14.06.2016

Sicherer Stromkreisschutz f√ľr LEDs

Aufgrund aktueller Regulierungen sowie der Kosten- und Energieeffizienz-Vorteile nutzen immer mehr Unternehmen und √∂ffentliche Stellen LED-Beleuchtung. Doch vor allem im Au√üenbereich wie bei Leuchtreklame oder Stra√üenbeleuchtung m√ľssen sie vor Umwelteinfl√ľssen gesch√ľtzt werden. Zudem sind f√ľr zukunftsf√§hige L√∂sungen die Schnittstellen zur Au√üenwelt zu beachten.





Autor: Todd Phillips, Littelfuse



LED-Leuchten ersetzen im Außeneinsatz zunehmend herkömmliche Lichtquellen wie Quecksilberdampf-, Metallhalogenid- oder Natriumdampflampen. Laut Statistik werden 2020 in Europa 14 Milliarden Euro im LED-Markt umgesetzt werden. In diesem Jahr sind es 9 Milliarden und 2011 war es nur rund eine Milliarde Euro. Weltweit wird bereits 2018 ein Volumen von 25,9 Milliarden US-Dollar (23.3 Milliarden Euro) erreicht. Der Erfolg liegt an ihrer deutlich besseren Effizienz, Sekundäroptik und Wärmeableitung. Sie bieten zum Beispiel mehr Lumen pro Watt sowie optimierte Linsen und Reflektoren.


Sowohl bei der Lichtleistung als auch der Zuverlässigkeit fokussieren der deutsche und der europäische Markt stärker auf eine hohe Qulität bei der Lichtleistung als auch der Zuverlässigkeit der Komponenten. Dies fordern nicht nur lokale Standards und Vorschriften, sondern vor allem auch die Kunden.


So k√∂nnen die Investitionskosten f√ľr die Installation zwar erheblich sein, zahlen sich aber langfristig aufgrund geringeren Energieverbrauchs, niedrigerer Wartungskosten und l√§ngerer Lebensdauer aus. Damit sie zumindest f√ľnf Jahre lang zuverl√§ssig funktionieren, m√ľssen die Leuchten aber vor Umwelteinfl√ľssen wie Blitzschlag, Feuchtigkeit oder Hitze gesch√ľtzt werden. Entsprechend gilt der Stromkreisschutz als wichtiger Trend im LED-Markt.



Gefahren und Schutz f√ľr LED-Leuchten

Die zur Amortisierung nötige Lebensdauer der Beleuchtungskörper wird vor allem durch transiente Überspannungen in Wechselstromleitungen gefährdet. Diese können durch Blitzschläge auftreten oder auch wenn nahegelegene elektrische Geräte an- oder abgeschaltet werden. Selbst wenn sie mehrere Kilometer weit weg erfolgen, können Blitzeinschläge magnetische Felder erzeugen, die Spannungen von mehreren tausend Volt in Überland- oder Untergrundkabel induzieren.






Ein robuster Stromkreis zur Unterdr√ľckung von √úberspannungen kann in LED-Au√üenleuchten Sch√§den vermeiden. Dies steigert die Zuverl√§ssigkeit, minimiert den Wartungsaufwand und erh√∂ht die Lebensdauer der Installation. Stra√üenleuchten lassen sich zum Beispiel im Mast mit Leistungsschaltern f√ľr einen Schutz vor zu hoher Stromst√§rke versehen. Ein W√§rmeschutz innerhalb des √úberspannungsschutzmoduls sowie eine Sicherung im Netzteil erg√§nzen die Sicherungsma√ünahmen.


F√ľr den Schutz von sensibler Elektronik in LED-Au√üenleuchten vor √úberspannungen durch Blitzeinschl√§ge, ist jedoch die Ableitung von hohen Strom- und Spannungstransienten im Beleuchtungsk√∂rper erforderlich. Verschiedene √úberspannungsschutzmodule dienen zur Unterdr√ľckung der hohen Energie.


Dazu geh√∂ren Metalloxid-Varistoren (MOVs), Gasentladungsr√∂hren (GDTs) und TVS (Transient Voltage Suppression)-Dioden. Vor allem MOVs werden f√ľr den √úberspannungsschutz in Verteilerk√§sten genutzt. Dies liegt an ihrer Energiefestigkeit, der schnellen Reaktion auf Spannungstransienten sowie der kompakten Gr√∂√üe und Kosteneffektivit√§t.


Allerdings sollte beachtet werden, dass MOVs bauartbedingt nach der Absorption einer gewissen Anzahl an Überspannungen einem wear-out Effekt unterliegen. Sie bieten dann nicht mehr den gleichen Schutz wie zu Beginn Ihrer Lebensdauer. Daher sollten vom Netzteil unabhängige Überspannungsschutzmodule genutzt werden, die sich einfach austauschen lassen.



Sicherheit von LED-Modulen

Neben √úberspannungsschutz ist auch die Sicherheit der LED-Einheit im Au√üen- und Innenbereich zu gew√§hrleisten. Ein LED-Modul enth√§lt Elektronik zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, Treiber-ICs f√ľr die LEDs, eine W√§rmeableitung sowie Optiken zu Optimierung der Lichtqualit√§t. Da LED-Lampen kompatibel mit Standardfassungen f√ľr Gl√ľhbirnen sein m√ľssen, besitzen sie einen entsprechenden Stromversorgungskreis.






LED-Leuchten, die mit Wechselstrom verbunden sind, k√∂nnen durch Kurzschl√ľsse und √úberladungen besch√§digt werden, die durch Komponenten- und/oder Stromkreisausfall innerhalb der Lampe entstehen. Zus√§tzlich erzeugen Transienten durch Blitzeinschlag oder Lastschaltung, die au√üerhalb der Leuchte entstehen, Spannungsspitzen oder Ringwellen, die die Komponenten belasten und besch√§digen k√∂nnen. Um die Lebensdauer zu erh√∂hen, sind also auch im Innenbereich entsprechende Vorkehrungen f√ľr den Schutz vor Spannungstransienten n√∂tig.


Allerdings gibt es je nach Einsatzszenario unterschiedliche Anforderungen an Formfaktor, Stromst√§rke- und Spannungs-Bereiche, Ausschaltverm√∂gen und Montagem√∂glichkeiten f√ľr Gleichstromsicherungen, MOVs, TVS-Dioden, PTC (Positive Temperature Coefficient)-Widerst√§nde und Schutzger√§te f√ľr offene Stromkreise. Daher sollten Komponenten von einem Hersteller gew√§hlt werden, der sowohl f√ľr die Wechselstrom- als auch die Gleichstromseite eine gro√üe Auswahl an Varianten bietet.


Integrierte Schaltkreise k√∂nnen durch isolierte Vorspannungswindungen und Filterelemente gesch√ľtzt werden. Doch ungen√ľgender Abstand auf dem PCB, Funken√ľberschlag von physikalisch kleinen Komponenten oder √úberschl√§ge in Transformatoren und Optokopplern k√∂nnen bei nicht ausreichendem Transientenschutz zu Ausf√§llen f√ľhren. Ein gut entworfenes √úberspannungsschutzkonzept begrenzt dagegen Spannungsspitzen und Stromschl√§ge durch die Vermeidung von unbeabsichtigten Kopplungen.



Ein Blick in die Zukunft

Da der Trend im LED-Markt zu immer kleineren, kosten- und energieeffizienteren Leuchten geht, muss auch der Stromkreisschutz immer mehr verfeinert werden. Einerseits soll er immer geringere Stromst√§rken sichern, aber andererseits vor allem im Au√üenbereich hohe Transienten absorbieren. Zudem m√ľssen LED-Leuchten immer k√ľrzere Reaktionszeiten aufweisen, da sie zunehmend mit dem Internet der Dinge vernetzt werden. Eine intelligente Beleuchtung soll sich m√∂glichst schnell ein- und ausschalten lassen, um auf ge√§nderte Messdaten von Sensoren zu reagieren. Au√üerdem sollten sich Helligkeit, Richtung und Farbbereich flexibel an die jeweilige Nutzung anpassen.


Umgekehrt k√∂nnen LED-Leuchten auch Informationen an das Netzwerk weiterleiten. Solassen sich vernetzte Beleuchtungssysteme mit Kontrollleuchten an Netzwerken oder Steckdosen √ľberwachen. Dies reicht bis zum Konzept f√ľr Li-Fi, der Verwendung von LED-Leuchten f√ľr die Daten- und Energie√ľbertragung, zum Beispiel zum drahtlosen Laden von Akkus. Entsprechend sollten Ingenieure die Schnittstellen zur Au√üenwelt ber√ľcksichtigen. Zukunftsf√§hige LED-L√∂sungen nutzen aktuelle Standard-Kommunikationsprotokolle oder Kontrollsysteme f√ľr Netzwerke.


 


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