Eckdaten

TDK ergänzt sein Portfolio an Schutzbauelementen durch ein breites Spektrum an leistungsstarken TDK- und Epcos-Folienkondensatoren, Keramik-Vielschichtkondensatoren, Induktivitäten und Übertrager. Somit ist ein modernes Design von kompakten, zuverlässigen und langlebigen Leuchten für LED-Beleuchtungssysteme für den Innen- und Außenbereich möglich.

LEDs leisten einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Energieaufnahme von Lampen im Innen- und Außenbereich. Sie verbrauchen nicht nur viel weniger Strom als konventionelle Lichtquellen, wie Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen (HID), sondern bieten auch eine weitaus längere Lebensdauer, die bis zu 80.000 Stunden und, unter idealen Betriebsbedingungen, noch mehr betragen kann. Im gleichen Zeitraum müssten die Leuchtmittel konventioneller Beleuchtungssysteme bereits mehrere Male ausgetauscht werden. LEDs führen so zu niedrigeren Wartungskosten und infolgedessen zu geringeren Gesamtbetriebskosten.

Die größten Gefahren für LED-Leuchten sind jedoch:

  • Elektrostatische Entladungen (ESD) – einschließlich Blitzeinschlag
  • Überströme und Stoßstrombelastungen
  • Strom- und Spannungsspitzen beim Austausch während des Betriebs
  • Verpolungen
  • Übertemperatur

Wenn LED-Beleuchtungssysteme so zuverlässig und langlebig wie die LEDs selbst sein sollen, dann sind alle Bauelemente und Teilsysteme vor Gefahren, die bei Montage, Wartung und während des Betriebs auftreten können, wirkungsvoll zu schützen.

Gut geschützte LED-Beleuchtung

Unternehmen und Gebäudeverwaltungen setzen zunehmend auf intelligent vernetzte Beleuchtungssysteme, die Wirkungsgrad und Qualität der Beleuchtung optimieren, den Status der einzelnen Leuchten anzeigen sowie die Fernsteuerung und Fernwartung ermöglichen. Das bedeutet, dass Stromversorgung und Schnittstellen für die Kommunikation ebenfalls in den Leuchten integrierbar sein müssen.

Das Energieniveau der ESD-Störungen und Stoßstrombelastungen, dem diese Teilsysteme ausgesetzt sind, definiert, welche Schutzvorrichtungen erforderlich sind, um die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aufrechtzuerhalten – das heißt, alle Elemente, aus denen eine LED-Leuchte besteht. Dazu gehören unter anderem das LED-Modul (LED-Array, LED-Treiber und Steuerung), die LED-Stromversorgung und der Netzanschluss. Bild 1 zeigt die Teilsysteme mit den geeigneten Schutzkomponenten.

Bild 1: Aufbau von LED-Beleuchtungssystemen mit den benötigten Schutzkomponenten.

Bild 1: Aufbau von LED-Beleuchtungssystemen mit den benötigten Schutzkomponenten.Epcos

Schutz vor energiereichen ­Stoßstrombelastungen

Varistoren der Epcos-Baureihe SIOV sind seit Langem als die Lösung für den Überspannungsschutz anerkannt. Gerade für den Schutz der Stromversorgungen in LED-Systemen vor größeren Energiestößen von bis zu 750 J eignen sich diese Metalloxid-Varistoren besonders gut.

Die SIOV-Varistoren der neuen Baureihen B20 und B25 wurden mit dem Ziel entwickelt, einen Schutz vor Stoßspannungs-/Stoßstrombelastungen bis 10 kV/ 10 kA gemäß ANSI/IEEE C62.41.2 und gemäß der Modellspezifikation für LED-Straßenbeleuchtungen zu gewährleisten. Die genannte Norm wurde vom MSSLC-Konsortium des US-amerikanischen Energieministeriums spezifiziert.

Diese Baureihen umfassen drei beziehungsweise vier SIOV-Varistoren, die im gleichen Gehäuse kombiniert sind (Bild 2). Aktuell werden die beiden Baureihen für eine maximale Betriebsspannung von 320, 420 und 510 V angeboten.

Bild 2: Epcos SIOV-Varistoren zum Schutz von Stromversorgungen.

Bild 2: Epcos SIOV-Varistoren zum Schutz von Stromversorgungen.Epcos

Durch ihre hohe Stoßstrom-Belastbarkeit bieten Epcos-Überspannungshalbleiter von TDK den zuverlässigsten Schutz vor sehr großen elektrostatischen Entladungen wie Blitzeinschlägen und anderen Transienten. Überspannungsableiter in Kombination mit Varistoren stellen eine platzsparende integrierte Lösung mit optimalen Leistungseigenschaften dar.

Die Thermo-Fuse-Varistoren der T-Serie bestehen aus einem Scheibenvaristor, der mit einer Thermosicherung im gleichen Gehäuse in Reihe geschaltet ist. Sie empfehlen sich für den Schutz am Netzeingang. Bei einer Überhitzung des Varistors trennt die in einem Spezialkunststoff gekapselte Thermosicherung den Varistor vom Netz. So wird eine Rauchentwicklung oder sogar ein Brand verhindert. Die Varistoren der T-Serie besitzen eine Stoßstrom-Belastbarkeit von bis zu 10.000 A und eine maximale Energieabsorptionsfähigkeit von 440 J für 2 ms.

Schutz vor energiearmer ESD

Traditionell schützen TVS-Dioden Stromkreise vor elektrostatischen Entladungen unter 25 J. Allerdings steigen die Anforderungen an den ESD-Schutz zunehmend, aufgrund der geforderten kompakten Abmessungen, der geringen Bauhöhe, der zuverlässigen Leistung über einen breiten Temperaturbereich und der kurzen Ansprechzeiten. Vielschichtvaristoren wie die der Epcos-Produktfamilie CeraDiode bieten im Vergleich zu konventionellen TVS-Dioden entscheidende Vorteile und werden in diesem Energiebereich zunehmend als Lösung für den ESD- und Stoßspannungsschutz bevorzugt. CeraDioden lassen sich sehr effektiv einsetzen, um die Absorptionsanforderungen in Bezug zur Größe des Bauelements zu erfüllen.

Für das LED-Modul sind viele verschiedene Konfigurationen denkbar. Es kann aus mehreren Hunderten LEDs bestehen, die in Form von in Serie oder parallel geschalteten Reihen oder als Kombination von beiden angeschlossen sind (Bild 3). Bei den in Serie geschalteten Reihen besteht allerdings die Gefahr, dass bei einem Ausfall einer einzelnen LED die ganze Reihe ausfällt, sodass die Beleuchtungsstärke erheblich sinkt.

Dank ihrer äußerst geringen parasitären Kapazität ist die CeraDiode auch die beste Wahl für den ESD-Schutz der Datenleitungen, zur Steuerung der Leuchten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass in Netzwerken einzelne Elemente umgesetzt, außer Betrieb genommen oder ausgetauscht werden. Häufig erfolgen diese Konfigurationsänderungen während des Betriebs und können so zu elektrostatischen Entladungen und Spannungsspitzen führen. Um sicherzustellen, dass die Leuchten über die spezifizierte Lebensdauer funktionsfähig bleiben, ist ein ausreichender ESD-Schutz mit CeraDiode unverzichtbar.

Bild 3: ESD-Schutz für den LED-Treiber.

Bild 3: ESD-Schutz für den LED-Treiber.Epcos

CeraDiode versus TVS-Dioden

Eine CeraDiode zeichnet sich durch eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit pro Volumen/Fläche aus. Ihr aktives Volumen ist fast drei Mal größer als das einer TVS-­Diode, das nur etwa 30 Prozent beträgt (Bild 4). Daher können Designer von LED-Beleuchtungen mit einem viel kleineren Bauelement den gleichen ESD-Schutz gemäß IEC 61000-4-2 sowie dieselbe Unempfindlichkeit gegenüber Stoßstrombelastungen erreichen. Die CeraDioden in den EIA-Baugrößen 01005, 0201 und 0402 eignen sich gut für den Schutz des LED-Moduls und der LED-Beleuchtungsinstallationen. Sie bieten den gleichen Schutz wie TVS-Dioden, die jedoch eine viel größere Grundfläche belegen. Neueste CeraDioden in Baugröße EIA 01005 sind so klein, dass sie sich für Anwendungen wie LED-Blitz in Smartphones eignen und unterstützen somit die Miniaturisierungsanforderungen der Leuchtenhersteller.

Bild 4: Aufbau der Epcos CeraDiode im Vergleich zu einer TVS-Diode.

Bild 4: Aufbau der Epcos CeraDiode im Vergleich zu einer TVS-Diode.Epcos

Angesichts der vielen unterschiedlichen Arten von ESD-Ereignissen und Transienten ist es erforderlich, in beiden Richtungen einen entsprechenden Schutz vorzusehen. Als Varistor leistet eine CeraDiode einen bidirektionalen Schutz, während eine TVS-Diode konstruktionsbedingt nur in einer Richtung (unidirektional) wirkt. Somit kann es in Abhängigkeit von den Design-­Anforderungen notwendig sein, für die gleiche Schutzwirkung zwei Dioden einzuplanen. Eine CeraDiode bietet also auch Vorteile in Bezug auf Abmessungen, Kosten und Platzierungslogistik.

Beim Temperatur-Derating weist eine CeraDiode ebenfalls deutliche Vorteile auf. Ihre Derating-Temperatur liegt bei bis zu 85 °C. Bei TVS-Dioden beginnt das Derating dagegen bereits bei Raumtemperatur. Spezielle CeraDiode-Baureihen erzielen sogar Derating-Temperaturen von 125 °C und mehr. Damit sorgt sie für eine zuverlässige Funktion der LED-Elektronik über einen sehr großen Temperaturbereich. Zudem bietet eine CeraDiode über einen langen Zeitraum kurze Ansprechzeiten von <0,5 ns und eine hohe Impulsabsorptionsfähigkeit. Diese Vorteile ermöglichen es Leuchten-Designern, den Platzbedarf zu verringern und gleichzeitig Kosten zu sparen.

Effektiver Temperaturschutz

Da die LEDs für eine gleichbleibende Leuchtkraft auf einen konstanten Strom angewiesen sind, muss ihre Temperatur in engen Grenzen gehalten werden. Die Epcos-SMD-NTC- und SMD-PTC-Thermistoren wurden entwickelt, um die LED-Arrays vor Überhitzung zu schützen und deren Temperaturprofil für eine bestmögliche Lumen-Ausbeute zu kontrollieren. Hierfür wird der Stromfluss zur LED automatisch angepasst. Dafür benötigte hochpräzise Messungen lassen sich mit den neuen miniaturisierten SMD-NTC-Thermistoren zuverlässig ausführen. Basis dafür sind ihre durchgehend engen Toleranzen von ±1 % und ihre kurzen Ansprechzeiten. Die ­SMD-NTC-Thermistoren sind in den EIA-Baugrößen 0402 und 0603 verfügbar. In Verbindung mit intelligenten Schaltungen ermöglichen sie es, effektive Kontrollsysteme zu entwerfen. Ein Musterkit mit Bauelementen speziell für LED-Anwendungen steht unter der Bestellnummer B57999V3999J099 zur ­Verfügung.

Bild 5: Temperaturkompensierter LED-Treiber ohne IC.

Bild 5: Temperaturkompensierter LED-Treiber ohne IC.Epcos

Die SMD-PTC-Thermistoren in den EIA-Baugrößen 0402, 0603 und 0805 stellen als Grenztemperatur-Sensoren eine weitere einfache, zuverlässige und kostengünstige Lösung zum Übertemperaturschutz dar. Das breite Spektrum von R/T-Kurven mit Ansprechtemperaturen von 70 bis 145 °C erleichtert die Auswahl des am besten geeigneten Bauelements. Muster der gesamten Produktreihe können in einem Musterkit mit der Bestellnummer B59001Z999A99 bezogen werden.

Sind die SMD-PTC-Thermistoren in Serie zur LED geschaltet, können sie den Vorwärtsstrom der LED bei hohen Temperaturen verringern. Dies gilt insbesondere bei einfacheren LED-Treiberkonzepten ohne ICs. Für diese Anwendungen empfehlen sich bedrahtete oder große SMD-PTC-Thermistoren (EIA-Baugröße 3225 oder 4032).

Epcos CeraDioden für LED-Beleuchtungen.

Epcos CeraDioden für LED-Beleuchtungen.Epcos