Autor: Faraz Hasan, Tyco Electronics Circuit Protection Products

Die rasante Entwicklung der LED-Technologie ermöglichte Chip-Designs und Materialien, mit welchen sich hellere, langlebigere Lichtquellen mit besserer Energieeffizienz entwickeln lassen, die sich für die verschiedensten Einsatzgebiete eignen. Trotz der zunehmenden Beliebtheit dieser Technologie sind Hersteller von LED-Lichtquellen immer noch mit der extremen Hitzeempfindlichkeit von LED-Leuchten konfrontiert. Übermäßig hohe Temperaturen unter falsche Anwendungen können sich dramatisch auf Lebensdauer und Leistung der LED-Leuchtkörper auswirken.

Rücksetzbare PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient) Bausteine konnten ihre Wirksamkeit bei den verschiedensten LED-Beleuchtungsanwendungen beweisen. Ähnlich wie herkömmliche Sicherungen können sie bei Überschreitung der spezifizierten Grenzwerte den Strom begrenzen. Anders als Sicherungen lassen sich PPTC-Bauteile nach Behebung des Fehlers und dem Ab- und erneuten Einschalten der Versorgungsspannung zurücksetzen.

Um die LED-Leistung und -Zuverlässigkeit zu verbessern, kann man eine Reihe von Überspannungs-Schutzbausteinen wie zum Beispiel Metalloxid-Varistoren (MOVs), ESD-Schutzbausteine und Polymer-enhanced Zenerdioden in einem koordinierten Schutzkonzept zusammen mit PPTC-Bausteinen einsetzen.

Vergleich der Wärmeleitung 

Eine Leuchte mit einer 60 W Glühbirne erzeugt eine Lichtdichte von ungefähr 900 Lumen und muss 3 W Verlustleistung in Form von Wärme ableiten. Wollte man die gleichen 900 Lumen mit Hilfe typischer Gleichstrom-LEDs als Lichtquellen erzielen, so würde man dafür circa 12 LEDs benötigen. Bei einer angenommenen Durchgangsspannung VF von 3,2 V und einem Strom von 350 mA errechnet sich der Leistungsbedarf für die LED-Leuchte wie folgt:

Leistung = 12 x 3,2 V x 350 mA = 13,4 W

Bei diesem Szenario werden ungefähr 20 % der Eingangsleistung in Licht und 80 % in Wärme umgewandelt. Eine Reihe von Faktoren sind dafür verantwortlich: Die Wärmeerzeugung wird bedingt durch Unregelmäßigkeiten im Substrat sowie durch die Photonen-Abstrahlung, Bindungsenergien oder durch verwendete Materialien usw.

Von der gesamten, durch LED erzeugten Wärme werden 90 % per Wärmeleitung übertragen. Abbildung 1 zeigt, dass zur Ableitung der Wärme von der LED-Sperrschicht die Wärmeleitung der dominante Übertragungsweg ist, weil Konvektion und Abstrahlung nur ungefähr 10 % der gesamten Wärmeübertragung ausmachen. So kann eine LED zum Beispiel 10,72 W Wärmeleistung (13,4 W x 0,80) entwickeln. Davon werden 9,648 W (13,4 W x 0,90) per Wärmeleitung von der Sperrschicht abgeleitet.

 Bild 1: Vergleich der Wärmeabgabe bei verschiedenen Lichtquellen

Ohne eine geeignete Wärmeabführung kann Hitze die Lebensdauer einer LED verkürzen und das Farbverhalten beeinträchtigen. Weil die LED-Treiber Halbleiterbausteine sind, können sie Kurzschlüsse erzeugen. Dementsprechend kann ein Überstrom-Schutz als Ausfallsicherung erforderlich sein.

Auswirkungen der Sperrschichttemperatur

Das optische Verhalten einer LED ist stark temperaturabhängig. Mit zunehmender Sperrschicht-Temperatur sinkt die Menge des von der LED abgestrahlten Lichtes, und bei manchen Technologien ist auch die abgestrahlte Wellenlänge temperaturabhängig. Bei unzureichender Kontrolle des Treiberstroms und der Sperrschichttemperatur, kann der LED-Wirkungsgrad schnell abnehmen, was zu verringerter Helligkeit und kürzerer Lebensdauer führt.

Bild2: Mit zunehmender Sperrschichttemperatur sinkt die Durchlassspannung Tj

Ein weiterer mit der Sperrschichttemperatur verbundener LED-Kennwert ist die LED-Durchlassspannung (siehe Bild 2). Verwendet man zur Steuerung des Treiberstroms nur einen einfachen Vorwiderstand, dann sinkt VF mit steigender Temperatur und bei zunehmendem Treiberstrom. Dies kann vor allem bei Hochleistungs-LEDs zu thermischer Instabilität und zum Bauteil-Ausfall führen. Eine schnelle Wärmeableitung zur Kontrolle der Sperrschicht-Temperatur lässt sich erreichen, indem man die LEDs auf Leiterplatten mit Metallkern bestückt.

Transienten und plötzliche Spannungsanstiege aus den Versorgungsleitungen können die LED-Lebensdauer ebenfalls verringern. Zudem reagieren viele LED-Treiber empfindlich auf Schäden, die von falschen Gleichspannungspegeln und verpolten Spannungen herrühren. Auch Kurzschlüsse können zu Schäden oder Zerstörung an den Ausgängen von LED-Treiberschaltungen führen. Die meisten LED-Treiberschaltungen enthalten integrierte Sicherheitsfunktionen wie etwa eine Übertemperatur-Abschaltung sowie die Erkennung von LED-Unterbrechungen und Kurzschlüssen. Womöglich sind aber zum Schutz integrierter Schaltungen und anderer empfindlicher elektronischer Komponenten zusätzliche Überstrom-Schutzbauteile erforderlich. 

Ein- und Ausgangsschutz für LED-Treiberschaltungen

LEDs arbeiten mit Konstantstrom, wobei die Durchlassspannung je nach Farbe und Strom zwischen weniger als 2 V und 4,5 V variiert. In älteren Designs übernahmen einfache Widerstände die Begrenzung des LED-Treiberstroms. Würde bei neuen LED-Schaltungsdesigns aber der typische, vom Hersteller spezifizierten Durchgangsspannungsabfall verwendet werden, so könnte dies die LED-Treiberschaltung überhitzen.

Überhitzungen können auftreten, wenn in die LED-Durchgangsspannung auf Werte erheblich unterhalb der typischen, spezifizierten Spannung absinkt. Dabei vergrößert sich die Spannung über die LED-Treiberschaltung, was zu einer höheren Gesamt-Verlustleistung im Treiber-Gehäuse führt.

Um die Verlustleistung in der LED-Treiberschaltung zu kontrollieren, verwendet man in den meisten modernen LED-Anwendungen Stromwandler- und Steuerbauteile. Diese stellen die Verbindung zu verschiedenen Spannungsquellen wie etwa dem Stromnetz, einem Solarpanel oder einer Batterie-Stromversorgung her. Zum Schutz dieser Verbindungen gegen Überstrom- und Übertemperaturschäden kommen meist rücksetzbare PPTC-Bausteine zum Einsatz.

Bei normalen Betriebsströmen ist der PPTC-Baustein niederohmig. Im Falle eines Überstrom-Zustands "löst" der Baustein aus und wird hochohmig. Durch diesen vergrößerten Widerstand schützt der Baustein die Schaltung, indem er den Fehlerstrom auf einen niedrigen, stabilen Wert verringert. Der Baustein bleibt in diesem Zustand verriegelt, bis der Fehler behoben wird. Nach Ab- und erneutem Einschalten der Versorgungsspannung kehrt der PPTC-Baustein in seinen Ursprungszustand zurück und ermöglicht wieder einen normalen Stromfluss, so dass die Schaltung wieder normal arbeiten kann.

Zwar können PPTC-Bausteine den Fehler nicht verhindern, sie reagieren aber schnell und begrenzen dabei den Strom auf einen sicheren Wert, was Folgeschäden an dahinter geschalteten Komponenten vermeidet. Darüber hinaus lassen sich die PPTC-Bausteine dank ihres kleinen Formfaktors einfach auch in Anwendungen mit begrenztem Platzangebot einsetzen.

Bild 3 zeigt ein koordiniertes Schutzkonzept für Schaltnetzteile und LED-Treiber Ein- und Ausgänge. Wie links in der Abbildung zu sehen, kann man einen PPTC-Baustein (z.B. Eine PolySwitch™-Komponente) in Reihe zur Netzspannung schalten, was Schutz vor Schäden durch elektrische Kurzschlüsse an überlasteten Schaltungen oder Bedienerfehler bietet. Zusätzlich ermöglicht ein parallel zum Netzspannungseingang geschalteter MOV einen Überspannungsschutz für das LED-Modul.

Der PPTC-Baustein lässt sich auch hinter dem MOV anordnen. Viele Gerätehersteller bevorzugen Schaltungen mit einer Kombination aus rücksetzbaren PPTC-Bauteilen und vorgeschalteten Schutzschaltungen. Im vorliegenden Beispiel dient R1 neben der Schutzschaltung als zusätzlicher Vorschaltwiderstand.

LED-Treiber lassen sich leicht durch falsche Gleichstrompegel oder Verpolung beschädigen. Auch unbeabsichtigte Kurzschlüsse können zu Schäden oder Zerstörungen an den Ausgängen führen. Auch Schnittstellen mit Versorgungsspannung reagieren empfindlich auf gefährliche, zum Beispiel durch elektrostatische Entladungen bedingte Überspannungs-Transienten.

Rechts in Bild 3 ist ein koordiniertes Schaltungsschutz-Design für eine Anordnung aus LED-Treibern und -Leuchten zu sehen. Ein PolyZen™-Baustein am Treiber-Eingang bietet dem Entwickler die gleichen Vorteile wie eine herkömmliche Klemmdiode, ohne dass dafür der Einsatz eines größeren Kühlkörpers nötig wäre. Dieses von Tyco Electronics entwickelte, innovative Design mit Präzisions-Zenerdiode und Polymer-Schutzfunktion ermöglicht in einem einzigen, kompakten Gehäuse die Unterdrückung von Spannungs-Transienten und bietet zugleich Schutz gegen Verpolung und Überströme.

Ein PolySwitch PPTC-Bauteil am Treiber-Ausgang schützt vor unbeabsichtigten Kurzschlüssen und anderen ungewöhnlichen Lastzuständen (siehe Bild 3). Um das PolySwitch Bauteil komplett auszureizen, lässt es sich thermisch mit dem Metallkern der Leiterplatte oder mit dem LED-Kühlkörper verbinden. Als Schutz vor elektrostatischen Entladungen können zum Beispiel ESD-Schutzbausteine mit niedriger Kapazität (typisch 0,25 pF) in Form kompakt aufgebauter PESD-Bausteinen parallel zu den LEDs geschaltet werden.

Bild 3: Koordiniertes Schutzkonzept unter Verwendung von PolySwitch PPTC- und MOV-Bausteinen für Schaltnetzteile (links) sowie Schutzschaltung aus PolyZen, PolySwitch und PESD-Bausteinen für LED-Treiber Ein- und Ausgänge (rechts)

Anforderungen für Netzteil-Sicherheitsstandards der Klasse 2

Die Nutzung einer Spannungsquelle der Klasse 2 in einem Beleuchtungssystem kann eine wichtige Rolle bei der Senkung der Kosten und der Verbesserung der Flexibilität spielen. Konstruktionsbedingt limitierte Spannungsquellen wie ein Transformator, eine Stromversorgung oder eine Batterie können Schutzbausteine enthalten, solange diese nicht zur Begrenzung der Ausgangsspannung bei den Klasse 2 Stromversorgungen dienen.

Stromversorgungen ohne konstruktionsbedingte Begrenzung besitzen per Definition einen diskreten Schutzbaustein, der das Ausgangssignal automatisch unterbricht, sobald der Strom und die Ausgangsleistung einen vorgegebenen Wert überschreiten.

Eine Reihe von Schaltungsschutz-Bausteinen bieten sich für den Betrieb von Klasse 2 Stromversorgungen für LED-Beleuchtungsanwendungen an. Bild 4 zeigt, wie sich mit einer koordinierten Schaltungsschutz-Strategie mit einem MOV am Netzeingang und einem PolySwitch-Baustein in einem Zweig der Ausgangsschaltung die Anforderungen von UL1310 Abs. 35.1 für den Überlast-Test von Schaltern und Steuerelementen erfüllen lassen.

Bild 4: Koordiniertes Schutzkonzept für Stromversorgungen der Klasse 2

Fazit

Rücksetzbare PPTC-Bausteine schützen vor Überstrom- und Übertemperaturschäden bei LED-Leuchtenanwendungen. Mit MOV Überspannungs-Schutzbausteinen können Hersteller zahlreiche Sicherheitsvorschriften erfüllen. Die Bausteine eignen sich für hohe Ströme und Leistungen, und bieten eine kurze Reaktionszeit für Überspannungs-Transienten.

ESD-Schutzbausteine schützen vor elektrostatische Entladungen und bieten niedrige Kapazitätswerte. PolyZen-Bausteine von Tyco Electronics bieten Schutz vor Schäden, die durch falsche Netzteile verursacht werden können. Die Bausteine können Spannungs-Transienten unterdrücken und eignen sich zum Schutz gegen Verpolungs- und Überstromschäden.

Durch die Nutzung dieser Bausteine in einem koordinierten Schaltungsschutz-Konzept lässt sich die Bauteilanzahl verringern. Zugleich gewährleisten die Bausteine die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Endprodukts; sie sichern die Einhaltung technischer Vorschriften und helfen, die Garantie- und Reparaturkosten zu senken.