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EMV

 

 

Erstveröffentlichung im Bulletin SEV/VSE 01/2014, Autoren Ruedi Felder und Christoph Hauser

 

EMV bei LED

Jedes elektrische Gerät erzeugt einerseits elektromagnetische Aussendungen (Emission) und kann andererseits mehr oder weniger duch elektrische und elektromagnetische Störungen beeinflusst werden (Immunität). Diese Beeinflussung zwischen Geräten wird als elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezeichnet. Für die Einwirkung der elektromagnetischen Aussendungen auf die Biologie hat sich der Begriff EMF (elektromagnetische Felder) eingebürgert. 

 

Für EMV und EMF von Leuchten relevanten Produktnormen

 

Norm Thema
EN 55015 / CISPR15 Emission
EN / IEC 61547 Immunität
EN / IEC 61000-3-2 Harmonische
EN / IEC 61000-3-3 Flicker
EN / IEC 62493 EMF

 

Von den diversen EMV-Phänomenen sind bei Retrofit-LEDs und AC-LEDs vor allem geleitete Störungen, gestrahlte Störungen, Er-zeugung von Oberwellen (Harmonische) und die Immunität gegen Impulsstörungen interessant. Generell gilt: je mehr Elektronik, desto mehr EMV-Probleme.

 

Um sich eine Vorstellung zu verschaffen, wie die Situation bei AC-LEDs bezüglich der EMV-Thematik aussieht, wurden im EMV-Labor von Electrosuisse AC- und andere LEDs der Hersteller Philips, LG, Samsung, Osram, Segula, Conrad, Toshiba Micronetics, XQ-Lite, Lightway, Panasonic, Sunlux und Seoul Semiconductor getestet und ausgemessen.

Tabelle 2 gibt eine Übersicht über die getesteten Varianten. Da die Stichprobengrösse nicht repräsentativ ist, wurde bewusst auf die Angabe des jeweiligen Typs verzichtet. Man erhält trotzdem einen wertvollen Einblick in Stärken und Schwächen der AC-LEDs.

EMV B1

 

Störstrahlung

Eine Glühbirne erzeugt weder geleitete noch gestrahlte Störungen. Bei den AC-LEDs, die nur über eine passive Beschaltung verfügen, wurde das gleiche Verhalten erwartet und bestätigt. Keine der drei gemessenen, passiv beschalteten AC-LEDs emittierte Störstrahlung.

Von den 13 gemessenen Produkten mit aktiver Elektronik überschritt nur ein Produkt die Limite. Die meisten der anderen Lampen mit aktiver Elektronik hielten die Limite knapp ein, einige wenige auch mit guter Reserve

(Bild 5).

Eines der Produkte, das aufgrund der Messungen als eine technische Lösung mit nur wenig Elektronik interpretiert werden kann, aber dennoch keine reine AC-LED darstellt, zeigte nur wenig Emissionen.

 

EMV B2

 

Störspannung

Für die Beurteilung der geleiteten Emission wird die über das Netzkabel übertragene Störspannung gemessen. AC-LEDs mit passiver Beschaltung haben deutliche Vorteile, denn die Störspannung wird mit viel Reserve erfüllt.

Bei Retrofit-LEDs mit integriertem Schaltregler sieht dies anders aus. Die für ein verlustarmes Schalten erforderlichen steilen Flanken haben trotz der relativ geringen Leistung von einigen Watt ein hohes Störpotenzial.

Die äusserst knappe Erfüllung der Limite (Bild 6) überrascht nicht, denn wegen des immensen Kostendrucks bauen die Hersteller nur das absolute Minimum an Entstörkomponenten ein, oft in mangelhafter Qualität. Die gute Lebensdauer der LED ist dann gepaart mit einer Vor-schaltelektronik, welche die Anforderungen nur knapp erfüllt und zudem eine viel höhere Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist. Auch wenn der Wirkungsgrad gegenüber der Glühbirne um Faktoren besser ist, werden die elektronischen Bauteile in der Retrofit-LED sehr heiss. Dies verkürzt die Lebensdauer zusätzlich.

Hier liegen Wechselstrom-LED-Konzepte klar im Vorteil. Die Emissionen liegen weit unter den Limiten und jedes Bauteil, auf das verzichtet wurde, erhöht die Lebensdauer und senkt die Kosten (Bild 7).

 

EMV B3

 

EMF

Erst seit ein paar Jahren gibt es für Leuchten EMF-Anforderungen. Durch die gegenüber anderen Geräten umfangreicheren Messungen der EMV-Prüfung muss für den Nachweis nur noch das elektrische Feld im Bereich von 20 kHz bis 10 MHz gemessen werden

(Bild 8). Das Resultat einer Auswertung nach IEC / EN 62493 ist ein als Faktor F bezeichneter, dimensionsloser Wert, der nicht höher als 0,85 sein darf (Tabelle 2).

Die Resultate der EMF-Messungen bei AC-LEDs sind sehr erfreulich, obwohl die Messdistanz mit 30 cm kurz gewählt wurde. Bei einer Schreibtisch- oder Nachttischlampe mag der tatsächliche Gebrauchsabstand so nahe sein, die typische Entfernung des Leuchtmittels zum Kopf ist aber in der Praxis wesentlich grösser.

Die biologische Wirkung aller gemessenen Leuchtmittel ist gering. Bei den AC-LED ist sie sehr nahe bei den Glühbirnen, bei aktiven Systemen geringer als bei Energiesparlampen.

 

EMV B4

 

Harmonische

Jede nichtlineare Stromentnahme aus dem Versorgungsnetz führt zur Erzeugung von Harmonischen der 50-Hz-Netzfrequenz. Streng ge-nommen gilt dies auch für die Glühbirne, da der Wolframwendel einen Kaltleiter darstellt. Der Anteil der Oberschwingungen ist aber sehr gering und deshalb vernachlässigbar.

Die Messung erfolgt nach der Norm IEC/EN 61000-3-2 mit den Grenzwerten der Klasse C für Beleuchtungseinrichtungen. Diese Grenzwerte sind dynamisch, d.h. sie werden von der effektiven Wirkleistungsaufnahme abgeleitet. Bei einer Leistung von mehr als 25 W ist die Norm für alle Arten von Leuchtmitteln anwendbar und die Limiten müssen von allen Technologien eingehalten werden.

Für eine Leistungsaufnahme unter 25 W ist die normative Bewertung zurzeit noch nicht juristisch wirksam möglich, weil die Grenzwerte für eine Leistungsaufnahme unter 25 W nur für Entladungslampen gelten. Aufgrund dieser Normlücke ist die Messung und Beurteilung für LEDs mit kleiner Leistung nur als Interpretation oder informativ möglich. Es gibt zwar schon seit Jahren einen Normenentwurf mit der Forderung, generell ab 5 W Leistungsaufnahme die gleichen Grenzwerte wie für Entladungslampen < 25 W anzuwenden. Bisher gelang es aber noch nicht, einen Konsens oder Beschluss zu erreichen. Auch das nächste Amendment der Norm EN/IEC 61000-3-2 wird leider ohne Integration der LED-Technologie erscheinen.

Bei Retrofit- und AC-LEDs werden je nach Schaltungstechnik mehr oder weniger Harmonische erzeugt. Ein Schaltregler mit aktiver PFC (Power Factor Correction) würde sehr wenige Harmonische erzeugen, allerdings mit nicht unerheblichem Aufwand für die Elektronik. Bei der geringen Leistungsaufnahme der Retrofit-LED sind aber auch Lösungen mit passiven Elementen möglich.

Von allen betrachteten Retrofit-LEDs erfüllen etwa die Hälfte die informativ gemessenen Harmonischen mit den Klasse C Limiten für < 25 W. Bei den AC-LEDs können die Grenzwerte der Klasse C mit Zusatzbeschaltung von Widerständen und Kondensatoren erreicht werden, dies reduziert allerdings den Gesamtwirkungsgrad geringfügig.

Die neuen Konzepte der AC-LED ergeben bei den Harmonischen gute Werte. Das Product Acrich2 mit den geschalteten LED-Gruppen ergibt sogar sehr gute Resultate. Die Stromentnahme aus dem Netz ist derart nahe am idealen Sinus, dass nicht nur die informativen Grenzwerte für Klasse C < 25 W eingehalten werden, sondern sogar gesamthaft alle Harmonischen, obwohl sie auf die Wirkleistung von 18 W herunterskaliert werden

(Bild 9).

 

EMV B5

 

 

Surge-Immunität

Einen energiereichen Impuls auf der Netzspannung, wie er bei einem Blitzeinschlag ins Versorgungsnetz auftreten kann, quittiert eine Glüh-birne meistens gelassen mit kurzzeitig hellerem Licht, im schlimmsten Fall mit Durchbrennen des Wendels, wie dies auch bei Erreichen der Lebensdauer im Normalbetrieb auftreten kann. Die Rest-Impulsspannung in der Energieverteilung eines Hauses, wie sie bei einem Blitzeinschlag auftritt, wird mit einem sogenannten Surge-Impuls simuliert.

Die Immunitätsnorm für Leuchten enthält hierfür eine herstellerfreundliche Besonderheit. Anstelle einer im Haushaltsbereich üblichen Prüfspannung von 1000 V werden Leuchten mit einer Leistung unter 25 W mit lediglich 500 V geprüft.

Für die Messreihe Surge wurde erwartet, dass einige Produkte schon früh ausfallen. Ausgehend von der Normprüfung mit je fünf Im-pulsen von +500 V und –500 V wurde die Prüfspannung schrittweise auf 800 V, 1000 V, 1500 V und 2000 V erhöht. Bei all diesen zusätzlichen Prüfungen wurden alle Phasenwinkel von 0 °, 90 °, 180 ° und 270 ° mit jeweils fünf Impulsen geprüft, pro Spannung also 40 Impulse appliziert.

Das Resultat ist erfreulich. Nur zwei der geprüften Produkte begnügen sich mit dem normativen Minimum und auch nur ein einziges Produkt ging bei 1000 V defekt.

Die Hälfte überstand sogar einen kompletten Durchgang bis zur Prüfspannung 2000 V und ist damit auch im Aussenbereich oder für Industrienetze mit hohem Störpotenzial tauglich.

Zusammen mit einem installationsseitigen Grobschutz kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Leuchtmittel noch erhöht werden.

 

Flicker-Immunität

Flicker ist vor allem bei Produkten mit mittlerer und hoher Leistung ein Thema. Ein Gerät darf die Netzspannung nur beschränkt mit Änderungen der Leistungsentnahme beeinflussen. Diese Art der Netzrückwirkungen ist mit der Flickerkurve genormt. Die auf Basis der 60-W-Glühbirne empirisch ermittelte Kurve entspricht der Belästigungsgrenze von Helligkeitsunterschieden auf das menschliche Auge und deren bewusste und unbewusste Wahrnehmung.

Es ist technisch nicht möglich, mit Geräten oder Leuchtmitteln mit einer Leistungsaufnahme bis zu einigen 100 W die Grenzwerte der Netzbeeinflussung zu erreichen.

Hingegen ist bei Leuchtmitteln die umgekehrte Betrachtung für den Vergleich der verschiedenen Technologien sehr interessant. Ziel der Untersuchungen war es, die Flickerempfindlichkeit der verschiedenen LED-Leuchtmittel untereinander und mit der Referenzglühbirne 60 W sowie Energiesparlampe qualitativ zu beurteilen.

Die Änderung der Helligkeit beim normalen 50-Hz-Sinus der Netzspannung wurde zuerst untersucht. Glühbirnen erzeugen zwar er-wartungsgemäss Helligkeitsänderungen von 100 Hz, die Helligkeit geht aber nicht auf null zurück aufgrund des Nachleuchtens des Wolf-ramwendels.

Die meisten Retrofit-LEDs mit Schaltregler zeigen wenig bis gar keine Helligkeitsänderungen, da die Ansteuerung der LEDs selbst mit einem geregelten Gleichstrom erfolgt.

Die Energiesparlampen zeigen ebenfalls nur geringe Änderungen des Lichts, in gleicher Grössenordnung wie bei der Glühbirne.

Bei der AC-LED zeigt sich nun ein Nachteil. Im Vergleich zu den anderen Technologien beeinflussen Spannungsänderungen die Licht-stärke deutlicher. Bei der Netzfrequenz 50 Hz ist dies zwar messbar, aber für den Menschen nicht sichtbar.

Die Norm EN/IEC 61000-4-15 enthält Tabellen für die erlaubten Netzspannungsänderungen in Abhängigkeit der Änderungsfrequenz, sowohl für sinus- als auch rechteckförmige Modulation.

Um eine qualitative Aussage der Flickerempfindlichkeit von Retrofit-LEDs oder AC-LEDs im Vergleich zur Referenzglühlampe zu er-halten, wurden die Helligkeitsänderungen an zwei Punkten untersucht. Dabei gab es zwei überraschende Erkenntnisse:

Bei den Flickeruntersuchungen fiel auf, dass unabhängig von der Technologie des Leuchtmittels die Modulation mit 25 Hz und einer Span-nungsänderung von 1 % viel stärker bemerkbar war als der gemäss Norm vermeintlich kritische Punkt bei 8,8 Hz mit 0,29 %.

Interessanterweise zeigten auch einige Retrofit-LED mit eingebautem Schaltregler Schwächen bei diesen niederfrequenten Störgrössen.

 

Zusammenfassung

Wechselspannungs- oder AC-LEDs sind im Moment noch ein Nischenprodukt. Es gibt aber bereits mehrere Hersteller mit unter-schiedlichen Ansätzen auf dem Markt. Durch das Wegfallen der Treiberelektronik und den Elektrolytkondensatoren entfallen die schwächsten Glieder des Schaltreglers für LED-Beleuchtungssysteme. Die wenigen benötigten passiven Bauelemente und Halbleiter können kostengünstig und trotzdem robust ausgelegt werden.

Die Emissionswerte für EMV und EMF sind sehr gut oder sogar an der Messgrenze, Harmonische werden nur wenig erzeugt, der grösste Teil der geprüften Wechselstrom-LEDs ist zudem dimmbar.

Durch die ohnehin eingebauten Impedanzen erreichen die meisten Produkte eine gute bis sehr gute Immunität gegen Surge-Impulse.

Einziger Schwachpunkt ist die Flickerempfindlichkeit. Durch die schnelle Reaktionszeit der LED werden Spannungsänderungen meist direkt in Helligkeitsänderungen umgesetzt. Die modernen Prinzipien vermögen dies etwas abzudämpfen, das absolut gleich-mässige Licht einiger der geprüften Retro-Fit-LED mit Schaltregler wird aber nicht erreicht. Allerdings zeigten auch einige der Ret-rofit-Leuchten Schwächen bei bestimmten Frequenzen der Netzspannungsänderungen. Für viele Anwendungsbereiche spielt die Flickerempfindlichkeit der AC-LEDs jedoch keine grosse Rolle.

 

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