Auf einen Blick

Aufgrund ihrer Langlebigkeit und Zuverlässigkeit, aber auch des geringen Stromverbrauchs, setzen sich LEDs zunehmend als Beleuchtungsmittel durch. Im Außeneinsatz müssen sie aber aufgrund ihrer geringen Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse besonders gut geschützt werden. Dies gilt insbesondere bei sicherheitsrelevanten Systemen an Straßen oder Flughäfen. Hier müssen alle Komponenten vom Stromanschluss bis zur LED-Leuchte eingehend gesichert werden. Die Technologien dafür stehen heute bereits zur Verfügung, werden aber noch zu selten eingesetzt.

Im Außeneinsatz werden in der Regel Hochleistungs-LEDs verwendet, die in Kette geschaltet sind. Denn eine einzelne LED besitzt als Niederspannungsgerät eine Flussspannung von nur etwa 2,7 V für rot bis etwa 4,1 V für blau und erzeugt eine entsprechend geringe Helligkeit. Ketten aus jeweils fünf bis zwanzig Leuchten erhalten mit konstantem Strom eine einheitliche Energieversorgung, die neben einer gleichmäßigen Beleuchtungsstärke auch eine einfache Steuerung der gesamten Kette ermöglicht.

Die PLED-Schutzkomponenten verfügen über Rückstromdioden, die eine LED-Kette vor einem Stromanschluss mit falscher Polarität schützen.

Die PLED-Schutzkomponenten verfügen über Rückstromdioden, die eine LED-Kette vor einem Stromanschluss mit falscher Polarität schützen. Littelfuse

Einzelne LEDs können aufgrund von Umwelteinflüssen jedoch leicht Schaden nehmen, da ihre Elektronik nicht besonders widerstandsfähig ist. Fällt eine einzige LED-Leuchte aus, führt dies durch die Reihenschaltung häufig zu einem Ausfall der gesamten Kette. In der Regel hat das bei großen Anlagen wie Werbe- und Anzeigetafeln, Gebäude- oder Brückenbeleuchtungen, die aus tausenden LED-Ketten bestehen, wenig Bedeutung. Doch bei sicherheitsrelevanten Systemen wie Verkehrsschildern, Signalanlagen oder auch Auto-Scheinwerfern kann schon eine geringere Helligkeit zu Gefährdungen führen.

Eine der häufigsten Ursachen für die Trennung einer LED vom Stromkreis ist eine thermo-mechanische Belastung. Dazu zählen vor allem Hitze- oder Kälteschocks, schnelle Temperaturwechsel und Vibrationen. Auch eine Metalloxidation am Gehäuse durch Regen kann zu einem Ausfall der LED durch eintretende Feuchtigkeit führen. Zudem wird sie möglicherweise durch elektrische Ursachen wie Überladungen durch Blitzeinschläge oder elektrostatische Entladungen beschädigt. Als besonders anfällig erweisen sich dabei die Wechselstromleitung (AC), der Gleichspannungswandler (DC/DC) sowie die LEDs selbst. Diese müssen daher besonders geschützt werden.

Transiente Überspannungen aushalten

LED-Leuchten besitzen in der Regel ein Schaltnetzgerät, das eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung umwandelt. Da dieses typischerweise sensibler ist als ein linear geregeltes Trafonetzteil, muss es deutlich besser geschützt werden. Als entsprechend wichtig erweist sich hier die genaue Prüfung der Sicherungsgröße für die Wechselstromleitung. Die Leitungssicherungen sind so festzulegen, dass sie sich selbst während eines Gewitters nicht unerwünscht ausschalten. Das bedeutet, dass sie transiente Überspannungen aushalten sollten, die durch Blitze ausgelöst werden und Stromstärken von 3 bis über 10 kA erreichen können.

LED-Schutzkomponenten lassen sich mit Überspannungsschutz kombinieren. Eine solche Kombination hat Littelfuse mit seinen PLEDs realisiert.

LED-Schutzkomponenten lassen sich mit Überspannungsschutz kombinieren. Eine solche Kombination hat Littelfuse mit seinen PLEDs realisiert.Littelfuse

Stromstärke, Spannung und Stromwärmewert (I2t-Wert) sind die wichtigsten Kriterien für die Auswahl der Sicherung. Der I2t‑Wert definiert die Energiemenge, die eine Sicherung ohne durchzuschmelzen standhalten kann. Zur Resistenz gegen Blitz-Überspannungen müssen sie einen entsprechend hohen Stromwärmewert aufweisen. Dieser lässt sich durch höhere Strombelastungs- oder Zeitverzögerungsraten erreichen. Dann fällt die LED-Beleuchtung auch während eines Gewitters nicht aus.

Gleichmäßige Stromstärke für eine konstante Energieversorgung

Der Gleichspannungswandler stellt die gleichmäßige Stromstärke für die konstante Energieversorgung der LEDs bereit. Damit gewährleistet er eine optimale Helligkeit, Farbe und Intensität. Da dieses Bauteil jedoch relativ anfällig ist, muss im Gleichstrombereich eine Hochspannungs-DC-Sicherung eingefügt werden. Diese trennt dann den Stromkreis bei Überstrom.

Häufig wird im DC-Teil auch ein Metalloxid-Varistor (MOV) integriert. Dieser spannungsabhängige elektrische Widerstand ist parallel zu dem zu schützenden Modul oder der Stromleitung angeordnet. Er unterdrückt die Überspannung im Eingangskreis, da sich bei höherer Spannung der Widerstandwert des MOV reduziert. Entsprechend leitet er die Überspannung von der Stromversorgung ab.

Jedoch lassen selbst direkt integrierte MOVs einen Teil des Überspannungsstroms durch. Dies liegt an der relativ langen Reaktionszeit. Das genügt unter Umständen schon, um Beschädigungen im LED-Treiber oder den LEDs herbeizuführen. Daher sollten feiner abgestimmte Klemmkomponenten mit kürzerer Ansprechzeit am Gleichrichter verwendet werden. So empfiehlt sich zum Beispiel eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppression), um den Oszillator im DC/DC-Wandler zu schützen. Diese leitet den Überstrom deutlich schneller ab.

Offene LED-Schutzkomponente

Die größte Schwachstelle bei der LED-Leuchte ist die Verkabelung. Hitze, Vibration oder Alterungsprozesse führen hier häufig zu Beschädigungen. Um diesen vorzubeugen, kann parallel mit jeder LED in der Kette eine offene LED-Schutzkomponente integriert werden. Dieser elektronische Widerstand leitet den Strom um die beschädigte Stelle des Kabels herum, so dass bei Ausfall einer LED die anderen weiterhin leuchten.

Solche LED-Schutzkomponenten lassen sich mit Überspannungsschutz kombinieren. Dann besitzen sie einen Schalter. Sobald eine LED ausfällt, wird er durch eine höhere Spannung ausgelöst. Anschließend trägt er die volle Stromstärke der Kette mit einem Spannungsabfall von etwa 1,3 V. Eine solche Kombination hat etwa Littelfuse mit seinen PLED-Schutzkomponenten realisiert. Diese benötigen im ausgeschalteten Zustand nur einige Mikroampere und beeinflussen daher den Stromkreis im normalen Betrieb nicht. Zusätzlich verfügen die PLEDs über Rückstromdioden, die eine LED-Kette vor einem Stromanschluss mit falscher Polarität schützen.

Offene Schutzkomponenten lassen sich auch gut mit verschiedenen Methoden zum Dimmen von LEDs per PWM kombinieren. Zudem gibt es Variationen, die gleich zwei oder drei LEDs auf einmal überbrücken. Sie stehen zwar für einen geringeren Preis zur Verfügung, beim Ausfall einer LED bleiben dann aber auch die zweite und dritte Leuchte dunkel. Daher werden in der Regel Schutzkomponenten über jede einzelne LED einer Kette geschaltet.

Insbesondere im Außenbereich sind nicht nur robuste, sondern auch wartungsarme und über lange Zeit zuverlässige Systeme nötig. So werden bei LED-Beleuchtungen zunehmend integrierte austauschbare Komplettmodule verwendet, vor allem an Straßen und auf Parkplätzen. Dabei sind alle drei der zu einem umfassenden Schutz notwendigen MOVs durch einen Überspannungsableiter integriert. Dieser kann zudem einen MOV-Wärmeschutz enthalten, der in der Regel parallel mit der Stromzufuhr verbunden ist. Seit kurzem gibt es auch Varianten, die in Reihe geschaltet sind. Sie trennen bei aktiviertem Wärmeschutz die Leuchte von der Stromzufuhr und zeigen klar erkennbar an, dass der Überspannungsableiter ersetzt werden muss.