Schutz des Stromkreises von der Stromzufuhr bis zur LED-Leuchte

Nach dem EU-weiten Verbot von Glühbirnen sollten eigentlich Sparlampen das Erbe antreten, doch inzwischen setzen sich immer mehr die LEDs (Light Emitting Diodes) durch. Auch diese besitzen einen geringen Energieverbrauch und stehen für immer niedrigere Preise zur Verfügung. Daher werden sie inzwischen in vielfältigen Anwendungen eingesetzt, häufig auch im Außeneinsatz. Dazu gehören Werbetafeln, Signalanlagen, Gebäude- oder Brückenbeleuchtungen sowie Orientierungsleuchten auf Flughäfen. Die Vorteile der LED-Beleuchtung sind hier eine äußerst lange Lebensdauer und hohe Energieeffizienz. Zudem steht sie in verschiedenen Farben zur Verfügung.

Die PLED-Schutzkomponenten bieten sowohl Überspannungsschutz als auch die Gewährleistung der weiteren Funktion der Kette.Littelfuse

Jedoch ist die LED-Beleuchtung im Außenbereich anfällig, vor allem für thermo-mechanische Belastungen, eine der häufigsten Ursachen für die Trennung einer LED vom Stromkreis. Zudem können Überladungen aufgrund von nahen Blitzeinschlägen oder elektrostatischen Entladungen zu Beschädigungen einer LED führen. Ist sie Bestandteil einer Kette, kann diese auf der gesamten Länge ausfallen. Im Fall von sicherheitstechnischen Anlagen, etwa bei der Beleuchtung von Start- und Landebahnen oder Verkehrsschildern, kann dies die Gefährdung von Menschenleben zur Folge haben.

Zum Schutz von LED-Leuchten im Außeneinsatz stand bis vor kurzer Zeit nur eine Handvoll Lösungen bereit. Zudem existierten nur wenige Möglichkeiten für die Sicherung von LED-Ketten, auch wenn dafür inzwischen mit den offenen LED-Schutzkomponenten eine neue Gerätegruppe bereitsteht. Deren Nutzen hat sich bislang aber noch nicht breit herumgesprochen, obwohl der Schutz von LEDs innerhalb eines Produkt-Designs sehr wichtig ist. Doch wie lassen sich Techniken wie Überspannungsschutz und offene LED-Schutzkomponenten in das Leuchtendesign integrieren?

Wo sind die sensiblen Stellen?

LEDs sind Niederspannungsgeräte. Das bedeutet, die Flussspannung liegt meist im Bereich von 2,7 V für rot bis etwa 4,1 V für blau. Da sie als Einzelleuchte nur sehr wenig Helligkeit erzeugen, sind Hochleistungs-LEDs meist in Ketten von fünf bis zwanzig Leuchten geschaltet und werden mit konstantem Strom betrieben. Die einheitliche Energieversorgung sorgt für eine gleichmäßige Helligkeit der LEDs und erleichtert die Steuerung der gesamten Kette.

Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber harten Umweltbedingungen benötigen LEDs im Gegensatz zu Innenräumen besondere Schutzmaßnahmen für ihre Elektronik.Littelfuse

Temperatur- oder starke Feuchtigkeitsschwankungen können LEDs jedoch beschädigen, da ihre Elektronik nicht sehr robust ist. Eine mögliche Folge ist der Ausfall der gesamten Kette. Für große Lichtinstallationen an Gebäuden, die aus tausenden LED-Ketten bestehen, mag der Ausfall eines Elements keine erhebliche Rolle spielen, für sicherheitstechnische Anlagen an Straßen dagegen schon. Als besonders anfällig erweisen sich dabei der Gleichspannungswandler, die Wechselstromleitung und die LEDs an sich. Diese drei wichtigen Bereiche gilt es besonders zu schützen.

Der Gleichspannungswandler

Um eine bestmögliche Helligkeit, Intensität und Farbe zu erreichen, werden LEDs meist in Reihe geschaltet und über eine konstante Energiequelle versorgt. Der Strom wird durch einen Gleichspannungswandler (DC/DC) bereitgestellt, der damit auch einen wichtigen Bestandteil des gesamten LED-Stromkreises bildet. Aus diesem Grund sollte im DC-Teil unbedingt eine Hochspannungs-DC-Sicherung integriert sein, die bei Überstrom den Stromkreis trennt.

Selbst ein integrierter Metalloxid-Varistor (MOV) lässt aufgrund seiner Ansprechzeit einen Teil des Überspannungsstroms durch. Dies kann zu Beschädigungen im LED-Treiber oder den LEDs führen. Um diese Ströme entsprechend abzuleiten, empfiehlt sich die Verwendung einer feiner abgestimmten Klemmkomponente mit kürzerer Reaktionszeit am Gleichrichter, etwa einer TVS-Diode (Transient Voltage Suppression) zum Schutz des Oszillators im Gleichspannungswandler.

Sicherung für Wechselstromleitung genau prüfen

Meist enthält die LED-Beleuchtung ein Schaltnetzteil (SNT), das deutlich besser geschützt werden muss als ein linear geregeltes Trafonetzteil. Daher ist die Größe der Sicherung für die Wechselstromleitung (AC) genau zu prüfen. Diese reagiert äußerst empfindlich auf transiente Überspannungen, insbesondere wenn sie durch Blitze ausgelöst werden und 3 bis über 10 kA erreichen. Aus diesem Grund sind Leitungssicherungen so zu bemessen, dass sie sich selbst während eines Gewitters nicht unerwünscht ausschalten.

Die wichtigsten Kriterien für die Auswahl der Sicherung sind Stromstärke, Spannung und Stromwärmewerte (I²t-Werte). Die I²t‑Werte definieren die Energiemenge, die Sicherungen unmittelbar standhalten können, ohne durchzuschmelzen und dadurch den Schaltkreis zu unterbrechen. Um Blitz-Überspannungen auszuhalten, muss die Sicherung einen entsprechend hohen Stromwärmewert besitzen. Dieser lässt sich durch eine höhere Strombelastungs- oder Zeitverzögerungsrate der Sicherung erreichen. Dann bleibt die LED-Beleuchtung auch während eines Gewitters in Betrieb.

Eine Alternative zum Schutz des Schaltnetzteils bietet die Verwendung eines MOVs. Der spannungsabhängige elektrische Widerstand ist parallel mit der Stromleitung oder dem zu schützenden Modul angeordnet und unterdrückt die Überspannung im Eingangskreis. Denn je höher die Spannung, desto niedriger ist der Widerstandwert des MOV. So leitet er die Überspannung von der Stromversorgung ab. MOVs zum Schutz vor Überspannungen sind jedoch nur ein zusätzliches Mittel zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. Dagegen zählen die Sicherungen gegen Überstrom zu den vorgeschriebenen Technologien.

Schutz der LEDs

Bei der LED selbst stellt vor allem die Verkabelung eine Schwachstelle dar. Denn Alterung, Hitze oder Vibrationen können hier kurz- oder langfristig zu Schäden führen. Als vorbeugende Maßnahme lässt sich parallel mit jeder LED in der Kette eine offene LED-Schutzkomponente integrieren. Dies ist ein elektronischer Widerstand, der bei Beschädigung des entsprechenden Kabels den Strom um die betroffene Stelle leitet. Damit bleiben selbst beim Ausfall einer Leuchte die anderen LEDs weiter in Betrieb.

Littelfuse bietet mit den PLED-Schutzkomponenten sowohl Überspannungsschutz als auch die Gewährleistung der weiteren Funktion der Kette, sollte eine LED ausfallen. Diese Komponenten bestehen aus einem durch höhere Spannung ausgelösten Schalter. Sobald eine LED ausfällt, genügt die Spannung, um die Schutzvorrichtung anzuschalten, da sie parallel mit der LED platziert ist. Nach dem Auslösen wird der PLED zu einem niederohmigen Schalter, um den Stromverbrauch möglichst weitgehend zu reduzieren. Dann trägt er die volle Stromstärke der Kette mit einem Spannungsabfall von etwa 1,3 V. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht ein PLED lediglich einige Mikroampere und übt daher auf den Stromkreis keinen Einfluss aus.

Zudem enthalten PLEDs Rückstromdioden zum Schutz der LED-Kette, wenn die Stromversorgung mit falscher Polarität angeschlossen wird. Offene LED-Schutzkomponenten funktionieren auch gut mit verschiedenen Methoden zum Dimmen von LEDs per PWM. In der Regel werden PLED-Komponenten über jede LED in einer Kette geschaltet. Es gibt aber auch Schutzkomponenten, die über zwei oder drei LEDs reichen. Diese kosten zwar weniger, jedoch bleiben beim Ausfall einer Leuchte dann entsprechend die zweite und dritte LED ebenfalls dunkel.

Einsatz einer austauschbaren Schutzkomponente

Bei LED-Beleuchtungen im Außenbereich, insbesondere an Straßen und Parkplätzen, werden immer häufiger integrierte austauschbare Komplettmodule verwendet. Sie sind wartungsfreundlich und gewährleisten eine langfristige Zuverlässigkeit. Durch die Nutzung eines Überspannungsableiters lassen sich alle drei der für umfassenden Schutz notwendigen MOVs integrieren. Zudem kann der Ableiter einen MOV-Wärmeschutz enthalten. Das Bauteil ist normalerweise parallel mit der Stromzufuhr verbunden. Jedoch stehen seit kurzem auch Modelle zur Verfügung, die in Reihe geschaltet sind. Dann wird bei aktiviertem Wärmeschutz die Leuchte von der Stromzufuhr getrennt. In diesem Fall lässt sich dann auch gut erkennen, wann ein Überspannungsableiter auszutauschen ist.

(ah)