Eckdaten

Um die Zuverlässigkeit von LED-Leuchten im Outdoor-Einsatz zu verbessern, schlägt ST Microelectronics eine Schutzeinrichtung auf Thyristorbasis vor, die hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Genauigkeit bietet.

LED-Straßenleuchten gewinnen Jahr für Jahr an Verbreitung und verdrängen die bisherigen Glühlampen oder Gasentladungslampen. Machten LED-Straßenleuchten im Jahr 2013 weltweit nur 8 Prozent der insgesamt installierten Leuchten aus, werden es 2025 voraussichtlich schon 55 Prozent sein. In Indien beispielsweise beläuft sich die durch den Umstieg auf LEDs erzielte potenzielle Energieeinsparung bei der Beleuchtung kommunaler Straßen auf mehr als 8

Bild 1: Schaltbild der Überspannungsschutzschaltung (links) und Diagramm zum Funktionsprinzip (rechts)

Bild 1: Schaltbild der Überspannungsschutzschaltung (links) und Diagramm zum Funktionsprinzip (rechts) ST Microelectronics

Terawattstunden. Auf der Grundlage dieser Erhebung rief die indische Regierung im Jahr 2015 das Street Lighting National Program (SLNP) ins Leben, um Straßenleuchten auf der Basis älterer Technik durch stromsparende LED-Leuchten mit Leistungen von 18 bis 190 W zu ersetzen. Bis heute wurden landesweit insgesamt acht Millionen Leuchten ausgetauscht, denen in den kommenden Jahren mehr als 35 Millionen weitere folgen werden. Das vom SLNP definierte Missionsprofil sieht ein qualitativ hochwertiges LED-Design mit einer Mindestlebensdauer von 50.000 Stunden vor. Außerdem müssen die Hersteller eine siebenjährige Garantie bieten.

Um diese Zuverlässigkeit zu erreichen, müssen mehrere Bedingungen hinsichtlich der Sicherheit und der elektrischen Konformität erfüllt werden. Zu den größten Herausforderungen zählt die Beständigkeit gegen Überspannungen. Das Bureau of Indian Standard verlangt für klassische LED-Treiber einen Mindestwert von 4 kV gemäß der Norm IEEE C64.41.2-2002. Angesichts der Tatsache, dass Straßenleuchten unter sehr rauen Umgebungsbedingungen – unter anderem mit einem hohen Risiko von Blitzeinschlägen – eingesetzt werden, sowie unter Berücksichtigung der recht hohen Lebensdauererwartung sollten die Treiber so ausgelegt werden, dass sie den zu erwartenden Belastungen standhalten. Um die Zuverlässigkeit der LED-Stromversorgung zu verbessern, wird in der Regel ein Überspannungstest mit 6 oder 8 kV empfohlen. ST Microelectronics schlägt die Verwendung einer Schutzeinrichtung auf Thyristorbasis vor, die sich gegenüber den derzeit als Stand der Technik geltenden Lösungen durch mehr Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Genauigkeit auszeichnet.

Umgang mit Überspannungen

Die klassische Strategie zum Umgang mit Überspannungen ist die Crowbar-Funktion. Dabei wird die Überspannung üblicherweise mithilfe eines Metalloxid-Varistors (MOV) auf einen bestimmten Wert geklemmt, um die anschließende Gleichspannung abzusichern. Die MOSFETs des verwendeten Wandlers verkraften beispielsweise meist Spannungen von maximal 800 V. Allerdings bieten MOVs nur eine eingeschränkte Zuverlässigkeit, was die maximal zulässige Leistung und die Wiederholungshäufigkeit angeht. Tatsächlich wird die Überspannungsfestigkeit von MOVs mit einer Derating-Kurve für den Maximalstrom und die Anzahl der Spannungsimpulse angegeben (Alterungseffekt). Oberhalb dieses Grenzwerts kommt es bei MOVs zu elektrischen Ausfällen mit Verschlechterungen des Leckstroms und der Klemmspannung. Sobald die Klemmspannung eines MOV unter die AC-Netzspannung abgesunken ist, beginnt er ständig zu leiten und brennt durch. MOVs werden deshalb nicht für Anwendungen empfohlen, in denen eine große Zahl starker Überspannungen auftreten kann. Nicht zuletzt sind die hohen Kosten, die der Austausch von Modulen an Straßenleuchten verursacht, ein großer Anreiz, hier Verbesserungen zu erzielen.

Zur Bewältigung der gerade skizzierten Herausforderungen schlägt ST Microelectronics eine Schaltung vor, die es neben anderen Vorteilen ermöglicht, jegliches Risiko eines durchbrennenden MOV aus Sicherheitsgründen auszuschließen. Bild 1 zeigt das Schaltbild der Lösung, deren Grundlage ein für 50 A und 600 V ausgelegter Hochtemperatur-Thyristor (beziehungsweise SCR für Silicon-Controlled Rectifier) des Typs TN5015H-6I ist. In dieser Schaltung triggert der Thyristor die Schutzfunktion, eine Transil-Diode regelt die Ansprechspannung der Schutzfunktion und der MOV absorbiert die im Spannungsimpuls enthaltene Energie. Es handelt sich bei allen Bauelementen um ab Lager lieferbare Leistungsbausteine.

Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Kommt es auf dem Wechselstromnetz zu einer blitzschlagbedingten Überspannung (zum Beispiel mit der standardmäßigen Wellenform 1,2/50 µs), so steigt die Spannung am DC-Bus der Applikation steil an. Solange die Gleichspannung unter der Durchbruchspannung der Transil-Diode bleibt, schaltet der Thyristor nicht ein. Übersteigt die Gleichspannung jedoch die Durchbruchspannung der Transil-Diode, so fließt ein Strom durch diese Diode und das Gate des Thyristors. Erreicht dieser Strom den minimal erforderlichen Gatestrom (IGT) des Thyristors (im Fall des TN5015H-6I sind es 15 mA), so schaltet dieser ein. Hierdurch gelangt die Überspannung an den MOV, der die mit der Überspannung einhergehende Energie absorbieren kann. Der von der Belastung verursachte Überstrom, der als standardmäßiger Stromimpuls der Wellenform 8/20 µs definiert ist, fließt über den MOV und den in Reihe geschalteten Thyristor.

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