Bild Kasten Schurter

LEDs müssen vor elektrostatischen Entladungen und Blitzentladungen geschützt werden. (Bild: Luxmundi)

Die LED-Technik bringt zahlreiche Vorteile, ihre empfindliche Elektronik benötigt aber geeigneten Schutz. Gegenüber anderen Leuchtmitteln bietet sie klare Vorteile: Ihr Energiebedarf ist um bis zu 90 Prozent kleiner als der einer klassischen Glühlampe. Ihre Lebensdauer kann bis zu 50.000 Stunden erreichen. Sie erbringt beim Einschalten sofort 100 Prozent Leuchtkraft und Totalausfälle können praktisch ausgeschlossen werden. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen ist sie zudem sehr platzsparend und dank einer breiten Farbauswahl vielseitig einsetzbar.

Die Lebensdauer der LEDs übersteigt in den meisten Fällen die Nutzungsdauer der gesamten Leuchte. Da ein Ersatz wie bei einer Glühlampe nicht vorgesehen ist, können die LEDs fest mit der Leuchte verbunden werden. Für die Speisung der LEDs erzeugt eine elektronische Schaltung aus dem Wechselstromnetz eine stabile und kontrollierte Gleichspannung. Im Fehlerfall können hohe Ströme auftreten, die eine Gefahr für den Menschen darstellen oder auch einen Brand verursachen können.

Primärschutz von LEDs

Die Anforderungen an den Primärschutz von LED-Lichtsystemen sind sehr hoch. Am einfachsten und sichersten lässt sich der Primärschutz durch eine Schmelzsicherung lösen. Eine solche Sicherung benötigt einen hohen I2t-Wert, damit sie bei Einschaltspitzen nicht auslöst. Aber sie braucht auch ein hohes Ausschaltvermögen, um den Stromkreis beispielsweise bei einem Kurzschluss sicher zu unterbrechen. Weiter ist eine kompakte Bauform wichtig, da LED-Netzgeräte sehr kompakt gehalten werden. Schließlich müssen Sicherungen für den Primärschutz von LED-Lampen auch bei langen Betriebszeiten und hohen Temperaturen zuverlässigen Schutz garantieren.

Pulsförmige Belastungsströme bei Primärsicherungen kommen häufig vor. Im Allgemeinen sind sie für die Schmelzsicherung aber unproblematisch, wenn bei der Sicherungsauswahl wichtige Details berücksichtigt wurden. Pulse können einzeln oder wiederkehrend (zum Beispiel getaktete Schaltungen) auftreten. Bei Einzelpulsen ist das Joule-resp. Schmelzintegral (I²t-Wert) des Schmelzleiters wichtig (je größer, desto pulsfester). Bei pulsförmigen Dauerströmen ist die Berechnung des Effektivwertes entscheidend, und allgemein sollte die Nennstromverschiebung durch eine mögliche Verstärkung der Alterung (Diffusion) berücksichtigt werden.

Auf der nächsten Seite werden die grundsätzlichen Schutzvarianten behandelt

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Bild 1a: Schutzschaltungsvariante 1. Schurter

Bild 1b: Schutzschaltungsvariante 2.

Bild 1b: Schutzschaltungsvariante 2. Schurter

Zur Absicherung einer Schaltung vor Überspannungspulsen gibt es zwei gängige Schaltungsmöglichkeiten, eine Sicherung für Leitungsschutz zusammen mit SPD (Surge Protection Device) zu verwenden (Bilder 1a und 1b). Bei der Schutzschaltungsvariante P1 ist die Sicherung am Eingang des Stromkreises vor dem SPD. Bei der Schutzschaltungsvariante P2 befindet sich die Sicherung am Eingang der Schaltung hinter dem SPD.

Vergleich der Schaltungsvarianten

Schaltungstechnisch stellt P1 eine saubere, gute Lösung dar. Insbesondere bei Verwendung eines Gerätestecker-Kombielements lässt sich so eine elegante Lösung für Anwendungen finden, die nach einer „trägen“ Sicherung verlangen. Der Auswahl der Sicherung bezüglich Pulsfestigkeit muss aber eine größere Beachtung geschenkt werden. Durch den nachgeschalteten SPD R1 besteht für die Sicherung eine hohe Strombelastung. Ein großer I²t-Wert sowie ein geringer Verlustwiderstand steigern die Pulsfestigkeit. Die Schaltung P2 ist universeller. In der Sicherung F2 entstehen durch den vorgeschalteten SPD (zum Beispiel Varistor) R2 nur geringe Belastungen durch Surge-Impulse. Bei der Auswahl der Sicherung hat der Designer viel mehr Spielraum. Beschädigungen an den SPDs R1 resp. R2 verursachen in beiden Schaltungsvarianten nicht zwingend ein Auslösen der Sicherung. Für beide Schaltungsvarianten P1 und P2 wird eine Kombination von SPD mit einer temperaturgesteuerten Sicherung empfohlen.

Alterung durch Surge-Pulse

Bei der Auswahl und Dimensionierung einer Sicherung sollte stets im Auge behalten werden, dass sich jede Schmelzsicherung durch Stromimpulse in ihrer Charakteristik verändert. Die oftmals vorhandene Beschichtung des Schmelzleiters diffundiert zusehends tiefer in das Grundmaterial hinein. Eine neue Legierung entsteht. Dies führt zu einer Verschiebung des Nennstroms und zu einer stetigen Schwächung der Sicherung.

Messung nach IEC 61000-4-5

Bild 2: Schurter

Bild 2: Setup S1 ohne SPD / Setup S2 mit SPD. Schurter

Die Fähigkeit eines Bauelements, diese energiereichen Impulse zu verkraften, wird nach IEC 61000-4-5 mit der Impulsform 8/20 μs für den Kurzschlussstrom und 1,2/50 μs für die Leerlaufspannung gemessen. In Bild 2 ist Setup S1 ein Stromstoß von 8/20 μs direkt auf Sicherung F1. Dieser Test erreicht die höchste Belastung für die Sicherung durch den Überspannungstest. Variante S2 ist ein realistisches Setup für einige Anwendungen mit einem SPD in Serie. Der Kombinationswellen-Überspannungsgenerator erzeugt ein Mischsignal von 1,2/50 μs Spannungs-und 8/20 μs Stromimpuls.

Schurter

Tabelle Schurter

Die vorgeschlagenen Sicherungsstromwerte in den Schurter-Datenblättern werden mit dem Setup S1 und in Unify-Tests mit S1 und S2 getestet. Wenn die Sicherungen in der jeweiligen Schaltung korrekt funktionieren, muss der Entwickler diese individuell prüfen. Bei Sicherungen hinter dem SPD analog der Schutzschaltung P2 sind keine Testergebnisse vorhanden, da die Überspannung keine hohe Belastung für die Sicherung darstellt. In einigen ausgewählten Datenblättern von Schurter wurden die Sicherungen entweder in der Anordnung P1 ohne Varistor (Setup S1) oder Anordnung P1 mit Varistor (Setup S2) getestet.

Entsprechend den durchgeführten Tests können untenstehende Pulsfestigkeiten gemäß der Einteilung in die verschiedenen Normklassen vorgeschlagen werden. Die Kennwerte für die jeweiligen Produkte werden abhängig vom Nennstrom aufgeführt.

Testvergleich gemäß gängiger Normen

Der Vergleichstest wurde gemäß unterschiedlicher Normen durchgeführt, da die Anwendungen international (IEC) anders definiert sind, als dies zum Beispiel in den USA gemäß ANSI beziehungsweise DOE der Fall ist. Damit soll gewährleistet werden, dass

UMT-250

Bild 3: Die robusten SMD-Sicherungen eignen sich auch für enge Platzverhältnisse. Schurter

die geprüften Produkte auch alle lokalen Vorgaben einhalten (Tabelle: 1 = 2 × 50 μs Voltage / 8~20 μs Current / Combination Wave).

Schutzschaltungen

Die SMD-Sicherungen UMT 250, UMF 250 und UMT-H von Schurter sind sehr robust gegenüber hohen Einschaltspitzen dank des hohen I2t-Wertes und des hohen Ausschaltvermögens von bis zu 200 A bei der UMT 250/UMF 250 und 1500 A bei der UMT-H. Die kompakte Baugröße von 5,3 × 16 mm2 bei der UMT-H und 3 × 10,1 mm2 bei der UMT 250 und UMF 250 erlaubt, die SMD-Sicherungen auch in Geräten mit engen Platzverhältnissen einzusetzen. Sie lösen zuverlässig aus über einen großen Temperaturbereich während der gesamten Lebensdauer und haben einen niedrigen Spannungsabfall.

Marcel Schmid

Editor bei Schurter

(ah)

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