Die früher für die Außenbeleuchtung eingesetzten Lösungen mit Halogen-Metalldampflampen und Natrium-Hochdrucklampen werden schnell durch neue Optionen mit LED-Technologie ersetzt. Dabei kann der Aufwand für die Umstellung auf LED-Beleuchtung erheblich sein. Die hohen Anfangsinvestitionen sind aber sinnvoll und machen sich durch geringeren Energieverbrauch, längere Gesamtlebenszeit und niedrigere Wartungskosten schnell bezahlt (nach etwas mehr als fünf Jahren). Der entscheidende Faktor zur Senkung der Wartungskosten liegt in der Bereitstellung des geeigneten Überspannungsschutzes bei Blitzschlag.
Außenleuchten unterliegen transienten Spannungsspitzen durch Blitzschläge, die induktiv in die Stromversorgung eingekoppelt werden. Bei den älteren Leuchtmitteln auf der Basis von Quecksilberdampf, Halogen-Metalldampf oder Natriumdampf bot die robuste Konstruktion einen Schutz gegen etwaige transiente Spannungsspitzen. Bei der LED-Beleuchtung ist dies nicht der Fall, und Spannungstransienten können nicht nur die LED-Spannungsversorgungen zerstören, sondern auch die LEDs selbst. Wegen der Empfindlichkeit von LED-Leuchten wurden zahlreiche Studien durchgeführt, aufgrund derer viele Normen zur Charakterisierung der Gefahr durch Blitzüberspannung entstanden. In IEEE C62.41.2™-2002 werden zwei unterschiedliche Expositionsgrade für Außenstandorte (Kategorie C Low und C High) mit jeweils unterschiedlichen vorgeschlagenen Überspannungsniveaus kategorisiert. Ebenso haben manche Länder oder sogar einzelne Regionen innerhalb dieser Länder möglicherweise unterschiedliche Anforderungen aufgrund spezifischer Blitzschlaghäufigkeit in den jeweiligen Gebieten.
Die wirksame Komponente bei der gängigsten Art des Überspannungsschutzes ist ein so genannter Metalloxid-Varistor oder MOV, der die überschüssige Spannung aus dem geschützten Bauteil ableitet.
MOVs haben eine große Verbreitung in Überspannungsschutzschaltungen, weil sie sehr schnell reagieren, viel Stoßenergie aufnehmen können, kostengünstig sind und eine kompakte Bauweise haben. Allerdings setzt bei MOVs nach einer Anzahl von Überspannungsspitzen ein Alterungsprozess ein, durch den sie nicht mehr denselben Schutz bieten wie neue Bauteile. Der alterungsbedingte Leistungsabbau von MOVs verläuft zwar langsam. Aber ein großes oder mehrere kleine Überspannungsereignisse können zum Ausfall führen. Der MOV-Alterungsprozess ist durch einen Anstieg des Leckstroms gekennzeichnet. Der dadurch resultierende Temperaturanstieg im Baustein kann ein so genanntes „thermisches Durchgehen“ des MOV auslösen (der im Extremfall zu Rauchbildung und Feuer führen kann). Aus diesem Grund muss in Serie mit dem MOV eine thermische Abtrennvorrichtung geschaltet werden, welche den Schaltkreis trennt, bevor Rauch oder Feuer auftreten kann. Falls der MOV und das Temperatursicherungselement nicht in die LED-Spannungsversorgungsschaltung integriert sind, sondern als separates Überspannungsschutzelement (Surge Protection Device, SPD) ausgeführt sind, müsste bei einem alterungsbedingten Ausfall durch mehrere Überspannungsereignisse lediglich das SPD-Modul ausgetauscht werden.
Der innovative, modulare Ansatz von Littelfuse trennt die Überspannungsschutzschaltung von der Spannungsversorgung. Dies ermöglicht nicht nur den separaten Austausch des Moduls am Ende der Lebenszeit, sondern erlaubt auch die weltweite Vermarktung derselben Leuchte durch einfaches Wechseln des Überspannungsschutzmoduls entsprechend den „örtlichen“ Anforderungen. Darüber hinaus kann das Modul auch den LED-Treiber gegen etwaige Installationsfehler schützen, die zu einem thermischen Durchgehen des MOV führen könnten (d. h. Verlust des Neutralleiters oder falsche Verkabelung). In solchen Fällen trennt die Temperaturschutzschaltung im Überspannungsschutz bauteil (Surge Protection Device (SPD) einfach die Verbindung und kann dadurch (konfigurationsabhängig) Folgeschäden an der übrigen Leuchte verhindern.
Leuchtendesigner haben auf der Basis ihrer Wartungs- und Garantiestrategien zwei Haupttypen von SPD-Modulkonfigurationen zur Wahl. Dabei handelt es sich um parallel oder in Serie angeschlossene Überspannungsschutz-Unterbaugruppen. Littelfuse bietet Lösungen für beide Konfigurationen mit den Überspannungsschutzmodulen der Baureihen LSP05 und LSP10.
Parallele Verbindung
– Das SPD-Modul ist parallel zur Last geschaltet. Wenn das SPD-Modul Ende seiner Lebensdauer erreicht hat (Stromkreis wurde durch die Temperaturschutzschaltung geöffnet), wird es von der Spannungsquelle getrennt, während das Spannungsversorgungsmodul und das LED-Treibermodul weiterhin mit Energie versorgt werden. Die Beleuchtung funktioniert weiterhin, allerdings geht der vom CSP bereitgestellte Schutz gegen künftige transiente Spannungsspitzen sowohl für das Spannungsversorgungs- als auch das LED-Modul verloren. In einem parallel verbundenen SPD-Modul kann eine zusätzliche kleine LED zur Anzeige des SPD-Modulstatus den Wartungstechniker über SPD-Status informieren. Optionen für grüne LED (Normalbetrieb) und rote LED (End of Life) bieten eine visuelle Anzeige an jedem Standort für den Wartungsbedarf. Alternativ zu der optischen LED-Anzeige an jedem einzelnen Beleuchtungskörper ließe sich die Notwendigkeit zur Wartung eines SPD-Moduls auch an eine Beleuchtungsmanagement-Leitstelle übertragen, indem die Leitungen zur End-of-Life-Anzeige des SPD durch ein vernetztes Smart-Lighting-System übertragen werden. Letzteres bietet eine wesentlich sauberere Überwachungslösung.Serielle Verbindung
– Das SPD-Modul ist in Reihe mit der Last geschaltet, ein SPD- Modul, das sein End of Life erreicht hat (Stromkreis wurde durch die Temperaturschutzschaltung geöffnet), wird von der Spannungsquelle getrennt. Dies führt zur Trennung des Spannungsversorgungsmoduls und des LED-Moduls, das wiederum die Beleuchtung ausschaltet. Bei einem in Serie geschalteten SPD ist der Ausfall der Spannung (und das Dunkelbleiben) des Beleuchtungskörpers ein Anzeichen für eine Wartungsanforderung zum Auswechseln des SPD-Moduls. Da sowohl das Spannungsversorgungs- als auch das LED-Modul getrennt werden, können diese durch zukünftige transiente Spannungsspitzen nicht mehr geschädigt werden. Diese Konfiguration verbreitet sich sehr schnell, weil die Investition in die LED- und Spannungsversorgungsmodule des Beleuchtungskörpers bis zum Austausch des in Serie geschalteten SPD-Moduls geschützt bleiben. Es ist weitaus kostengünstiger, nur das in Serie geschaltete SPD-Modul auszutauschen als das gesamte Beleuchtungskörpersystem im Falle eines parallel geschalteten SPD-Moduls, wenn vor dem Austausch des SPD-Moduls ein schädliches Überspannungsereignis auftritt.
Fazit
Der kreative Ansatz, das Leuchtkörperdesign in Module aufzuteilen, eröffnet dem Leuchtkörperdesigner einen hohen Grad der Flexibilität für das Systemdesign. Der modulare Ansatz ermöglicht das Design für mehrere Spannungen mit verschiedenen Schutzstufen entsprechend dem jeweiligen geografischen Standort. Darüber hinaus bietet diese innovative Technologie auch visuelle Indikatoren für einen Modulausfall und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle Trennungsmöglichkeit zwischen SPD-Modul und Spannungsversorgung/Leuchtquelle. Dies vereinfacht die Wartung für Servicetechniker.
Die LED-Außenbeleuchtung ist der Zukunftstrend für Straßenbeleuchtung, digitale Beschilderung, Verkehrsampeln und Parkhausbeleuchtung aufgrund niedrigerer Leistungsaufnahme, längerer Gesamtlebenszeit und geringerer Wartungskosten. Die Überspannungsschutzmodule von Littelfuse werden nicht nur die Zuverlässigkeit dieser Systeme steigern, sondern auch die Lebensdauer von Spannungsversorgungen und Leuchtquellen durch die Bereitstellung eines stabilen Schutzes gegen transiente Spannungsspitzen verlängern.