14.06.2016

Sicherer Stromkreisschutz für LEDs

Aufgrund aktueller Regulierungen sowie der Kosten- und Energieeffizienz-Vorteile nutzen immer mehr Unternehmen und öffentliche Stellen LED-Beleuchtung. Doch vor allem im Außenbereich wie bei Leuchtreklame oder Straßenbeleuchtung müssen sie vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Zudem sind für zukunftsfähige Lösungen die Schnittstellen zur Außenwelt 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 können die Investitionskosten für die Installation zwar erheblich sein, zahlen sich aber langfristig aufgrund geringeren Energieverbrauchs, niedrigerer Wartungskosten und längerer Lebensdauer aus. Damit sie zumindest fünf Jahre lang zuverlässig funktionieren, müssen die Leuchten aber vor Umwelteinflüssen wie Blitzschlag, Feuchtigkeit oder Hitze geschützt werden. Entsprechend gilt der Stromkreisschutz als wichtiger Trend im LED-Markt.



Gefahren und Schutz für 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 Unterdrückung von Überspannungen kann in LED-Außenleuchten Schäden vermeiden. Dies steigert die Zuverlässigkeit, minimiert den Wartungsaufwand und erhöht die Lebensdauer der Installation. Straßenleuchten lassen sich zum Beispiel im Mast mit Leistungsschaltern für einen Schutz vor zu hoher Stromstärke versehen. Ein Wärmeschutz innerhalb des Überspannungsschutzmoduls sowie eine Sicherung im Netzteil ergänzen die Sicherungsmaßnahmen.


Für den Schutz von sensibler Elektronik in LED-Außenleuchten vor Überspannungen durch Blitzeinschläge, ist jedoch die Ableitung von hohen Strom- und Spannungstransienten im Beleuchtungskörper erforderlich. Verschiedene Überspannungsschutzmodule dienen zur Unterdrückung der hohen Energie.


Dazu gehören Metalloxid-Varistoren (MOVs), Gasentladungsröhren (GDTs) und TVS (Transient Voltage Suppression)-Dioden. Vor allem MOVs werden für den Überspannungsschutz in Verteilerkästen genutzt. Dies liegt an ihrer Energiefestigkeit, der schnellen Reaktion auf Spannungstransienten sowie der kompakten Größe und Kosteneffektivität.


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 Überspannungsschutz ist auch die Sicherheit der LED-Einheit im Außen- und Innenbereich zu gewährleisten. Ein LED-Modul enthält Elektronik zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, Treiber-ICs für die LEDs, eine Wärmeableitung sowie Optiken zu Optimierung der Lichtqualität. Da LED-Lampen kompatibel mit Standardfassungen für Glühbirnen sein müssen, besitzen sie einen entsprechenden Stromversorgungskreis.






LED-Leuchten, die mit Wechselstrom verbunden sind, können durch Kurzschlüsse und Überladungen beschädigt werden, die durch Komponenten- und/oder Stromkreisausfall innerhalb der Lampe entstehen. Zusätzlich erzeugen Transienten durch Blitzeinschlag oder Lastschaltung, die außerhalb der Leuchte entstehen, Spannungsspitzen oder Ringwellen, die die Komponenten belasten und beschädigen können. Um die Lebensdauer zu erhöhen, sind also auch im Innenbereich entsprechende Vorkehrungen für den Schutz vor Spannungstransienten nötig.


Allerdings gibt es je nach Einsatzszenario unterschiedliche Anforderungen an Formfaktor, Stromstärke- und Spannungs-Bereiche, Ausschaltvermögen und Montagemöglichkeiten für Gleichstromsicherungen, MOVs, TVS-Dioden, PTC (Positive Temperature Coefficient)-Widerstände und Schutzgeräte für offene Stromkreise. Daher sollten Komponenten von einem Hersteller gewählt werden, der sowohl für die Wechselstrom- als auch die Gleichstromseite eine große Auswahl an Varianten bietet.


Integrierte Schaltkreise können durch isolierte Vorspannungswindungen und Filterelemente geschützt werden. Doch ungenügender Abstand auf dem PCB, Funkenüberschlag von physikalisch kleinen Komponenten oder Überschläge in Transformatoren und Optokopplern können bei nicht ausreichendem Transientenschutz zu Ausfällen führen. Ein gut entworfenes Überspannungsschutzkonzept begrenzt dagegen Spannungsspitzen und Stromschläge 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 Stromstärken sichern, aber andererseits vor allem im Außenbereich hohe Transienten absorbieren. Zudem müssen LED-Leuchten immer kürzere Reaktionszeiten aufweisen, da sie zunehmend mit dem Internet der Dinge vernetzt werden. Eine intelligente Beleuchtung soll sich möglichst schnell ein- und ausschalten lassen, um auf geänderte Messdaten von Sensoren zu reagieren. Außerdem sollten sich Helligkeit, Richtung und Farbbereich flexibel an die jeweilige Nutzung anpassen.


Umgekehrt können LED-Leuchten auch Informationen an das Netzwerk weiterleiten. Solassen sich vernetzte Beleuchtungssysteme mit Kontrollleuchten an Netzwerken oder Steckdosen überwachen. Dies reicht bis zum Konzept für Li-Fi, der Verwendung von LED-Leuchten für die Daten- und Energieübertragung, zum Beispiel zum drahtlosen Laden von Akkus. Entsprechend sollten Ingenieure die Schnittstellen zur Außenwelt berücksichtigen. Zukunftsfähige LED-Lösungen nutzen aktuelle Standard-Kommunikationsprotokolle oder Kontrollsysteme für Netzwerke.


 


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