LiTG: Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und ... · Treiber oft nicht abgefangen, sondern zum...

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LiTG: Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten

23. Juni 2015 | Köln

Hannes Wagner OSRAM Product Manager

Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten

OPTOTRONIC für den Außenbereich | ODS| HW Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten| DE| 23_05_2015

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Seite

1. Grundlagen der LED-Technik 02

2. System Treiber und Module 05

3. Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII 12

Grundlagen der LED Technik Basis Parameter LED Leuchtmittel


3

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

• Elektrische Kenngrößen − Vorwärtsspannung − Eingangsleistung − Betriebsstrom − Elektrische Isolierung

LED Chip

COB

LED Modul ohne Optik

LED Modul mit Optik

Grundlagen der LED Technik Basis Parameter Betriebsgeräte


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LED Betriebsgeräte • Betriebsart − Konstantspannung − Konstantstrom

• Elektrische Kenngrößen − Betriebsfenster − Ausgangstrom / -spannung − Stromgenauigkeit − Kurzschlussfestigkeit / Übertemperaturschutz − Überspannungsfestigkeit − Isolierung

• Geometrie / Anschluss − Kabel/Klemmen − Linear / Rechteckig − IP Schutz IP 20 bis IP 66 − Feuchtigkeitsschutz

Betriebs- Geräte Isolation Prim/Sec

Keine Isolierung

SELV < 120V

SELV < 60V

Basis Isolierung

Doppelt Isolierung

Symbol

SELV SELV Uout

Uout

LED Module Schutzklasse I

2 x Uout + 1000V 500V 500V 2 x Uout

+ 1000V 2 x Uout + 1000V

LED Module Schutzklasse II

4 x Uout + 2000V 500V 500V

2 x (Uout+Uin) + 1000V

2 x Uout + 1000V



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OPTOTRONIC® Outdoor System Treibern und Modulen


6

Sicherheit: 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. EMV: 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)

System Treiber und Modul LED – Abweichung vom Ideal


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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

Bei niedrigen Strömen sind Vf- und Lichtvorhersage sehr ungenau. Meist keine Herstellerzusage erhältlich

Vorhersage des el. Arbeitspunktes ist bereits bei idealem DC-Strom kein Punkt, sondern eine Linie.

System Treiber und Modul Betriebsfenster LED Treiber


8

0 10 20 30 40 50 60

0 500 1000 1500

Span

nung

[V]

Strom [mA]

ʘ Max. Ausgangsspannung

ʘ Min. Ausgangsspannung

ʘ Min. Ausgangsstrom

ʘ Max. Ausgangsstrom

ʘ Min. Ausgangsleistung

ʘ Max. Ausgangsleistung

Je größer der Arbeitsbereich desto flexibler der Einsatz - jedoch reduziert Effizienz und erhöht Kosten.

System Treiber und Modul Arbeitspunkt – unkritische Lage


9

Unkritische Lage. Bereich der Modularbeitspunkte vollständig innerhalb des Arbeitsfensters des EVG.

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500

Span

nung

[V]

Strom [mA]

U-I-Graph

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

System Treiber und Modul Arbeitspunkt – kritische Lage


10

Kritische Lage. Bereich der Modularbeitspunkte ragen aus dem Arbeitsfensters des EVG heraus.

Schlüsselfrage für System: Wie verhält sich das EVG bei Überschreitung der Grenzen? ʘ Abschaltung? ʘ Blinkeffekte? ʘ Rückregelung/Begrenzung?

0 10 20 30 40 50 60 70

0 500 1000 1500

Span

nung

[V]

Strom [mA]

U-I-Graph

Systemspezifische Betrachtung und Bewertung

notwendig.

System Treiber und Modul Netzseitige Einflüsse


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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.



12

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„…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

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Was sind Überspannungen und woher kommen Sie ?


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Stand der Technik Moderne Straßenleuchte

Spannungsfestigkeit von Leuchten Nach IEC 61547

Bemessungsstossspannung Für Betriebsmittel nach VDE 0110

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Spannungsbeanspruchung contra Betriebsmittel-Festigkeit


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Ausreichender Schaltüberspannungsschutz (SEMP) in Anwendungen mit konventionellen Vorschaltgeräten empfohlen

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schaltüberspannungen: gemischte Installation


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Model: Alle 30 m ein Mast

100 kA Stosstrom

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Indirekter Blitzeinschlag


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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.

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Leuchtennorm IEC 60598-1 ED8


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Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Warum fallen LED Systeme bei Überspannung aus?

OPTOTRONIC für den Außenbereich | ODS| HW 18 Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten| DE| 23_05_2015

C2 C1 I = dU/dt x Cx

Kühlkörper

+

- 2DIM 3DIM 4DIM

Up (sec), kV << Up kV (prim)

Up (asym,prim), kv

~ Up (sym,prim), kv

Equi

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.

Up(sec), kV

L

N

Erde

Folie 19 OPTOTRONIC für den Außenbereich | ODS|

HW

Schutzerde

Leuchte (SK I )

LED Treiber

Upe

ak =

6kV

L N

Kühlkörper

Ein

gang

ssch

utz

-bes

chal

tung

Trei

ber

elek

troni

k

Upe

ak ~

1,5

kV

Kühlkörper

Übe

rspa

nnun

gssc

hutz

E

lem

ent (

nur S

K I)

PE

Hinweis: vereinfachtes Model

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schutz für eine SK I Leuchte – Standard EVG


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Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schutzkonzept mittels EQUI Anschluss

0 kV 2 kV 4 kV 6 kV 8 kV

2 kV

4 kV

6 kV

Kritisch

Übe

rspa

nnun

g zw

isch

en

LED

Mod

ul u

nd G

ehäu

se

Überspannung Netz zu Erde


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Typ. Isolierfestigkeit von LED Modulen

OSRAM

8kV

Schutzerde

Leuchte (SK I )

LED Treiber

Upe

ak =

6kV

L N

Kühlkörper

Ein

gang

ssch

utz

-bes

chal

tung

Trei

ber

elek

troni

k

Upe

ak ≤

1kV

Kühlkörper

Übe

rspa

nnun

gssc

hutz

E

lem

ent (

nur S

K I)

PE Hinweis: vereinfachtes Model

EQUI

…mittels Ausgleichsanschluss und doppelte galvanische Trennung

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schutz für eine SKI Leuchte – EVG mit EQUI Anschluss


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Leuchte (SK II )

LED Treiber

Upe

ak =

6kV

L N

Kühlkörper

Ein

gang

ssch

utz

-bes

chal

tung

Trei

ber

elek

troni

k

Upe

ak =

6,0

kV

Kühlkörper

Undefiniertes Erdpotential


Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Kein Schutz für eine SKII Leuchte


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Leuchte (SK II )

LED Treiber

Upe

ak =

6kV

L N

Ein

gang

ssch

utz

-bes

chal

tung

T

reib

er

elek

troni

k

Upe

ak ≤

1kV

EQUI

Undefiniertes Erdpotential

Kühlkörper Kühlkörper



Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schutz für eine SKII Leuchte mit EQUI Anschluss


23

Schutzerde

Leuchte (SK II )

LED Treiber

Upe

ak ≥

10k

V

L N

Kühlkörper

Ein

gang

ssch

utz

-bes

chal

tung

Tre

iber

elek

troni

k

Upe

ak ≤

1kV

Kühlkörper

Übe

rspa

nnun

gssc

hutz

E

lem

ent (

nur S

K I)

PE


EQUI

Verteiler


Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schutz für eine SK II Leuchte – mit ext. Überspannungselement


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Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Hinweis für externe Überspannungsschutzelemente


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Überspannungsschutzelement muss auf LED Treiber abgestimmt sein

externes Überspannungs- schutzelement

LED Treiber mit

Überspannungs- schutz

L

N

L

N

externes Überspannungs- schutzelement

LED Treiber mit

Überspannungs- schutz

L

N

L

N

schlechte Koordinierung

gute Koordinierung

Im Fall einer Nachrüstung Kontakt mit Leuchten- und Überspannungshersteller aufnehmen.

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Überspannungsschutz in LED Treibern incl. Halbnachtschaltung (StepDIM)


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Aktiver Überspannungsschutz auch für Halbnachtschaltung (Steuerphase) notwendig.

[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

Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Beispiel: Schutzkonzept Schutzklasse II- Straßenleuchten

[1] [2] [3]


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Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Überspannungsschutz ist wichtig


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Herzlichen Dank.

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