Außenbeleuchtung
Metalloxid-Varistoren bieten LED-Leuchten Schutz bei Blitzeinschlägen
Zu den am schnellsten wachsenden Segmenten des LED-Beleuchtungsmarktes zählen mit über 25% Lösungen für Gewerbeobjekte, Parkplätze und Straßen. Gleichzeitig sind mit diesem Boom-Markt hohe Anforderungen an Sicherheit und Störfestigkeit gegen Stoßspannungen zum Schutz des Stromkreises gefordert.
Entwickler von Außenbeleuchtungen, die Leuchten zur Verwendung von HBLED-Strängen entwerfen oder modifizieren, müssen hierbei mögliche Umweltbedingungen wie Blitzüberspannungen und Transienten im Netz der Energieversorger berücksichtigen, welche die Geräte beschädigen oder ihre Nutzungsdauer verkürzen können. So wurden verschiedene zentrale Normen vom Europäischen Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC) und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) herausgegeben und gelten für Außenleuchten in Europa. Sie werden laufend überarbeitet, um den neuesten Stand der LED-Technologie in der Außenbeleuchtung widerzuspiegeln.
- IEC/EN 60598-1 Leuchten - Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Prüfungen
- IEC/EN 60598-2-3 Leuchten - Teil 2-3: Besondere Anforderungen,Leuchten für Straßen- und Wegebeleuchtung
- IEC/EN 62031 LED-Module für Allgemeinbeleuchtung:Sicherheitsanforderungen
- IEC/EN 61000-4-5 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Teil 4-5: Prüf- und Messverfahren,Prüfung der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen
Wenn Außenleuchten wie beispielsweise Straßenbeleuchtungen extremen Bedingungen ausgesetzt sind, empfiehlt es sich, diese auf höhere Anforderungen an die Störfestigkeit gegen Stoßspannungen hin zu prüfen. Da derartige Leuchten unter anderem in offenem Gelände auf hohen Metallpfosten montiert werden, ist die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlags hoch. US-Normierungsinstitute wie ANSI und IEEE sowie das US-Energieministerium DOE empfehlen für Außenleuchten eine minimale Störfestigkeit gegen Stoßspannungen von 6kV/3kA bzw. 20kV/10kA. In Europa wird den Herstellern von Leuchten ein Wert von 10kV/5kA als erweitertes Schutzniveau bei einer höheren Spitzenspannung bzw. einem höherem Spitzenstrom als den in der Norm IEC 61000-4-5 (Klasse 4, 4kV) aufgeführten angeraten.
Ein zentraler Bestandteil dieser Normen ist die Berücksichtigung von Vorrichtungen, welche die Leuchte gegen Überspannungen in AC-Leitungen aufgrund von Blitzeinschlägen oder Schalttransienten schützt. Darüber hinaus verweisen Sicherheitsnormen wie die UL8750 darauf, dass AC-Zuleitungen über Überstromschutzvorrichtungen gegen Kurzschlüsse und Überlastsituationen innerhalb der Leuchte im Fall von Stoßspannungen und Fehlern verfügen sollten. Besondere Bedeutung kommt dabei der Minderung des aufgrund von Fehlern in der Stromversorgung und Ansteuerungselektronik bestehenden Brandrisikos zu.
In der Abbildung 1 ist der Aufbau eines Lichtstromkreises zur Straßenbeleuchtung mit verschiedenen Vorrichtungen zum Schutz unterschiedlicher Systemteile dargestellt. Mit dem Leiter in Reihe geschaltet, biete die AC-Sicherung einen Sicherheitsschutz gegen Kurzschlüsse und Überlastbedingungen. Derartige Sicherungen sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Formfaktoren, Ampere- und Spannungskennzahlen, Abschaltstromgrößen und Montagemöglichkeiten verfügbar.
Am Leistungseingang angebracht, bietet der Metalloxid-Varistor (MOV) einen Klemmschutz gegen Überspannungen. Derartige Varistoren sind kostengünstig und minimieren die Transientenenergie, die in die nachgeschaltete Elektronik gelangen könnte. MOVs werden gemäß einer Reihe von Parametern wie der Spannungskennzahl, dem maximalen Stromstoß, Leistungskennzahl, Scheibengröße und Leitungsaufbau ausgewählt. In den kleinsten verfügbaren Ausführungen haben sie Scheibengrößen von 5 mm, wodurch sie sich für die Verwendung im Bereich des Schaltnetzteils der HBLED-Leuchte (durch die blauen und gelben Blöcke in der Abbildung links vom LED-Strang-Treiber dargestellt) eignen. Um den DOE-Empfehlungen zur Störfestigkeit gegen Stoßspannungen gerecht zu werden, ist es entscheidend, dass der MOV und die Sicherung eine koordinierte Lösung darstellen. Eine weitere zentrale Größe ist die durch den Impuls (z.B. 6kV/3kA) generierte und als A2s gemessene Stoßenergie (dargestellt als »i2t«-Wert). Beobachtet werden sollte die Impulszyklusfestigkeit der Sicherung, und ihre Schmelzenergie (i2t) sollte so gestaltet sein, dass die zum Schmelzen des Sicherungsbauteils erforderliche Energie so hoch ist, dass der MOV unter Stromstoßbedingungen arbeiten kann, ohne die Sicherung zu öffnen. Sie sollte sich nur bei Kurzschlüssen oder Überlastbedingungen öffnen. Weitere Kriterien zur Auswahl des MOV sind der Stoßstrom (z.B. 3kA), die Festigkeit des MOVs bei wiederholter Stoßspannung, die Spannungskennzahl und die Klemmspannung.
Trotzdem kann es vorkommen, dass der Stromkreis trotz eines MOVs am Leistungseingang Spannungsstöße nicht übersteht. Für diese Fälle kann, wie in der Abbildung dargestellt, am Eingang der DC-DC-Konverterstufe eine TVS-Diode hinzugefügt werden. Sie bietet einen Sekundärschutz gegen Transienten. Auf diese Weise wird die »Durchlass«-Energie des MOVs am Leistungseingang durch die TVS-Diode weiter auf ein Niveau reduziert, das für den Stromkreis erträglich ist. In dem dargestellten Aufbau werden MOVs mit einer Vorrichtung auf Siliziumbasis kombiniert, um somit einen höheren Spannungsschutz des MOVs zu erreichen und eine Verschlechterung seiner Funktionsfähigkeit aufgrund von Überspannungsereignissen zu verhindern. Bei Außenbeleuchtungen im Allgemeinen und insbesondere in Regionen mit vielen Blitzeinschlägen sollten die Hersteller von Leuchten das zusätzlich Anbringen eines Überspannungsableitermoduls (ÜSP) an der AC-Leitung vor dem Schaltnetzteil in Betracht ziehen. Derartige Module bestehen in der Regel aus vier für hohe Spannungen ausgelegten MOVs (z.B. mit einem Durchmesser von 25 bis 35 mm), die von Leiter zu Erde, Neutral zu Erde und Leiter zu Neutral verlegt sind (grüner Block in Abb. 1).
Es ist darauf zu achten, dass das ÜSP-Modul so ausgelegt ist, dass es den Großteil der Transientenenergie aufnimmt und nur eine begrenzte Menge Restenergie an die verbundene Spannungsquelle »durchlässt«, so dass keine Schäden innerhalb der Spannungsquelle auftreten. Darüber hinaus sollten die ÜSPs klein und einfach zu verbauen/verkabeln/ersetzen sein und über eine Lebensdaueranzeige verfügen.
Neben kurzzeitigen Transienten (Mikrosekunden) können ÜSP-Module auch dauerhaften Überspannungsbedingungen ausgesetzt sein, verursacht durch eine Unterbrechung des Neutralleiters oder eine falsche Verkabelung bei der Montage. Ein solcher Zustand kann für den MOV eine starke Belastung bedeuten und zu thermischer Instabilität führen, was wiederum eine Überhitzung, Rauchentwicklung oder einen Brand zur Folge haben kann. In der Norm zu Überspannungsschutzmodulen mit der Bezeichnung UL149 werden einzelne abnormale Musterfälle dargelegt, und es wird beschrieben, wie bei dauerhaften Überspannungsbedingungen die Sicherheit von ÜSPs garantiert wird. Robuste Designs beinhalten innerhalb der ÜSPs angebrachte Thermoschalter zum Schutz der MOVs vor thermischer Instabilität. MOVs neigen nach einem großen Stromstoß oder mehreren kleinen Stromstößen zu einer allmählichen Verschlechterung der Funktionsfähigkeit. Diese Verschlechterung führt zu einem zunehmenden MOV-Kriechstrom, der wiederum einen Temperaturanstieg des MOVs zur Folge hat. Der Thermoschalter spürt diesen bis zum Ende der Nutzungsdauer der MOVs mit einer Verschlechterung der Funktionsfähigkeit. Zu diesem Zeitpunkt öffnet sich der Schalter und nimmt den verschlissenen Varistor aus dem Stromkreislauf heraus, wodurch sein mit katastrophalen Folgen verbundener Ausfall verhindert wird. Für derartige Anwendungen ist der Einsatz von thermisch geschützten Varistoren wie beispielsweise der TMOV-Serie dringend empfehlenswert.
Wenn die MOVs sorgfältig ausgewählt werden, schützt das ÜSP-Modul den Stromkreis gegen hohe Stoßspannungsniveaus wie 20kV/10kA. Unter solchen Bedingungen kann es immer noch vorkommen, dass eine geringe Menge an Energie bis zum LED-Treiber durchgelassen wird und an den 25-mm-MOVs vorbeiläuft, die sich innerhalb des SPD-Moduls befinden. Dies hängt von der Klemmspannung der MOVs im ÜSP-Modul ab. Durch den normalerweise 10 oder 14 mm großen MOV am AC-Eingang der Spannungsquelle lässt sich die durchlaufende Stoßspannungsenergie ableiten.
Es ist äußerst wichtig, die MOVs im ÜSP-Modul und den ÜSP am AC-Eingang der Spannungsquelle aufeinander abzustimmen, da die MOVs in der ÜSP zunächst die Energie niedrig halten müssen, um ein vorzeitiges Öffnen der Sicherung zu verhindern. Damit eine entsprechende Abstimmung stattfindet, sind bestimmte konzeptionelle Anforderungen zu beachten.
Da LEDs normalerweise über in Reihe geschaltete Stränge miteinander verbunden sind, gehen beim Ausfall eines LEDs in einem Strang bei offenem Stromkreis alle LEDs in diesem Strang aus. (Falls ein LED dies überbrückt, ist der Rest des Strangs hiervon nicht betroffen.) Hier bedarf es also eines Wegs, um dafür zu sorgen, dass beim Ausfall eines Strangs bei offenem Stromkreis alle anderen LEDs eines Strangs weiterhin funktionieren und gleichzeitig ein Schutz gegen elektrische Risiken besteht. PLED-Vorrichtungen (Strang-Kreislaufschutz), wie in der Abbildung dargestellt, kommen zum Einsatz, um sicherzustellen, dass der Strang beleuchtet bleibt, falls ein LED als offener Stromkreis ausfällt. Eine PLED-Vorrichtung wird mit jedem LED verbunden und ist je nach dem am Strang anliegenden Strompegel auszuwählen. Sie löst bei der entsprechenden Spannung aus und verfügt über eine für die Wärmeabfuhr des Stromkreises geeignete Nennleistung. Aus diesem Grund ist ein niedriger Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiter-Übergang und dem Kühlkörper ein wünschenswertes Merkmal eines PLEDs.
Usha Patel ist Director Latin America Sales, Henry Yu arbeitet als Technical Marketing Engineer bei Littelfuse.
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