Schutzbauelemente LEDs richtig schützen

LEDs erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, besonders seitdem sie immer kostengünstiger werden. Sie eigenen sich zu Beleuchtungszwecken besonders, weil sie sehr effizient und zuverlässig sind. Allerdings können transiente Über- und Stoßspannungen diese beschädigen. Nur drei Schritte sind nötig, um LED-Stromkreise wirksam zu schützen.

Hauptsächlich fallen Leuchtdioden aufgrund mechanischer und thermischer Einflüsse aus. Temperaturzyklen, Thermoschocks und hohe Betriebstemperaturen können dazu beitragen, dass die oft sehr dünnen Anschlüsse (Wire Bonds) schneller altern. Je mehr das Metall oxidiert und brüchig wird, desto wahrscheinlicher fällt das Bauteil aus. Weitere Gründe für unterbrochene LED-Kreisläufe sind elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge, ESD) oder Stoßspannungen, die durch Blitzeinschläge in der näheren Umgebung entstehen.

In jeder LED-Beleuchtungsanwendung gibt es drei Bereiche, die einen Kreislaufschutz benötigen (Bild 1): der Wechselstromabschnitt des Stromkreises vor der Gleichrichtung, ein Gleichstromabschnitt sowie die LEDs selbst. Nur wenn jeder dieser drei Teile wirksam geschützt ist, können die LEDs zuverlässig funktionieren.
In der Regel kommt bei einer LED-Beleuchtung am Frontend ein Schaltnetzteil zum Einsatz. Hierbei ist zu beachten, dass die Schutzanforderungen einer solchen getakteten Stromversorgung höher sind als die seiner linearen Pendants oder einer auf andere Weise zugeführten Leistung. Um die Sicherheitsvorschriften der UL (Underwriters Laboratories) nicht zu verletzen, ist im ersten Schritt die AC-Leitung ausreichend zu sichern. Die AC-Eingänge reagieren sehr empfindlich auf Stoßspannungen durch Blitzeinschläge in der näheren Umgebung. Die Sicherungen müssen robust genug sein, um diesen Stromstößen mit üblicherweise 3 kA, aber auch bis 6 kA, standzuhalten. Außerdem müssen sie schnell genug reagieren, um den Ausfall von Bauteilen zu verhindern. Kriterien für die Auswahl der vorgeschalteten Sicherung am AC-Eingang sind unter anderem Spannung, Stromstärke und der I²t-Wert. Dieses Schmelzintegral beschreibt die Energiemenge, der ein Sicherungselement punktuell standhalten kann, ohne auszulösen. Daher sind die I²t-Werte von trägen Sicherungen trotz gleicher Bemessungsströme höher als die flinker Sicherungen. Sie nehmen in der Regel mit dem Nennstrom der Sicherung zu.

AC-Leitung absichern

Ein weiteres Element des Schaltnetzteilschutzes ist der Metalloxid-Varistor (MOV). Solche Bauteile schützen den Gleichrichter, indem sie Überspannungen unterdrücken. Der Hauptunterschied von MOVs zu Sicherungen gegen Überstrom ist die Tatsache, dass Sicherungen als sicherheitsrelevante Bauelemente betrachtet werden, während MOVs und andere Überspannungsschutzeinrichtungen in der Regel als Bauteile angesehen werden, die lediglich für einen zuverlässigen Betrieb erforderlich sind. Der Wunsch nach einer höheren Zuverlässigkeit wird in erster Linie von Produktdesignern geäußert, aber auch in den UL-Sicherheits-Listings werden Bestimmungen aufgeführt, die sich nur mithilfe von Überspannungsschutzbauelementen umsetzen lassen.
LEDs sind meist in Serie geschaltet und werden mit einem konstanten Strom betrieben, damit sie eine optimale, einheitliche Helligkeit, Farbe und Intensität erreichen. Konstantstromquellen verfügen (bei einem offenem Stromkreis) über eine maximale Ausgangsspannung, auch als Bürdenspannung bezeichnet. Ein kritisches Bauteil des Gleichstromabschnitts ist die DC-Sicherung. Ihre Aufgabe ist es, bei Überstromsituationen auszulösen. Ein in den Gleichstromabschnitt integrierter Überspannungsbegrenzer (Transient Voltage Suppressor, TVS) schützt den Oszillator im DC/DC-Wandler vor Stoßspannungen, die durch Blitzeinschläge hervorgerufen werden können.
Vibrationen, Hitze oder Alterung können dazu führen, dass ein Wire- 
Bond an den LEDs ausfällt. Ein offener Kontakt in einer LED innerhalb eines Strangs kann dazu führen, dass der gesamte Strang ausfällt. Für Hersteller hat dies in erster Linie Retouren, ein schlechtes Markenimage und hohe Garantiekosten zur Folge. Wird das Produkt in kritischen Anwendungen wie der Rollfeldbeleuchtung auf einem Flughafen eingesetzt, kann ein Ausfall sogar katastrophale Folgen haben.

Strom umleiten

Derartige Probleme lassen sich vermeiden, indem ein Schutzelement zu jeder LED eines Strangs parallelgeschaltet wird (Bild 2). Bei einem solchen Baustein, zum Beispiel aus der »PLED«-Serie von Littelfuse, handelt es sich um einen elektronischen Shunt, der in einem offenen Kontakt den Strom umleitet und so verhindert, dass der LED-Strang teilweise oder vollständig ausfällt. Dieses Element löst eigenständig aus, verfügt über zwei Anschlusspunkte und geht automatisch in seine Ausgangsstellung zurück, wenn die LED wieder funktioniert oder ausgetauscht worden ist.

Bei diesem Schutzbaustein handelt es sich um einen Schalter mit einem Abfluss im Mikroampere-Bereich, der bei einer bestimmen Schwellspannung auslöst. Ist dies der Fall, wird der Schalter niederohmig, wodurch die Verluste gering bleiben. Geht eine LED kaputt, ist ausreichend Spannung vorhanden, um das Bauelement durchzuschalten.
Der Schutzmechanismus verfügt außerdem über eine eingebaute Stoßspannungsstörfestigkeit, die zum Schutz der LEDs bei Spannungsstößen aufgrund von Blitzeinschlägen in der näheren Umgebung oder elektrostatischen Entladungen beiträgt. Außerdem schützen die »PLED«-Bausteine davor, dass LEDs versehentlich verkehrtherum mit Spannung versorgt werden (Bild 3).

Über den Autor:

Bharat Shenoy ist Director Technical Marketing bei Littelfuse.