Indoor-LED-Lampen benötigen einen zuverlässigeren Schaltungsschutz

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Tipps zum Entwurf von LED-Lampen mit Transienten- und Überspannungsschutzgeräten

VON WILLIAM SHENBERGER, Field Applications Engineer
Littelfuse, Inc.
www.littelfuse.com

Designer von frühen LED-Innenleuchten sahen sich zahlreichen technischen Hürden gegenüber, einschließlich der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, thermischer Wärmeableitung, Beschränkungen durch die aktuelle Lampengröße, elektrische Transienten und nicht zu vergessen die grundsätzliche Herausforderung, LEDs zu betreiben, die das Licht erzeugen . Das Bereitstellen von Schutz vor Transienten sowohl für die LEDs als auch für alle Komponenten, die stromaufwärts von ihnen in der Schaltung angeordnet sind, stellt eine signifikante Designherausforderung dar. Diese Transienten resultieren oft aus Blitzeinschlägen am AC-Eingang. LED-Lampen benötigen sowohl einen Überstrom- als auch einen Überspannungsschutz vor diesen Bedrohungen.

Die Nachfrage nach zusätzlicher Funktionalität und höherer Lichtleistung hat die Anzahl der LED-Platinenkomponenten erhöht. Eine höhere Lichtleistung erzeugt eine Nachfrage nach größeren Kühlkörpern, um die Wärmeableitung zu erhöhen. Da LED-Lampen mit gegenwärtigen Glühlampen und CFL-Lampen (wie die A19-Haushaltslampen) formfaktorkompatibel sein müssen, enthalten sie eine AC / DC-Stromversorgungsschaltung, so dass sie von Standard-Glühlampenfassungen betrieben werden können ( 1 ). Alles, was direkt an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, kann durch Kurzschluss- und Überlastungsbedingungen beschädigt werden, die durch Bauteil- und / oder Schaltungsausfälle in der Glühlampe verursacht werden. Darüber hinaus können Blitzstöße oder Schaltstöße (von außerhalb der Glühbirne ausgehende) Spannungsspitzen oder Ringwellen erzeugen, die Bauteile in der Glühlampe belasten und letztendlich beschädigen können.

Abb. 1: Konstruktion einer typischen LED-Wohnleuchte.

Bild 2: Typische LED-Leuchtentreiberschaltung mit Transienten- und Überspannungsschutzgeräten.

Die Wechselstromsicherung ist der primäre Überstromschutz der Lampe. Bei richtiger Auswahl schützt diese Sicherung alle nachgeschalteten Komponenten ausreichend vor Schäden durch elektrische Überlastung (EOS), indem sie alle Schaltkreise sicher vom AC-Leitungseingang trennt.

Abb. 3: Schnell wirkende Subminiatur-SMD-Sicherungen, wie die Littelfuse-Serien NANO 2 470 und 476, bieten Surge-Toleranz und Stromkreisschutz gegen Überlastbedingungen für nachgeschaltete Komponenten.

Angesichts der engen Platzverhältnisse, die mit dem LED-Lampendesign einhergehen, ist es entscheidend, eine sehr kompakte Wechselstromsicherung für den Wechselstromeingang auszuwählen. Die Funktion einer Sicherung ist der Schutz von Komponenten und kompletten Schaltkreisen durch zuverlässiges und vorhersagbares Schmelzen unter Kurzschluss- und Stromüberlastbedingungen. Die richtige Sicherung in Reihe mit dem AC-Leitungseingang bietet den erforderlichen Schutz. Heute sind AC-Sicherungen in den kleinsten Formfaktoren mit einer großen Auswahl an Strom- und Spannungswerten verfügbar. Eine Reihe von zusätzlichen Schlüsselparametern und oberflächenmontierbaren Designs sind ebenfalls verfügbar, um Konstrukteuren die Auswahl einer Sicherung zu ermöglichen, die alle Anforderungen der Anwendung erfüllt.

Das primäre Überspannungsschutzgerät (OVP) für eine LED-basierte Glühbirne ist ein Metalloxid-Varistor (MOV) mit AC-Eingangskreis. Wenn es für alle erforderlichen Konstruktionsparameter richtig ausgewählt wird, schützt es alle nachgeschalteten Komponenten vor EOS-Schäden durch induzierte Transienten und Ringwelleneffekte durch Festklemmen kurzzeitiger Spannungsimpulse. MOVs bieten eine kostengünstige Möglichkeit, die transiente Energie zu minimieren, die andernfalls in nachgelagerte Komponenten gelangen könnte. Die richtige MOV-Auswahl basiert auf einer Reihe von elektrischen Parametern, einschließlich der Nennspannung, des Spitzenimpulsstroms, der Energiebewertung, der Plattengröße und der Leitungskonfiguration.

Abb. 4: Thermisch geschützte Metalloxid-Varistoren (TMOVs), einschließlich des LV UltraMOV von Littelfuse, fungieren als primärer Überspannungsschutz für eine LED-basierte Glühbirne.

Designer von LED-Lampen müssen verschiedene Schaltungsschutzprobleme berücksichtigen:

  • Beantworten Sie technische Fragen zur Anwendung wie: den normalen Betriebsstrom der Lampe, die Anlegespannung, die Umgebungstemperatur, den Überlaststrom und die Zeit, innerhalb der die Sicherung öffnen muss, den maximal zulässigen Fehlerstrom und die Impulse, Stoßströme, Einschaltströme, Anlaufströme und Schaltungstransienten. Littelfuse bietet zahlreiche Design-Ressourcen einschließlich des Fuseology Selection Guide: Sicherungsmerkmale, Begriffe und Berücksichtigungsfaktoren sowie das Littelfuse iDesign Fuse Selection Tool .
  • Schon früh im Designprozess den Markt kennen, in dem die Glühbirne verkauft wird. Abhängig von den geografischen Standorten, an denen die Glühbirne verwendet werden soll, gelten unterschiedliche Standards für Design und Testanforderungen.
  • Bestimmen Sie die Größenbeschränkungen, die sich auf die Sicherung auswirken können, die verwendet werden kann. Sicherungen sind in einer Vielzahl von Gehäusen erhältlich, aber Oberflächenmontage-Designs sind der häufigste Formfaktor für LED-Lampen. Um den AC-Eingang zu schützen, stehen nun kleinere Sicherungen zur Verfügung, die nur halb so groß sind wie die bisher kleinsten verfügbaren Sicherungen.
  • Die Sicherungstemperatur, die durch den Strom erzeugt wird, der durch die Sicherung fließt, nimmt mit der Änderung der Umgebungstemperatur zu oder ab. Denken Sie daran, dass die "Umgebungstemperatur" der Sicherung nicht mit der "Raumtemperatur" übereinstimmt. Stattdessen ist die Umgebungstemperatur die Lufttemperatur, die die Sicherung unmittelbar umgibt, die oft viel höher als die Raumtemperatur ist. Bei Umgebungstemperaturen von ca. 25 ° C wird empfohlen, dass die Sicherungen nicht mehr als 75% ihres Nennstroms betragen. Sicherungen sind temperaturempfindliche Geräte, so dass selbst kleine Temperaturschwankungen die vorhergesagte Lebensdauer der Sicherung stark beeinflussen können, wenn sie auf ihren Nennwert (dh 100% der Nennleistung) belastet wird.
  • Bestimmen Sie das erforderliche Ausschaltvermögen der Anwendung (z. B. Stromunterbrechung, I 2 t). Dies ist der maximal zulässige Strom, den die Sicherung bei Nennspannung sicher unterbrechen kann. Während eines Fehler- oder Kurzschlusszustands kann eine Sicherung einen momentanen Überlaststrom empfangen, der um ein Vielfaches größer ist als ihr Betriebsstrom. Ein sicherer Betrieb erfordert, dass die Sicherung intakt bleibt und den Stromkreis löscht.
  • Die Transientenunterdrückung muss zu Beginn des Designprozesses berücksichtigt werden. Koordinieren Sie die Sicherung mit dem nachgeschalteten OVP und der LED-String-Treiberschaltung. Die ausgewählte Sicherung muss der Energie der Transienten auf dem angegebenen Pegel standhalten, so dass die Fähigkeiten der LED-String-Treiberschaltung nicht beeinträchtigt werden. Die Sicherung des AC-Eingangskreises und der MOV bieten einen Überspannungsschutz, der die erforderliche Überspannungsklemmung ermöglicht, ohne dass die Sicherung geöffnet wird, während die nachgeschalteten Schaltkreise sicher geschützt sind, was zu einer minimalen Störung der LED-Strangtreiberschaltung einschließlich der LED-Kette führt.
  • In Fällen, in denen die Betriebsschaltung der Lampe nicht in der Lage ist, die erforderlichen transienten Ereignispegel zu überstehen, sollten Sie eine zweite TVS-Diode für OVP hinzufügen. Dies ist eine bewährte Lösung, die die "Durchlass" -Energie des MOV weiter klemmt. In extremen Fällen sollten zusätzliche OCP / OVP-Geräte in Betracht gezogen werden (siehe Abb. 2 ), um einen noch robusteren Schaltkreisschutz zu bieten.
  • Andere Designüberlegungen, wie die Koordination der Sicherung mit dem Überspannungsschutz und dem LED-Treiber, sind ebenfalls wichtig.
  • Lassen Sie genügend Zeit für gründliche Anwendungstests und Verifizierungen vor der Produktion.

Fazit
Die Investition in die Zeit und die Ressourcen, die notwendig sind, um einen angemessenen Schutz der Schaltung vor den ersten Phasen eines LED-basierten Glühbirnenentwurfs zu gewährleisten, wird mit erfolgreichen Produkten und zufriedenen Kunden belohnt. Dank der neuesten Fortschritte bei AC-Sicherungen, MOVs und TVS-Dioden kann es sein, dass die nächste Generation von LED-Lampen so lange verfügbar ist, bis die nächste Generation von Designern eintrifft.