drei Installationsorte: direkt oder in der Nähe der LED-Beleuchtung sowie in den Kabelverteilern der Einspeisung (Bild 1).

Mithilfe eines Überspannungsschutzgerätes des Typs 2 werden die elektronischen Komponenten direkt in der Leuchte oder in der Nähe der LED-Beleuchtung vor Überspannungen geschützt. Für die LED-Beleuchtung sind Schutzklassen I und II vorgesehen. Der Unterschied liegt darin, dass die Leuchte der Schutzklasse I mit dem Schutzleiter ausgeführt und angeschlossen ist. Die Leuchte der Schutzklasse II hat zwar keinen Schutzleiter, beinhaltet aber Komponenten mit doppelter oder verstärkter Isolation.

Für beide Schutzklassen und Installationsorte bietet Phoenix Contact verschiedene Überspannungsschutzgeräte aus der Produktfamilie Blocktrab. Sie bieten eine kompakte Bauform und lassen sich in die bestehende Installation integrieren. Zusätzlich bieten sie dem Anwender eine hohe Flexibilität bei der Verdrahtung. Das gilt nicht nur für die Schraubklemme mit ihrem breiten Anschlussbereich von 0,2 bis 4 mm², sondern auch in Bezug auf unterschiedliche Verdrahtungsarten – für die serielle V-Verdrahtung genauso wie für die parallele Stich-Verdrahtung. Damit können Leuchten-Hersteller und Installateure bei Neuinstallation und Nachrüstung von Leuchten bequem Kabellängen, -querschnitte und -farben bestimmen.

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Die Leuchte wird bei einer Überlast ausgeschaltet

Durch die verstärkte Isolierung ist der Einsatz der Schutzgeräte in LED-Anwendungen der Schutzklasse II ohne weiteres möglich. Für geerdete Systeme steht ein Schutzgerät mit Schutzleiter-Anschluss zur Verfügung. Der Zustand der beiden Schutzgeräte wird direkt am Gerät signalisiert. Dank optischer Anzeige am Gerät kann der Kunde jederzeit den Funktionsstatus erkennen. Dies geschieht ohne Spannung und ohne Energieverbrauch – die Lösung ist dadurch erheblich bequemer als herkömmliche Lösungen am Markt.

Zusätzlich ist eine Option für die Signalisierung über den L‘-Anschluss im Gerät implementiert. Dadurch kann die Signalisierung an die Lampe übertragen werden. Hat die Abtrennvorrichtung des Überspannungsschutzes aufgrund einer Überlastung ausgelöst, wird die Leuchte ebenfalls abgeschaltet. Dabei ist es leichter, die Überspannungsschutzgeräte zu überprüfen (Bild 2). Die Schutzgeräte sind mit einem niedrigeren Schutzpegel (L-N) < 1,3 kV für typische LED-Anwendungen ausgelegt. Denn die Schutzwirkung besteht nur dann, wenn der Schutzpegel des Überspannungsschutzgerätes unterhalb der Stoßspannungsfestigkeit der Leuchtmittel und des LED-Treibers liegt. Das Überspannungsschutzgerät für die Schutzklasse I kann vor dem Fehlerstrom-Schutzschalter, dem sogenannten FI-Schutzschalter, im TT-Netz eingesetzt werden.

Die Überspannungsschutzgeräte aus der Blocktrab-Familie wurden von der Dekra auf Qualität und Sicherheit überprüft sowie nach der aktuellen Norm IEC/EN 61643-11 durch die KEMA-Zulassung zertifiziert. Der Anwender profitiert so nicht nur von der erhöhten Sicherheit, sondern auch von einem finanziellen Vorteil bei weiteren Zulassungen für die LED-Leuchte – beispielsweise nach ENEC = European Norms Electrical Certification.

Eine Anschlusstechnik für interne Verdrahtung

Für den Schutz in den Stromkreisverteilern empfehlen sich Kombi-Ableiter aus Typ 1 und Typ 2. Eine entsprechende Produktfamilie ist Valvetrab. Die Ableiter schützen vor direktem Blitzeinschlag und transienter Überspannung, die durch indirekte Auswirkungen eines Blitzes oder durch Schalthandlungen entstehen. Damit sind alle speisenden LED-Leuchten gegen direkte und indirekte Blitzbeeinflussungen aus dem Verteilnetz geschützt.

Im Inneren der Leuchte werden verschiedene Elemente wie etwa Treiber und Module sowie der oben besprochene Überspannungsschutz zusammengeschaltet. Dabei kommen meist Komponenten unterschiedlicher Hersteller zum Einsatz. Für eine effiziente Verdrahtung eignen sich gängige Steckverbinder, wie sie im industriellen Bereich schon seit vielen Jahren eingesetzt werden. Beim industriellen Einsatz gelten hohe Anforderungen an Funktion und Zuverlässigkeit dieser Verbinder. So gilt für die Steckverbinder die internationale Norm IEC 61984 „Steckverbinder – Sicherheitsanforderungen und Prüfungen“. Die Norm gilt für Bemessungsströme bis 500 A je Kontakt sowie für Steckverbinder zwischen 50 und 1000 Volt Wechsel-und Gleichspannung. Innerhalb dieser Norm sind Prüfprogramme und Vorgaben definiert, die von den Herstellern eingehalten werden. Bei Steckverbindern mit Zertifizierung werden die Vorgaben noch durch unabhängige Institute überprüft und erst nach den bestandenen Tests bestätigt.

Die Kosten für die Zertifizierungen übernehmen in der Regel die Hersteller der Steckverbinder. Die Hersteller stellen dem Prüfinstitut auch die Steckverbinder aus der Serie für die Tests zur Verfügung. Hierbei gibt das Prüfinstitut vor, welche Polzahl und welche Varianten der Steckerserie für die Prüfungen und Beurteilungen zur Verfügung gestellt werden sollen. Neben der hohen Qualität der Steckverbinder profitieren die Leuchtenbauer auch von der Vielfalt der verfügbaren Produkte. So gibt es zahlreiche Steckerbauformen in unterschiedlichen Größen für Wire-to-Wire- oder auch Wire-to-Board-Verbindungen (Bild 3).

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* Andreas Schamber ist Produktmanager Power Protection bei Phoenix Contact in Blomberg.

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