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LED-Vorschaltgerät

WalSun WST12-350IL

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL

Dieses LED-Vorschaltgerät stammt aus einer Zimmerlampe des Discounters Lidl, die nach neun Jahren in Betrieb ihre Funktion eingestellt hat.

Der Hersteller ist der chinesische Konzern WalSun, genauer die Sparte WalSun Lighting. Die Modellbezeichnung lautet WST12-350IL.
Es handelt sich um eine Konstantstromquelle, die 350mA im Spannungsbereich zwischen 24V und 40V liefert.
Das Vorschaltgerät bietet keinen Weitbereichseingang, es ist nur für Spannungen zwischen 220V und 240V spezifiziert.
Die Umgebungstemperatur darf bis zu 50°C betragen, wobei sich das Gehäuse auf bis zu 70°C erwärmen kann.
Ein- und Ausgang sind galvanisch getrennt, allerdings nur "SELV-equivalent", Netzteile mit dieser Einstufung müssen geringeren Prüfspannungen standhalten als SELV-Netzteile.

Jeweils zwei Schrauben fixieren zwei Kunststoffteile an den Enden, die die Klemmblöcke abdecken und gleichzeitig als Zugentlastung dienen.

 

LED-Vorschaltgerät WST12-350IL EMV-Filter

Die elektromagnetische Verträglichkeit der Lampe war anscheinend nicht ausreichend, da in der Zuleitung zum Vorschaltgerät noch eine zusätzliche Filterplatine eingefügt wurde. Das Vorschaltgerät alleine wird auch ohne einem zusätzlichen EMV-Filter vertrieben und besitzt ein CE-Zeichen. Es stellt sich folglich die Frage warum bei dieser Lampe ein zusätzlicher Filter integriert wurde. Die Lampe besteht aus einer ausladenden Metallstruktur und ist an den Potentialausgleich angeschlossen. Es ist denkbar, dass sich in einer solche Einbausituation hochfrequente Störungen am Ausgang des Vorschaltgeräts in die Metallstruktur und damit in den Potentialausgleich einkoppeln. Der zusätzliche Filter muss wahrscheinlich diese Störungen kurzschließen und verhindern, dass sie in das Versorgungsnetz abfließen. Ohne die große Kapazität zwischen dem Ausgang des Vorschaltgeräts und dem Potentialausgleich ist die elektromagnetische Verträglichkeit vermutlich ausreichend.

Der Filter besitzt am Netzanschluss einen sogenannten "fusible resistor", was durch die Bezeichnung "FR1" zu erkennen ist. Der 10Ω-Widerstand dient als Sicherung und gleichzeitig als Strombegrenzung im Fehlerfall, was Sicherungen nicht darstellen können. Das Überlastverhalten gewöhnlicher Widerstände ist meist nicht definiert. Bei Sicherungswiderständen garantiert die Konstruktion dagegen, dass im Überlastfall der Stromfluss unterbrochen wird.
Hinter dem Widerstand befindet sich ein Varistor vom Typ 10D361K, der Überspannungen aus dem Versorgungsnetz ableitet.
Es folgt der eigentliche Filter bestehend aus einem X-Kondensator, einer Gleichtaktdrossel und zweier Y-Kondensatoren. Die Anbindung des Potentialausgleichs zwischen den Y-Kondensatoren wurde auf diesem Bild bereits entfernt.

 

Der Vorbesitzer hatte bereits herausgefunden, dass der Widerstand durchgebrannt war. Ein Test ohne Filterplatine führte dann zu einem letzten kurzen Aufleuchten der Lampe.

 

Fusible resistor

Betrachtet man den Sicherungswiderstand genauer, so kann man die Stelle ausmachen, an der die Widerstandswendel zerstört wurde.

 

Fusible resistor Ausfall

Fusible resistor Ausfall

Dass während der Unterbrechung des Widerstands eine nicht unerhebliche Energie frei wurde zeigt sich auch auf der Platine. Aus dem Widerstand muss ein Tropfen flüssiges Metall ausgetreten und auf die Platine getropft sein. Das Metall hat sich relativ fein verteilt und die Oberfläche des Lötstopplacks zum Teil verbrannt.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Platine

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Platine

Im Vorschaltgerät wird die Netzspannung durch eine träge 1A-Sicherung geleitet. Darauf folgt ein X-Kondensator und eine Gleichtaktdrossel. Die im Vergleich zum Filter sehr ähnlichen Bauformen lassen vermuten, dass der Filter ebenfalls von WalSun gefertigt wurde. Es folgt die Drosselinduktivität L2, deren Bestückplatz eine sehr viel größeres Modell zulassen würde. Höchstwahrscheinlich existiert eine 120V-Variante, deren höhere Stromaufnahme eine größere Drosselinduktivität benötigt. Die Gleichrichtung erfolgt über vier 1N4007-Dioden. Vor diesen Dioden befindet sich ein weiterer 10D361K-Varistor. Der große, mittig platzierte Kondensator kann in einer 120V-Variante des Vorschaltgeräts durch ein größeres Modell mit höherer Kapazität ersetzt werden.

Der eigentliche Schaltregler ist um einen Tiny-Switch-III-Chip der Firma Power Integrations aufgebaut. Es handelt sich um einen klassischen Flyback-Schaltregler. Der Regler-IC enthält den Leistungstransistor. Der TNY280PN ist das größte Modell der Reihe, das in einem geschlossenen Gehäuse Leistungsübertragungen bis zu 20W ermöglichen kann.

Damit der Transformator die notwendige Isolationsfestigkeit bietet, sind die Leitungen der Sekundärwicklungen innerhalb des Transformators in zusätzliche Isolationsschläuche gehüllt. Außerdem besitzt die Sekundärseite des Transformators keine Pins. Stattdessen wurden die Leitungen der Sekundärwicklung verlängert, was für lange Kriechstrecken sorgt.

Auf der Sekundärseite befindet sich ein Gleichrichter und ein Elektrolytkondensator. Unterhalb des Elektrolytkondensators verbessert ein SMD-Keramikkondensator, die Hochfrequenzeigenschaften.

Der Flyback-Regler erhält sein Feedbacksignal über einen Optokoppler, der die Isolationsstrecke überbrückt. Als Regelsignal dient der Ausgangsstrom, der über einen 4,3Ω-Lastwiderstand in eine Spannung gewandelt wird. Das Referenzsignal liefert eine TL431-Referenzspannungsquelle.
Bevor der Strom über den Klemmblock ausgegeben wird, durchläuft er eine Drosselinduktivität. Diese Induktivität trägt zur weiteren Entstörung des Ausgangsstroms bei. Wichtiger dürfte allerdings der positive Einfluss auf das Regelverhalten sein, da die Induktivität die maximale Stromänderungsgeschwindigkeit begrenzt. Auf der Platinenunterseite befindet sich ein Bestückplatz für einen Widerstand, der die Induktivität bedämpfen könnte, falls es in Kombination mit kapazitiven Lasten zu Schwingungen kommen sollte.

Zwischen den Klemmstellen des Ausgangs befindet sich ein NPN-Transistor und im negativen Pfad ein Shunt aus zwei parallel geschalteten 2,2Ω-Widerständen. Der Transistor sorgt für ein stabiles Leerlaufverhalten indem er einen gewissen Mindeststrom fließen lässt. Das ist notwendig, da sich völlig unbelastete Flyback-Schaltregler problematisch verhalten. Es können sich zu hohe Ausgangsspannungen einstellen und das Schaltverhalten verschlechtert sich. Letzteres führt wiederum zu höheren Störabstrahlungen. Der Mindeststrom stellt sich bei dieser Schaltung über die intrinsische Basis-Emitter-Spannung und die 2,2Ω-Widerstände ein. Sobald über die Klemmstellen ein Laststrom fließt fällt über die Widerstände eine Spannung ab und der Transistor sperrt, so dass keine unnötige Verlustleistung anfällt.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Flyback EMV

Flyback-Schaltregler sind relativ einfach und daher günstig, erzeugen aber nicht unerhebliche Störungen. Am Knoten zwischen Transformator und Leistungsschalter (hier rot) treten bei jedem Abschaltvorgang des Schaltreglers sehr hohe Spannungsgradienten auf. Diese Spannungsgradienten übertragen sich unter anderem über die parasitären Kapazitäten des Transformators auf die Sekundärseite, wo sie als Gleichtaktstörungen zum Ausgang abfließen können (orange). Die Störungen werden dann auf der Sekundärseite abgestrahlt oder sie fließen über parasitäre Kapazitäten und den Potentialausgleich ab. Der Kreis schließt sich irgendwann wieder auf der Primärseite des Schaltreglers, allerdings erst nach einem weiten Weg über die Umgebung wo andere Geräte gestört werden können.

Die oben beschriebenen Störungen sind der Grund warum sich der Primär- und der Sekundärseite des Schaltreglers ein blauer Koppelkondensator befindet (hier türkis markiert). Die Kapazität ist zwischen dem Bezugspotential des Schaltregler-ICs (blau) und dem Transformatoranschluss des negativen Ausgangspotentials (rosa) angeschlossen. Der Koppelkondensator bietet den hochfrequenten Signalen einen kurzen und damit störungsarmen Rückweg von der Sekundärseite zum Massepotential des Schaltreglers.
Da der Kondensator die Isolationsstrecke überbrückt, ist an dieser Stelle ein besonders spannungsfester, sogenannter Y-Kondensator eingesetzt.

Das Routing auf der Sekundärseite des Vorschaltgeräts ist aus Sicht der hochfrequenten Störungen allerdings alles andere als ideal. Die Signale, die aus dem Transformator ausgekoppelt werden, müssen einen relativ langen und verschlungenen Weg unter anderem über die Kante der Platine einschlagen (rot), bevor sie zum Koppelkondensator und damit zur Primärseite gelangen. Das führt dazu, dass ein größerer Teil der Störungen abgestrahlt wird und auch ein höherer Anteil über den Ausgang abfließt. Hier zeigt sich der Nachteil einer einlagigen Platine, die nur begrenzt Routingmöglichkeiten bietet.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Transformator

Der Transformator ist mit "38V 350mA" beschriftet. Es ist recht wahrscheinlich, dass man über die Bestückung verschiedener Transformatoren und einer kleinen Anpassung der Widerstände im Rückkopplungspfad andere Ausgangswerte einstellen kann.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Varistor

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Varistor

Der Grund für den Ausfall des Vorschaltgeräts ist relativ schnell gefunden. Die Ursache ist der Varistor im Vorschaltgerät, was deutlich an der verfärbten und geplatzten Vergussmasse des eigentlichen Ableiters zu erkennen ist. Auch das Gehäuseoberteil zeigt an dieser Stelle leichte Verfärbungen. Der hohe über den Varistor abfließende Strom hat zuerst den 10Ω-Widerstand beim Test ohne EMV-Platine die im Vorschaltgerät bestückte, träge 1A-Sicherung zerstört.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Varistor

Auch der Grund für den Ausfall lässt sich mit hoher Wahrscheinlichkeit bestimmen. Der Varistor ist baugleich zum Varistor im vorgeschalteten EMV-Filter. Hätte eine Überspannung aus dem Versorgungsnetz die Lampe zerstört, so müsste der erste Varistor auffällig sein, dieser ist aber nicht beschädigt.

Wahrscheinlicher ist eine andere Erklärung. Varistoren altern wenn sie permanent mit einer Spannung nahe ihrer Ansprechspannung belastet werden. Aus diesem Grund wird in Serie zu Varistoren oftmals ein Gasableiter installiert, der dafür sorgt, dass der Varistor spannungsfrei bleibt bis eine relevante Überspannung anliegt. Bei günstigen Geräten vermeidet man diese zusätzlichen Kosten selbstverständlich.
Außerdem altern Varistoren schneller, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Der Leckstrom weißt einen nicht unerheblichen positiven Temperaturkoeffizienten auf, was dazu führt, dass bei hohen Spannungen im Varistor mehr Verlustleistung anfällt, die das Material wiederum schneller altern lässt. Bei diesem Vorschaltgerät hat man den Varistor am denkbar schlechtesten Ort platziert. Wahrscheinlich auf Grund der beengten Verhältnisse und um die Montage zu erleichtern hat man die Anschlussdrähte relativ lang belassen und den Varistor dann nach rechts gebogen. Damit kam er aber über dem Schaltregler zu liegen. Der Schaltregler und der Lastwiderstand im Snubber-Netzwerk sind üblicherweise die heißesten Bauteile eines Flyback-Schaltreglers. So dürfte das Design und die Zeit letztlich zum Ausfall des Vorschaltgeräts geführt haben.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Korrosion

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Korossion

Nun könnte man das Vorschaltgeräts reparieren. In Anbetracht des Neuwerts von 25€ und des schlechten Allgemeinzustands ist das allerdings nicht nachhaltig.
Die unschönen Lötstellen und die Verschmutzungen auf der Platinenunterseite sind dabei nicht das größte Problem. Am erschreckensten sind die Korrosionsspuren an vielen Bauteilen. Die Lampe war durchgehen in einem trockenen Raum installiert. Dass dennoch so starke Korrosionserscheinungen vorhanden sind kann man daher fast nur auf die Lagerung vor der Auslieferung zurückführen.
Es ist nur eine Frage der Zeit bis die Korrosionsvorgänge das Innere der Packages erreichen und dort die Halbleiter beschädigen.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Flussmittel

Die Referenzspannungsquelle wurde entweder einmal getauscht oder per Hand nachbestückt. Zurück blieb ein erkennbar anderes Flussmittel. Diese Überreste sind aus Qualitätgesichtspunkten ebenfalls nicht unproblematisch. Flussmittel ist per Definition aggressiv und kann so langfristig zu Schäden führen. Mittlerweile werden oftmals No-Clean-Flussmittel eingesetzt, die auf den Baugruppen verbleiben dürfen. Diese Flussmittel müssen aber ausreichend erhitzt werden, damit sie die ihnen ebenfalls eigene aggressive Natur verlieren. In einem Reflow-Prozess stellen sich diese Temperaturen ein, bei einer händischen Nacharbeit ist das nicht immer der Fall, vor allem bei einem so großzügigen Einsatz.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Keramikkkondensatoren

Die Oberflächen der Keramikkondensatoren am Ausgang des Vorschaltgeräts zeigen starke mechanische Beschädigungen. An den linken Kanten wurde die Verzinnung und ein Teil des Keramikmaterials abgetragen.

 

LED-Vorschaltgerät WalSun WST12-350IL Lötzinn

Der Lötvorgang scheint vor allem bei größeren Lotmengen problematisch gewesen zu sein. Die zu verzinnende Fläche scheint nur sehr sparsam benetzt worden zu sein und an vielen Stellen sind regelrechte Löcher zu erkennen.

 

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