www.osram.de Hannes Wagner OSRAM Product Manager LiTG: Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten 23. Juni 2015 Köln
Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten Seite 1. Grundlagen der LED-Technik 02 2. System Treiber und Module 05 3. Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII 12 2
Grundlagen der LED Technik Basis Parameter LED Leuchtmittel LED / LED Module Lichtmenge und Qualität Helligkeitsgruppen / Lumenpakete Betriebstemperaturen CRI Farbtemperatur / Wellenlänge Effizienz (lm/w), Energieeffizienzklassen Geometrie Anzahl LED, Größe des Moduls Linear / Rund Optische Lichtverteilung LED Chip COB Elektrische Kenngrößen Vorwärtsspannung Eingangsleistung Betriebsstrom Elektrische Isolierung LED Modul mit Optik LED Modul ohne Optik 3
Grundlagen der LED Technik Basis Parameter Betriebsgeräte LED Betriebsgeräte Betriebsart Konstantspannung Konstantstrom Elektrische Kenngrößen Betriebsfenster Ausgangstrom / -spannung Stromgenauigkeit Kurzschlussfestigkeit / Übertemperaturschutz Überspannungsfestigkeit Isolierung Betriebs- Geräte Isolation Prim/Sec Symbol Keine Isolierung SELV < 120V SELV < 60V Basis Isolierung Doppelt Isolierung SELV SELV Uout Uout Geometrie / Anschluss Kabel/Klemmen Linear / Rechteckig IP Schutz IP 20 bis IP 66 Feuchtigkeitsschutz LED Module Schutzklasse I LED Module Schutzklasse II 2 x Uout + 1000V 4 x Uout + 2000V 500V 500V 500V 500V 2 x Uout + 1000V 2 x (Uout+Uin) + 1000V 2 x Uout + 1000V 2 x Uout + 1000V 4
Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten Seite 1. Grundlagen der LED-Technik 02 2. System Treiber und Module 05 3. Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII 12 5
OPTOTRONIC Outdoor System Treibern und Modulen Sicherheit: EMV: ʘ Betriebsgerät- mit oder ohne galvanischer Trennung, (SELV / isoliert / nicht isoliert), U-OUT beachten ʘ Die Wahl des LED Treibers beeinflusst maßgeblich die Isolationsanforderung, Kriech- u. Luftstrecken des Modules bzw. dessen Montage. ʘ Modulgeometrien und Auslegung des LED Treibers Lichtqualität: ʘ Niederfrequenter Stromripple ʘ Methode der Dimmung (PWM Dimmen, Amplituden Dimming) Effizienz & Lebensdauer: ʘ Technologie & Arbeitspunkt Applikation: ʘ Geometrie, Temperaturbereich, Notstromtauglichkeit Elektrischer Arbeitsbereich: ʘ Ausgangsstrom- und Spannungsbereich des LED Treibers ʘ Betriebsstrom und Vorwärtsspannung des Moduls Immunität: ʘ Transientenverschleppung / Überspannungen in Schutzklasse II ( Ref. ZVEI Empfehlung) 6
System Treiber und Modul LED Abweichung vom Ideal ʘ Vf streut entsprechend Binning ʘ Vf ist abhängig von der Temperatur ʘ Vf ist abhängig vom Strom ʘ Vf ist abhängig von der Alterung Vorhersage des el. Arbeitspunktes ist bereits bei idealem DC-Strom kein Punkt, sondern eine Linie. Bei niedrigen Strömen sind Vf- und Lichtvorhersage sehr ungenau. Meist keine Herstellerzusage erhältlich 7
System Treiber und Modul Betriebsfenster LED Treiber ʘ Max. Ausgangsspannung ʘ Max. Ausgangsleistung 60 ʘ Min. Ausgangsstrom Spannung [V] 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 Strom [ma] ʘ Max. Ausgangsstrom ʘ Min. Ausgangsleistung ʘ Min. Ausgangsspannung Je größer der Arbeitsbereich desto flexibler der Einsatz - jedoch reduziert Effizienz und erhöht Kosten. 8
System Treiber und Modul Arbeitspunkt unkritische Lage Unkritische Lage. Bereich der Modularbeitspunkte vollständig innerhalb des Arbeitsfensters des EVG. 60 U-I-Graph Spannung [V] 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 Strom [ma] Länge der Modullinie ist abhängig von: ʘ LED-Binning ʘ Temperaturbereich ʘ Alterung der LED ʘ Stromripple des Systems ʘ Strom(un)genauigkeit des Betriebsgerätes 9
System Treiber und Modul Arbeitspunkt kritische Lage Kritische Lage. Bereich der Modularbeitspunkte ragen aus dem Arbeitsfensters des EVG heraus. Spannung[V] 70 60 50 40 30 20 10 0 U-I-Graph 0 500 1000 1500 Strom [ma] Schlüsselfrage für System: Wie verhält sich das EVG bei Überschreitung der Grenzen? ʘ Abschaltung? ʘ Blinkeffekte? ʘ Rückregelung/Begrenzung? Systemspezifische Betrachtung und Bewertung notwendig. 10
System Treiber und Modul Netzseitige Einflüsse Schnelle netzseitige Überspannungen werden bei Standard LED Treiber oft nicht abgefangen, sondern zum Modul weitergeführt. SKI-Leuchte, Kühlkörper geerdet, EVG ohne Erdanschluss: EMV-Filter des EVG u. parasitäre Kapazität des Modules bilden einen Schwingkreis. Schlüsselbauteile: Filterdrossel, C1, C3 Bei Gleichtaktüberspannungen kann die Spannungsbelastung der Modulisolation höher werden als die netzseitige Überspannung. 11
Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten Seite 1. Grundlagen der LED-Technik 02 2. System Treiber und Module 05 3. Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII 12 12
Was sind Überspannungen und woher kommen Sie? Überspannungen sind Spannungen, die den nominalen Eingangsspannungsbereich der Leuchte übersteigen. Ursachen für Überspannungen können sein: Lighting Electromagnetic Pulse (LEMP) Direkter Blitzeinschlag Indirekte Biltzeinwirkung von Blitzteilströmen Indirekte Biltzeinwirkung (Rückwirkung Erdverbindung oder elektromagnetische Induktion) Switching Electromagnetic Pulse ( SEMP) Schaltvorgänge im Netz Erd- Kurzschlüsse Auslösen von Sicherungen Elektrostatische Aufladung 13
Spannungsbeanspruchung contra Betriebsmittel-Festigkeit Stand der Technik Moderne Straßenleuchte Bemessungsstossspannung Für Betriebsmittel nach VDE 0110 Spannungsfestigkeit von Leuchten Nach IEC 61547 14
Schaltüberspannungen: gemischte Installation Ausreichender Schaltüberspannungsschutz (SEMP) in Anwendungen mit konventionellen Vorschaltgeräten empfohlen 15
Indirekter Blitzeinschlag Model: Alle 30 m ein Mast 100 ka Stosstrom 16
Leuchtennorm IEC 60598-1 ED8 Schutzklasse I: Externe Überspannungsschutzelemente müssen der IEC 61643-11 entsprechen Die Überspannungsschutzelemente sind an einen Schutzleiter anzuschließen Für die Dauer der Spannungsprüfung können die Überspannungsschutzelemente in SK I Leuchten ausgebaut werden. Schutzklasse II: Zwischen aktiven Teilen und dem Gehäuse (berührbaren Teilen) dürfen nur Y1 Kondensatoren (oder zwei Y2) und Sicherheitswiderstände eingesetzt werden. Externe Überspannungselemente in der Leuchte dürfen nicht an berührbare Teile angeschlossen werden. 17
Warum fallen LED Systeme bei Überspannung aus? Symbol 5021 Equipotential Marking of a terminal which connecting different parts of a body or system to the same potential, which must not have earth potential. - 2DIM 3DIM 4DIM + L ~ N Up (sym,prim), kv C 1 C 2 Up(sec), kv I = du/dt x C x Equi Up (asym,prim), kv Kühlkörper Erde Up (sec), kv << Up kv (prim) 18
Schutz für eine SK I Leuchte Standard EVG Leuchte (SK I ) L N Upeak = 6kV Überspannungsschutz Element (nur SK I) LED Treiber Eingangsschutz -beschaltung Treiber elektronik Kühlkörper Kühlkörper Upeak ~ 1,5kV PE Schutzerde Hinweis: vereinfachtes Model 19 OPTOTRONIC für den Außenbereich ODS HW Folie 19
Schutzkonzept mittels EQUI Anschluss 8kV Überspannung zwischen LED Modul und Gehäuse 6 kv 4 kv 2 kv Kritisch Typ. Isolierfestigkeit von LED Modulen OSRAM 0 kv 2 kv 4 kv 6 kv 8 kv Überspannung Netz zu Erde 20
Schutz für eine SKI Leuchte EVG mit EQUI Anschluss mittels Ausgleichsanschluss und doppelte galvanische Trennung Leuchte (SK I ) L N Upeak = 6kV Überspannungsschutz Element (nur SK I) LED Treiber Eingangsschutz -beschaltung EQUI Treiber elektronik Kühlkörper Kühlkörper Upeak 1kV PE Hinweis: vereinfachtes Model Schutzerde 21
Kein Schutz für eine SKII Leuchte Leuchte (SK II ) LED Treiber L N Upeak = 6kV Eingangsschutz -beschaltung Treiber elektronik Kühlkörper Kühlkörper Upeak = 6,0kV Undefiniertes Erdpotential Hinweis: vereinfachtes Model 22
Schutz für eine SKII Leuchte mit EQUI Anschluss mittels Ausgleichsanschluss und doppelte galvanische Trennung Leuchte (SK II ) LED Treiber L N Upeak = 6kV Eingangsschutz -beschaltung EQUI Treiber elektronik Kühlkörper Kühlkörper Undefiniertes Erdpotential Upeak 1kV Hinweis: vereinfachtes Model 23
Schutz für eine SK II Leuchte mit ext. Überspannungselement mittels Ausgleichsanschluss und doppelte galvanische Trennung Verteiler Leuchte (SK II ) L N Upeak 10kV Überspannungsschutz Element (nur SK I) LED Treiber Eingangsschutz -beschaltung EQUI Treiber elektronik Kühlkörper Kühlkörper Upeak 1kV PE Hinweis: vereinfachtes Model Schutzerde 24
Hinweis für externe Überspannungsschutzelemente Überspannungsschutzelement muss auf LED Treiber abgestimmt sein L N externes Überspannungsschutzelement L N LED Treiber mit Überspannungsschutz schlechte Koordinierung L N externes Überspannungsschutzelement L N LED Treiber mit Überspannungsschutz gute Koordinierung Im Fall einer Nachrüstung Kontakt mit Leuchten- und Überspannungshersteller aufnehmen. 25
Überspannungsschutz in LED Treibern incl. Halbnachtschaltung (StepDIM) Aktiver Überspannungsschutz auch für Halbnachtschaltung (Steuerphase) notwendig. 26
Beispiel: Schutzkonzept Schutzklasse II- Straßenleuchten [1] [2] [3] [1] Leuchte der Schutzklasse II mit guter System-Spannungsfestigkeit 6 kv und EQUI Anschluss [2] Kombi-Ableiter Typ 1+2+(3) zum Schutz vor Blitz- und Überspannungen im Straßenverteiler [3] Überspannungsschutzgeräte Typ 2+3 im Kabelübergangskasten mit Anbindung eines Schutzleiters an den metallenen-mast und unter Beachtung der elektrischen Sicherheit gegen elektrischen Schlag nach IEC 60364-4-41, Abschaltbedingungen im Fehlerfall beachten 27
Überspannungsschutz ist wichtig 28
www.osram.de Herzlichen Dank.