Bauelemente Gut behütetes Licht

LEDs leisten einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Energieaufnahme von Lampen im Innen- und Außenbereich. Sie verbrauchen nicht nur viel weniger Strom als konventionelle Lichtquellen, sondern bieten auch eine weitaus längere Lebensdauer, die bis zu 80.000 Stunden und, unter idealen Betriebsbedingungen, noch mehr betragen kann. Im gleichen Zeitraum müssten die Leuchtmittel konventioneller Beleuchtungssysteme bereits mehrere Male ausgetauscht werden. LEDs führen so zu niedrigeren Wartungskosten und infolgedessen zu geringeren Gesamtbetriebskosten. Die größten Gefahren für LED-Leuchten sind jedoch:

• Elektrostatische Entladungen (ESD) – einschließlich Blitzeinschlag,

• Überströme und Stoßstrombelastungen,

• Strom- und Spannungsspitzen beim Austausch während des Betriebs,

• Verpolungen und

• Übertemperatur.

Wenn LED-Beleuchtungssysteme so zuverlässig und langlebig wie die Leuchtdioden selbst sein sollen, dann sind alle Bauelemente und Teilsysteme vor Gefahren, die bei Montage, Wartung und während des Betriebs auftreten können, wirkungsvoll zu schützen.

LED-Beleuchtung gut geschützt

Unternehmen und Gebäudeverwaltungen setzen zunehmend auf intelligent vernetzte Beleuchtungssysteme, die Wirkungsgrad und Qualität der Beleuchtung optimieren, den Status der einzelnen Leuchten anzeigen sowie Fernsteuerung und -wartung ermöglichen. Das bedeutet, dass Stromversorgung und Schnittstellen für die Kommunikation ebenfalls in den Leuchten integriert sein müssen. Das Energieniveau der ESD-Störungen und Stoßstrombelastungen, dem diese Teilsysteme ausgesetzt sind, definiert, welche Schutzvorrichtungen erforderlich sind, um die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems aufrechtzuerhalten – also alle Elemente, aus denen eine LED-Leuchte besteht. Das sind unter anderem das LED-Modul (LED-Array, -Treiber und Steuerung), die LED-Stromversorgung und der Netzanschluss.

Varistoren der Baureihe SIOV von Epcos bieten sich für den Überspannungsschutz an. Gerade für den Schutz der Stromversorgungen in LED-Systemen vor größeren Energiestößen von bis zu 750 J eignen sind diese Metalloxid-
Varistoren geeignet. Die SIOV-Varistoren der neuen Baureihen B20* und B25* wurden entwickelt, um einen Schutz vor Stoßspannungs-/Stoßstrombelastungen bis
10 kV/ 10 kA gemäß ANSI/IEEE C62.41.2 und gemäß der Modellspezifikation für LED-Straßenbeleuchtungen zu gewährleisten. Die genannte Norm wurde vom MSSLC-Konsortium des US-amerikanischen Energieministeriums spezifiziert. Diese Baureihen umfassen drei beziehungsweise vier SIOV-Varistoren, die im gleichen Gehäuse kombiniert sind. Aktuell verfügbar sind die Baureihen B20* und B25* für eine maximale Betriebsspannung von 320, 420 und 510 V.

Die Thermo-Fuse-Varistoren der T-Serie des Herstellers bestehen aus einem Scheibenvaristor, der mit einer Thermosicherung im gleichen Gehäuse in Reihe geschaltet ist. Sie kommen für den Schutz am Netzeingang in Frage. Bei einer Überhitzung des Varistors trennt die in einem Spezialkunststoff gekapselte Thermosicherung den Varistor vom Netz. So wird eine Rauchentwicklung oder in schlimmeren Fällen sogar ein Brand verhindert. Die Varistoren der T-Serie besitzen eine Stoßstrom-Belastbarkeit von bis zu 10.000 A und eine maximale Energieabsorptionsfähigkeit von 440 J für 2 ms.

Sicher vor energiearmer ESD

Traditionell hat man TVS-Dioden eingesetzt, um Stromkreise vor elektrostatischen Entladungen unter 25 J zu schützen. Allerdings werden aufgrund der geforderten kompakten Abmessungen, der geringen Bauhöhe, der zuverlässigen Leistung über einen breiten Temperaturbereich und der kurzen Ansprechzeiten immer höhere Anforderungen an den ESD-Schutz gestellt. Vielschichtvaristoren wie die der Epcos-Familie CeraDiode von bieten im Vergleich zu konventionellen TVS-Dioden einige Vorteile und werden in diesem Energiebereich zunehmend als Lösung für den ESD- und Stoßspannungsschutz bevorzugt. CeraDioden lassen sich sehr effektiv einsetzen, um die Absorptionsanforderungen in Bezug zur Größe des Bauelements zu erfüllen.

Für das LED-Modul sind viele Konfigurationen denkbar. Es kann aus mehreren Hunderten LEDs bestehen, die in Form von in Serie oder parallel geschalteten Reihen oder als Kombination von beiden angeschlossen sind. Bei den in Serie geschalteten Reihen besteht allerdings die Gefahr, dass bei einem Ausfall einer einzelnen LED die ganze Reihe ausfällt, so dass die Beleuchtungsstärke erheblich sinkt. Durch ihre geringe parasitäre Kapazität ist die CeraDiode auch für den ESD-Schutz der Datenleitungen geeignet, die der Steuerung der Leuchten dienen. Es ist aber nicht ungewöhnlich, dass in Netzwerken einzelne Elemente umgesetzt, außer Betrieb genommen oder ausgetauscht werden. Oft nimmt man diese Konfigurationsänderungen während des Betriebs vor, was zu elektrostatischen Entladungen und Spannungsspitzen führen kann. Um sicherzustellen, dass die Leuchten über die spezifizierte Lebensdauer funktionsfähig bleiben, ist ein ausreichender ESD-Schutz mit einer Diode wie die CeraDiode unverzichtbar.

CeraDiode versus TVS-Dioden

Eine CeraDiode zeichnet sich durch eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit pro Volumen/Fläche aus. Ihr aktives Volumen ist fast drei Mal größer als das einer TVS­Diode, welches bei dieser nur circa 30 Prozent beträgt. Daher können Designer von LED-Beleuchtungen mit einem viel kleineren Bauelement den gleichen ESD-Schutz gemäß IEC 61000-4-2 sowie die gleiche Unempfindlichkeit gegenüber Stoßstrombelastungen erreichen. Die CeraDioden des Herstellers in den EIA-Baugrößen 01005, 0201 und 0402 eignen sich für den Schutz des LED-Moduls und der LED-Beleuchtungsinstallationen. Sie bieten den gleichen Schutz wie TVS-Dioden, die jedoch eine viel größere Grundfläche belegen. Die CeraDioden in Baugröße EIA 01005 sind so klein, dass sie sich für Anwendungen wie LED-Blitz in Smartphones eignen. So unterstützen die Dioden die Miniaturisierungsanforderungen der Leuchtenhersteller.

Angesichts der vielen unterschiedlichen Arten von ESD-Ereignissen und Transienten ist es erforderlich, in beiden Richtungen einen entsprechenden Schutz vorzusehen. Als Varistor leistet eine CeraDiode einen bidirektionalen Schutz, während eine TVS-Diode konstruktionsbedingt nur in einer Richtung, also unidirektional, wirkt. Somit kann es in Abhängigkeit von den jeweiligen Designanforderungen erforderlich sein, für die gleiche Schutzwirkung zwei Dioden einzuplanen. Eine CeraDiode bietet also auch Vorteile in Bezug auf Abmessungen, Kosten und Platzierungslogistik. Auch beim Temperatur-Derating ist eine CeraDiode im Vorteil. Ihre Derating-Temperatur liegt bei bis zu 85 °C. Bei TVS-Dioden beginnt das Derating dagegen bereits bei Raumtemperatur. Spezielle CeraDiode-Baureihen erzielen sogar Derating-Temperaturen von 125 °C und mehr. Damit sorgt die CeraDiode für eine zuverlässige Funktion der LED-Elektronik über einen sehr großen Temperaturbereich. Zudem bietet eine CeraDiode über einen langen Zeitraum kurze Ansprechzeiten von weniger als 0,5 ns und eine hohe Impulsabsorptionsfähigkeit. Die Vorteile von CeraDioden ermöglichen es Leuchten-Designern, den Platzbedarf zu verringern und gleichzeitig auch Kosten zu sparen.

Effektiver Temperaturschutz

Da LEDs für eine gleichbleibende Leuchtkraft auf einen konstanten Strom angewiesen sind, muss ihre Temperatur in engen Grenzen gehalten werden. Seine SMD-NTC- und SMD-PTC-Thermistoren hat Epcos entwickelt, um die LED-Arrays vor Überhitzung zu schützen und deren Temperaturprofil für eine bestmögliche Lumen-Ausbeute zu kontrollieren. Hierfür wird der Stromfluss zur LED automatisch angepasst. Dafür benötigte hochpräzise Messungen lassen sich mit den miniaturisierten SMD-NTC-Thermistoren zuverlässig ausführen. Basis dafür sind ihre durchgehend engen Toleranzen von
±1 Prozent und ihre kurzen Ansprechzeiten. In Verbindung mit intelligenten Schaltungen ermöglichen sie es, effektive Kontrollsysteme zu entwerfen.

Die SMD-PTC-Thermistoren in den EIA-Baugrößen 0402, 0603 und 0805 stellen als Grenztemperatur-Sensoren eine weitere einfache, zuverlässige und kostengünstige Lösung zum Übertemperaturschutz dar. Das breite Spektrum von R/T-Kurven mit Ansprechtemperaturen von 70 bis 145 °C erleichtert dabei die Auswahl des am besten geeigneten Bauelements. Sind die SMD-PTC-Thermistoren in Serie zur LED geschaltet, kann man sie dafür nutzen, um den Vorwärtsstrom der LED bei hohen Temperaturen zu verringern. Dies gilt insbesondere bei einfacheren LED-Treiberkonzepten ohne ICs. Für diese Anwendungen empfehlen sich entweder bedrahtete oder große SMD-PTC-Thermistoren (in der EIA-Baugröße 3225 oder 4032).