Beleuchtungstechnologie PPTCs schützen High-Brightness-LEDs

Angesichts des Übergangs in der Beleuchtungstechnologie von „stromfressenden“ Glühlampen über Kaltkatodenröhren (CCFLs) hin zu LEDs wird deutlich, dass Endverbraucher durchaus bereit sind, mehr für umweltfreundlichere Beleuchtung auszugeben. Dies verbinden sie allerdings mit der Erwartung, dass sich diese Investition durch erhöhte Lebensdauer und Zuverlässigkeit mittelfristig bezahlt macht.

High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) sind energiesparende, kostengünstige Bauelemente und das Herz der nächsten LED-Beleuchtungsgeneration. Dieser riesige Markt beliefert zahlreiche Branchen - beginnend bei der Architektur- und Automobilbeleuchtung über Display-Hintergrundbeleuchtungen bis hin zu Konsumelektronik-Applikationen wie Blitze für Kamera-Handys.

Überstromzustände in HB-LED-Beleuchtungssystemen

Die Lichtleistung von LEDs hängt allerdings von der Art des Chips, der Verkapselung, dem Wirkungsgrad des einzelnen Wafers und weiteren Variablen ab. Des Weiteren kommen als Treiber für HB-LEDs entweder lineare Treiber oder getaktete Stromquellen zum Einsatz. Lineare Treiber eignen sich am besten, wenn die Versorgungsspannung nur geringfügig oberhalb der Lastspannung liegt und Widerstände zur Begrenzung des Stroms verwendet werden.

Im Allgemeinen wird der Speisestrom für die HB-LEDs durch Strommesswiderstände überwacht, die die entsprechende Rückmeldung an den Stromregler liefern. Eine alternative Lösung besteht darin, den Strom durch die LEDs mit PPTC-Bausteine (Polymeric Positive Temperature Coefficient) zu begrenzen.

Ein PPTC-Baustein ist ein Element, das innerhalb der Schaltung in Reihe zum Verbraucher geschaltet wird. Im Allgemeinen liegt der Widerstand des PPTC-Bausteins unter dem des übrigen Teils der Schaltung und hat nur geringen bis gar keinen Einfluss auf das normale Schaltungsverhalten. Bei einem Überstromzustand erhöht sich jedoch der Widerstand des Bausteins, wodurch dieser auslöst und den Strom in der Schaltung auf einen Wert begrenzt, der von allen Elementen der Schaltung schadlos überstanden wird. Diese Änderung beruht auf dem raschen Temperaturanstieg des Bausteins durch I² R-Erwärmung.

Der Baustein bleibt so lange im ausgelösten oder verriegelten Zustand, bis die Störung beseitigt ist. Sie können das Auftreten von Fehlern nicht verhindern, reagieren im Fehlerfall aber äußerst schnell und begrenzen den Strom auf einen sicheren Wert, um die nachgelagerten Komponenten vor „Kollateralschäden“ zu schützen. Darüber hi-naus eignen sie sich aufgrund ihrer kleinen Bauformen ideal für Anwendungen mit Platzbeschränkungen.

Wie PPTC-Bausteine funktionieren

Unter normalen Betriebsbedingungen befinden sich die vom PPTCerzeugte und die an die Umgebung abgegebene Wärme bei einer relativ niedrigen Temperatur im Gleichgewicht, wie in Arbeitspunkt 1 in Bild 1 zu sehen ist. Wenn der durch den Baustein fließende Strom bei gleichbleibender Umgebungstemperatur ansteigt, steigt die vom Baustein erzeugte Wärme ebenfalls an. Ist die Stromerhöhung vernachlässigbar, wird die erzeugte Wärme an die Umgebung abgegeben und der Baustein stabilisiert sich bei einer höheren Temperatur - analog zu Arbeitspunkt 2.

Falls sich statt des Stroms die Umgebungstemperatur erhöht, stabilisiert sich der Baustein bei einer höheren Temperatur, möglicherweise erneut bei Arbeitspunkt 2. Dieser kann auch durch eine Kombination aus Strom- und Temperaturerhöhung erreicht werden. Bei weiterer Erhöhung von Strom oder Temperatur oder beidem erreicht der Baustein eine Temperatur, bei der der Widerstand schnell ansteigt, wie an Arbeitspunkt 3 zu sehen. Dieser wird als das untere Knie der Kurve bezeichnet. Jede weitere Erhöhung von Strom oder Umgebungstemperatur führt dazu, dass der Baustein schneller Wärme erzeugt, als er sie an die Umgebung abgeben kann und sich somit schnell aufheizt.

Wie im Diagramm (Bild 1) zwischen Arbeitspunkt 3 und Arbeitspunkt 4 zu sehen ist, führt ab diesem Bereich bereits ein kleiner Temperaturanstieg zu einer großen Widerstandserhöhung. Dies ist der normale Betriebsbereich für einen PPTC-Baustein im ausgelösten Zustand. Dieser erhöhte Widerstandswert bewirkt eine entsprechende Verringerung des Stroms durch die Schaltung.

Da die Temperaturänderung zwischen den Arbeitspunkten 3 und 4 gering ist, gilt dieser Zusammenhang solange, bis bei Punkt 4 das obere Knie der Kurve erreicht ist. Solange die angelegte Spannung auf diesem Wert bleibt, bleibt der Baustein im ausgelösten bzw. verriegelten Zustand.

Sobald die Spannung entfernt und die Versorgungs- spannung wieder eingeschaltet ist, wird der Baustein auf einen niederohmigen Zustand zurückgesetzt und die Schaltung kehrt in den normalen Betriebszustand zurück.

Bild 2 zeigt den Zustand der Schaltung vor und nach dem Auslösen des PPTC-Bausteins zum Schutz der HB-LEDs. Hier ist deutlich zu sehen, wie der Strom nach dem Auslöseereignis begrenzt und die Schaltung somit vor Schäden durch Überstrom- und Übertemperaturzustände geschützt wird.

Erfüllung der Sicherheitsstandards für Stromquellen der Schutzklasse II

Zum Schutz von Klasse-II-Stromquellen für LED-Beleuchtungssysteme steht eine Vielzahl von Schaltungsschutzvorrichtungen zur Verfügung. Bild 3 zeigt, wie eine koordinierte Schutzstrategie unter Verwendung eines Metalloxid-Varistors (MOV) am Wechselstromeingang und eines PolySwitch-PPTC-Bausteins im Ausgangsstromkreis dazu beitragen kann, die Anforderungen der Norm UL 1310, Abschnitt 35.1 - Überlastprüfung für Schalter und Regler - zu erfüllen.

 

 

Der Autor

 Faraz Hasan 
ist Senior Global Strategic Business Manager for Industrial, Appliance, Lighting bei TE Circuit Protection. Er trat dem Unternehmen im Jahr 2006 bei und verfügt über mehr als 17 Jahre Erfahrung in den globalen Branchen Hausgeräte, Industrie, Beleuchtung, Solartechnik und elektromechanische Bauteile. Seinen Bachelor im Fach Maschinenbau an der AMU University in Aligarh (Indien) schloss er mit Auszeichnung ab. Er besitzt auch ein postgraduales Diplom im Fach Marketing und Vertriebs-management von der Bharatiya Vidya Bhavan University, New Delhi.
faraz.hasan@te.com