Schutz von LED-Beleuchtungssystemen vor schwankender Spannungsqualität

Entwickler von LED-Leuchtsystemen kennen die geltenden Sicherheitsnormen wie die IEC 62560 für Allzweck- und Haushalts-LED-Leuchten, die IEC 62031 für LED-Arrays und -Module sowie die IEC 61347 für Treiber und Stromversorgungen. Besondere Gefahren für Endgeräte gehen von energiereichen Spannungsstößen in Netzanschlussleitungen aus, die von Ereignissen wie Blitzeinschlägen in der Nähe ausgelöst werden können. Die IEC 61000-4-5 beschreibt das Testen auf Stoßspannungen unter Verwendung einer standardmäßigen 8-x-20-μs-Wellenform und gibt für Außenbeleuchtungssysteme in Europa hohe Werte von 10 kV/5 kA vor.

Geräte wie Reihensicherungen, Metalloxid-Varistoren (MOV) und TVS-Dioden (Transient-Voltage Suppression), die parallel geschaltet sind, können im gesamten Stromversorgungs- und Treiberkreis verwendet werden. Anbieter wie Littelfuse bieten eine umfassende Beratung bei der Wahl und Positionierung von Geräten, die Energie aus potenziell schädlichen Spannungsspitzen aufnehmen und umleiten.

Abbildung 1 bietet einen Überblick über die Überspannungsschutzvorrichtungen, die bei einer allgemeinen LED-Beleuchtungslösung zum Einsatz kommen. MOV, die wie dargestellt über Phase nach Neutral, Neutral nach Masse und Phase nach Masse geschaltet werden, bieten einen hohen Spannungsspitzenschutz: z. B. der Littelfuse V300SM7. Bei zu hoher Spannung am MOV erzeugt das Gerät einen Strompfad und leitet über diesen die Stoßenergie ab. TVS-Dioden wie die Littelfuse P6KE300 schützen Stromkreiskomponenten durch Ableitung transienter Energie. Das gewählte Gerät muss dem maximalen Stoßstrom der anliegenden Überspannung widerstehen können.

Abbildung 1: Littelfuse-Richtwerte für die Bemessung von Überspannungsschutzgeräten in einer LED-Beleuchtungsanwendung

Schutz gegen Netzspannungsschwankungen

Die abgebildeten Geräte bieten wirksamen Schutz von Stromkreisen gegen kurzzeitige hochenergetische Impulse. Schwankungen längerer Dauer können jedoch ebenfalls eine Gefahr darstellen. Für die Stromversorger wird es zunehmend schwieriger, die Netzstabilität sicherzustellen: Der Verbraucherbedarf steigt, die Infrastruktur altert und traditionelle Erzeugungskapazitäten auf Basis fossiler Brennstoffe müssen umweltfreundlicheren Modellen weichen, die stärker auf die dezentrale Erzeugung aus erneuerbaren Quellen setzen. Unter diesen erschwerten Bedingungen können Schwankungen im Unter- und Überspannungsbereich auftreten – mit Folgen für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Komponenten in bestimmten Stromkreistypen.

Folgendes Beispiel soll das veranschaulichen: Für LED als Ersatz für herkömmliche Leuchtmittel wie MR16- oder GU10-Glühlampen gelten enge Kosten- und Größenlimits. Um dem Rechnung zu tragen, verfügt der LED-Treiber-Controller TPS92210 von Texas Instruments über einen internen MOSFET, der in Kaskadenkonfiguration mit einem externen Hochspannungs-MOSFET geschaltet wird. Das vereinfacht den Anlauf, ermöglicht den Betrieb ohne externen Strommesswiderstand und reduziert die primärseitigen Schaltverluste. Durch Unterstützung des DCM-Betriebs (lückender Betrieb) werden auch die Sperrverzögerungsverluste der Ausgangsgleichrichterdiode minimiert. In der Summe trägt der TPS92210 damit zur Erhöhung von Wirkungsgrad und Ausfallsicherheit bei – bei gleichzeitiger Reduzierung der Systemkosten im Vergleich zur konventionellen Flyback-Architektur. Abbildung 2 zeigt das Schaltbild für eine typische Anwendung. Beachten Sie, dass der externe MOSFET am DRN-Pin (Pin 6) an den Drain des internen Treiber-MOSFET des TPS92210 geschaltet ist, um den Kaskadenkreis zu bilden.

Abbildung 2: LED-Treiberschaltkreis, der auf die Optimierung der Performance gegenüber einem konventionellen Flyback-Wandler ausgelegt ist.

Dieser Treiberschaltkreis liefert dem LED-Strang eine konstante Spannung. Wenn die Netzspannung bedingt durch Netzschwankungen sinkt, steigt der Eingangsstrom zum Treiber, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Dieser höhere Strom kann die Treiberkomponenten stark belasten. Analog dazu gilt: Ein signifikanter Anstieg der Netzspannung in Kombination mit Oberschwingungen, die durch die Induktanz der Wicklungen der Primärseite des Transformators ausgelöst werden, kann die Bemessung wichtiger Komponenten wie MOSFET und Kondensatoren übersteigen. Standardkomponenten wie die eingangs erwähnten MOV und TVS-Dioden bieten wirksamen Schutz gegen kurzzeitige hochenergetische Stöße. Darüber hinaus kann zusätzlicher Schutz erforderlich sein, um Schäden zu verhindern, die durch Netzschwankungen drohen.

Bei Verwendung eines Controllers wie dem TPS92210 können externe Schaltkreise vorgesehen werden, die die TZE-Funktion (Transformer Zero-Energy Detection) des integrierten Schaltkreises nutzen, um den Treiber übergangsweise zu deaktivieren, wenn sich der Netzleitungseingang außerhalb des normalen Betriebsbereichs bewegt.

Betrieb von Schaltkreisen mit Über-/Unterspannungsschutz

Wenn der Treiber im lückenden Betrieb (DCM) operiert, wird jeder nachfolgende Schaltzyklus nur dann initiiert, wenn der Transformator vollständig zurückgesetzt wurde oder seine Energie null ist. Der an das TZE-Pin geschaltete Widerstandsteiler ermöglicht die Erkennung des Nullenergiepunkts des Transformators durch Überwachung des vom TZE-Pin gezogenen Stroms, wenn die primäre Rückkopplungswindung in Bezug auf Masse negativ geht.

Abbildung 3 zeigt einen Schutzschaltkreis, der den Betrieb des Treibers stoppt, indem er bei Unter-/Überspannung am Eingang die Initiierung des nächsten Schaltzyklus verhindert. Erreicht wird dies durch Zwangsschaltung einer DC-Spannung an das TZE-Pin, um die Nulldurchgangserkennung zu verhindern. Bewegt sich die Eingangsspannung im sicheren Betriebsbereich, legt der Schaltkreis keine DC-Spannung an das TZE-Pin. Das ermöglicht die normale Nulldurchgangserkennung, die es dem Controller erlaubt, das Valley-Switching zugunsten eines optimalen Wirkungsgrades zu koordinieren.

Abbildung 3: Schaltbild für Unter- und Überspannungsschutz am Eingang.

Der Schaltkreis operiert durch Erhalt der gerichteten, ungeglätteten Netzspannung vom Ausgang des Brückengleichrichters. Diese Spannung wird von einer Zener-D2-Diode auf 12 V gehalten und durch Widerstandsteiler weiter reduziert. Die Widerstände R3 und R4 sind für den Unterspannungsschutz, die Widerstände R5 und R6 für den Überspannungsschutz zuständig. Die Widerstandswerte R3, R4, R5 und R6 dienen der Festlegung der Auslöseschwelle von 1 V bzw. 2,5 V.

Der 12-V-Bias dient zudem der Versorgung des vierkanaligen Operationsverstärkers für U1 (TLC27L4). Ein extrem stromsparender Operationsverstärker wurde für U1 gewählt, um den Betrieb direkt von der Zener-Diode zu ermöglichen, ohne dass erratische Ein-/Aus-Zyklen bei niedrigen Eingangsspannungen auftreten, was passieren kann, wenn ein Gerät mit höherem Strombedarf genutzt wird. U1-A fungiert als Spitzenerkennung und erzeugt eine DC-Spannung, die sich proportional zu Vin(rms) an Kondensator C4 verhält. U1-B puffert diese DC-Spannung und U1-C gibt ein Fehlersignal aus, wenn die erkannte Spannungsspitze unter der Unterspannungsreferenz VR1 liegt. Analog dazu vergleicht U1-D den Ausgang der Spitzenerkennung mit der Überspannungsreferenz VR2, um ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn die RMS-Eingangsspannung die Überspannungs-Auslöseschwelle überschreitet. Die Ausgänge von U1-C und U1-D werden mit der Zener-Diode D5 auf 3,3 V gehalten und dann vor der Weitergabe an das TZE-Pin mit dem Transistor Q1 gepuffert. R10 und R12 verhindern mit rund 5 V Hysterese eine Fehlauslösung an den Randgrenzwerten.

Weil der TZE-Eingang von TPS92210 kontinuierlich auf Valley-Übergänge überwacht wird, werden Schaltzyklen verhindert, wenn der Schutzschaltkreis DC-Spannung an das Pin zwangsschaltet. Das Schalten kann wieder aufgenommen werden, wenn die Eingangsspannung in den normalen Betriebsbereich zurückkehrt. Die Tabelle zeigt das Verhalten des Geräts und den Treiberausgangsstatus in Reaktion auf Normal- und Stoßbedingungen am Eingang.

Tabelle 1: Zusammenfassung der TPS92210-Treiberstatus.

Fazit

Konventionelle Überspannungsschutzgeräte wie Sicherungen, MOV und TVS-Dioden sind Voraussetzung dafür, dass LED-Beleuchtungslösungen internationale Sicherheitsstandards erfüllen. Zusätzliche Schaltkreise können intelligenten Schutz gegen Netzschwankungen bieten, indem sie verhindern, dass potenziell schädliche Ströme oder Überspannungen Treiberkomponenten oder LED erreichen.