Die Leuchtdiode (LED) scheint ein unermüdlicher Arbeiter zu sein, und ihre Solid-State-Konstruktion verspricht eine lange Lebensdauer. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von Leuchten mit hoher Intensität werden LEDs schnell zur traditionellen Komponente für die Flächenbeleuchtung. Während LED-Beleuchtung eine längere Lebensdauer als ältere Glüh- und Leuchtstofftechnologien verspricht, kann ein vorzeitiger Leuchtenausfall die Benutzer enttäuschen. Online-Rezensionen und Mundpropaganda sagen dem Markt schnell, wie sich verschiedene Marken in Bezug auf die Zuverlässigkeit verhalten, und Hersteller gehen Reputationsrisiken sowie das Potenzial für geringere Umsätze im Vergleich zur wahrgenommenen Konkurrenz ein.
Warum LEDs ausfallen können
Trotz ihrer anerkannten Zuverlässigkeit als Halbleiterbauelemente können LEDs zerbrechlich sein, und ein Hauptgrund für einen vorzeitigen Ausfall sind Schäden an den LEDs selbst, die durch transiente Überspannungen verursacht werden, die aus einer Vielzahl von Quellen stammen können. Da LEDs häufig in Umgebungen mit niedriger Spannung wie etwa Blinkern verwendet werden und selten schädlichen Überspannungen ausgesetzt sind, unterschätzen Designer oft die Risiken, denen LEDs ausgesetzt sind, wenn sie in anspruchsvolleren Anwendungen oder unter härteren Bedingungen wie etwa in der Straßenbeleuchtung eingesetzt werden. Trotz ihrer berüchtigten Zuverlässigkeit haben LEDs bekannte Ausfallmechanismen sowohl mechanischer als auch thermischer Natur. Beispielsweise erzeugt eine LED, die über lange Zeiträume mit voller Leistung betrieben wird, große Wärmemengen, die schließlich die Verbindungen in den Leitern beschädigen, die das Gerät mit seinem Gehäuse verbinden. Da metallische Leiter durch Hitze oxidieren, werden sie mit der Zeit spröde, was die Wahrscheinlichkeit eines LED-Ausfalls erhöht, insbesondere in Systemen, die anfällig für Vibrationen sind.
Andere Ursachen für den Ausfall von LEDs sind, wie bei anderen Halbleitern auch, elektrostatische Entladungen oder Überspannungen, die durch Blitzeinschläge in der Nähe verursacht werden. Eine weitere Herausforderung bei der Verwendung von Festkörperbeleuchtungsdesigns besteht darin, dass ein ganzer LED-Streifen in einer Leuchte aufgrund eines Problems mit nur einer der LEDs im Array ausfallen kann. LEDs werden normalerweise in Reihe geschaltet und von einer Konstantstromquelle gespeist, abhängig von der gewünschten Helligkeit, Farbe und Intensität, die von der Anwendung benötigt werden. Eine Reihenverdrahtung wird bevorzugt, da sie ein konsistenteres Verhalten über alle LEDs im Streifen hinweg bietet, was eine gleichmäßigere Helligkeit bietet. Ein offener Stromkreis in einer einzelnen LED auf einem Streifen, der möglicherweise durch einen einzelnen Leiterbruch an der Verbindungsstelle verursacht wird, kann zum Ausfall des gesamten Streifens führen.
Bei der öffentlichen Beleuchtung oder der Landebahnbeleuchtung von Flughäfen kann der Verlust des Streifens das Licht dimmen oder ausschalten, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Der Einsatz in Werbetafeln mit LED-Displays ist weniger kritisch, aber durch Bandbruch verursachte weiße Flecken führen zu Reklamationen und potenziell entgangenen Gewinnen sowie häufigeren Wartungskosten. Bei Heimanwendungen werden Marken, die für ihre Neigung zu vorzeitigem Ausfall bekannt sind, Probleme auf dem Markt bekommen.
Integrieren Sie Schutz in das Design, um häufige Fehler zu vermeiden
Sorgfalt bei den Schaltungen ermöglicht es jedoch, Ausfälle zu reduzieren oder sogar zu vermeiden. Viele Systeme verfügen über ein gewisses Maß an ESD- und Überspannungsschutz, konzentrieren sich jedoch häufig auf den Eingang der Stromversorgung. Natürlich ist der AC-Eingang ein wichtiger Schutzbereich, aber in allen LED-Beleuchtungsanwendungen gibt es drei Bereiche, die einen Schaltkreisschutz erfordern. Zusätzlich zum AC-Eingang müssen der DC-Teil der Stromversorgung und die LEDs selbst geschützt werden, und Designer müssen alle verschiedenen Arten von Schutz berücksichtigen, die an jedem Punkt in der Schaltung benötigt werden.
Schützen Sie die LED selbst
Das Problem, dass eine einzelne LED ausfällt und ein gesamtes Band dimmt, kann einfach vermieden werden, indem ein offenes LED-Schutzgerät parallel zu jeder LED auf dem Band geschaltet wird. Eine Art von Komponente, die als Schutz für offene LEDs fungieren kann, ist ein elektronischer Shunt, der als Strombrücke für den offen gelassenen Stromkreis fungiert und Strom zu den restlichen LEDs auf dem Streifen fließen lässt. Der Shunt ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen, das automatisch zurückgesetzt wird, wenn sich die offene LED-Verbindung von selbst erholt oder ersetzt wird. Ein gutes Design für einen solchen Shunt-Schutz ist ein spannungsaktivierter Schalter mit einem Mikroampere-Leckstrom. Sobald die LED geöffnet ist, liegt genügend Spannung im Stromkreis an, um den Schutz zu aktivieren. Ein Vorteil dieses Schutztyps ist seine eingebaute Überspannungsimmunität, die die LED im Falle einer Überspannung umgeht, die durch einen Blitz oder eine elektrostatische Entladung in der Nähe verursacht werden könnte. Beispiele für solche elektronischen Shunts finden sich im PLED-Sortiment, deren Geräte die LEDs auch vor unbeabsichtigten Spannungsumkehrungen schützen. PLEDs sind relativ einfach zu spezifizieren. Mit Parametern wie Gleichspannung und Gleichstrom und dem in den LED-Streifen verwendeten Anschlussschema bleibt nur noch die Größe der LED und deren Schutzfaktor zu bestimmen. Der PLED-Schaltstrom muss kleiner sein als der von der Konstantstromquelle bereitgestellte Wert und die Einschaltspannung muss kleiner sein als die „Compliance“-Spannung, die die maximale Leerlauf-Ausgangsspannung ist, die von der Quellenstromversorgung für den LED-Streifen bereitgestellt wird . Der nächste Schritt besteht darin, die Anzahl der LEDs zu bestimmen, die durch eine einzelne PLED geschützt werden: Ein Designer kann sich dafür entscheiden, ein Dimmen zu riskieren, das durch drei stromlose LEDs verursacht wird, wenn nur eine der LEDs in der Gruppe ausfällt. Typischerweise schützt ein PLED6, das mit 6 V betrieben wird, eine LED; ein PLED9, der mit 9 V betrieben wird, ist für die Verwendung mit zwei LEDs geeignet; und der PLED13 kann mit einer Gruppe von drei LEDs verwendet werden. Andere Komponenten mit dem Potenzial, zum Schutz offener LEDs verwendet zu werden, haben oft Nachteile.
Beispielsweise haben siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) und Zenerdioden beide Eigenschaften, die Sie glauben lassen könnten, dass sie der Aufgabe gewachsen sind. Eine Zenerdiode bietet effektiven ESD- und Blitzschutz sowie Verpolungsschutz. Sie würde jedoch bei Stromanwendung nicht lange überleben, da der Streifenstrom, wenn er aktiv ist, die Diode leicht überlasten wird, wodurch ihre Haltbarkeit verringert wird. Ein SCR schützt vor offenen LED-Bedingungen, aber nicht vor ESD oder Blitzschlag, und bietet auch keine Verpolungserkennung. Ein SCR ist im Allgemeinen auch ein größeres Gerät, das in vielen Leuchten mit hoher Helligkeit, in denen die LEDs möglicherweise bereits dicht gepackt sind, nicht einfach unterzubringen ist.
Schutz für AC-Eingang
Bei der Auswahl des Schutzes für den AC-Eingang muss unbedingt berücksichtigt werden, dass dies ein Bereich ist, der sehr anfällig für Überspannungen durch Blitzeinschläge ist. Schutzvorrichtungen müssen stark genug sein, um den Anforderungen von Blitzüberspannungen gerecht zu werden. Ein Minimum von 3 kA ist erforderlich, aber es kann wichtig sein, 6 kA zu garantieren. Außerdem muss schnell reagiert werden, um Folgeschäden zu begrenzen. Zu den Auswahlkriterien der Sicherungslinie für den AC-Eingang gehören Spannung und Strom sowie der I2T-Wert. Der dritte Parameter liefert einen Indikator für die Energiemenge, der das Sicherungselement standhalten kann, bevor es öffnet. Folglich haben zeitverzögerte Sicherungen höhere I2T-Werte als schneller wirkende Sicherungen. Außerdem steigt der I2T-Wert proportional zum Nennstrom der Sicherung. Eine weitere Schlüsselkomponente der Wechselstromversorgung ist ein Überspannungsschutz (TVS) oder ein Metalloxid-Varistor (MOV), der verwendet wird, um Spannungen von empfindlichen Komponenten wegzuleiten.
Schutz für DC-Eingang
Eine entscheidende Komponente im DC-Teil ist die Hochspannungs-DC-Sicherung, die so ausgelegt ist, dass sie bei Überströmen öffnet. Ein sekundärer TVS im DC-Teil bietet zusätzlichen Schutz vor Überspannungen, verhindert Schäden an der Steuerelektronik des Stromrichters und begrenzt die Menge an schädlicher Ladung, die zu den LED-Streifen selbst gelangen kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LEDs zwar eine höhere Lebensdauer als herkömmliche Beleuchtungslösungen haben, aber einen angemessenen Schaltkreisschutz erfordern, um ihr Versprechen zu halten. Durch die Konzentration auf die drei Hauptelemente des elektrischen Designs einer Leuchte haben LEDs eine längere Lebensdauer und ihre Verwendung wird sich auf immer anspruchsvollere Umgebungen erstrecken.
