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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
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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
Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten
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1. Grundlagen der LED-Technik 02
2. System Treiber und Module 05
3. Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII 12
OPTOTRONIC® Outdoor System Treibern und Modulen
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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
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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
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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
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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.
Überspannungsfestigkeit von LED Modulen und Betriebsgeräten
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1. Grundlagen der LED-Technik 02
2. System Treiber und Module 05
3. Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII 12
„…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?
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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
Hinweis: vereinfachtes Model
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
Hinweis: vereinfachtes Model
…mittels Ausgleichsanschluss und doppelte galvanische Trennung
Überspanungsschutz in Schutzklasse SKI oder SKII Schutz für eine SKII Leuchte mit EQUI Anschluss
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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
Hinweis: vereinfachtes Model
EQUI
Verteiler
…mittels Ausgleichsanschluss und doppelte galvanische Trennung
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.