Netzversorgte LED-Treiber Einfluss des Leistungsfaktors

Eine Glühlampe benimmt sich elektrisch wie ein Widerstand, der Leistungsfaktor ist also 1. LED-Treiber hingegen arbeiten mit pulsierenden Gleichströmen und einem Kondensator hinreichender Größe zur Glättung. Dies führt zu einer Stromaufnahme, die markant vom Spannungsverlauf am Eingang abweicht und damit zu einem Leistungsfaktor, der durchaus 0,5 betragen kann. Dadurch entstehen unerwünschte Blindströme im Netz.

Oberflächlich betrachtet dient ein guter Leistungsfaktor bei netzgespeisten LED-Treibern der Effizienzsteigerung. Er wird deshalb von Anwendern nicht selten mit dem Wirkungsgrad eines Treibers verwechselt.

So ist es ein weit verbreitetes Missverständnis, dass Treiber mit einem Leistungsfaktor von 0,5 nahezu doppelt soviel Leistung verbrauchen als mit Faktor 0,95.

Dem ist aber nicht so. Um die Konsequenzen eines schlechten Leistungsfaktors deutlich zu machen, befassen wir uns zunächst etwas mit dem Grundkonzept eines LED-Treibers.

Im Gegensatz zur Glühlampe stellen derartige Schaltungen keine reine ohmsche Last dar. Die Wechselspannung am Eingang wird zunächst gleichgerichtet und dann durch einen relativ großen Kondensator geglättet. Dieser wird mit jeder Halbwelle bis zur Spitze aufgeladen und gibt einen Teil der gespeicherten Energie bis zur nächsten Halbwelle wieder ab.

Da nur dann Strom fließen kann, wenn der Spannungswert am Gleichrichter größer ist als über dem Kondensator, kommt es zu einem kurzzeitigen, pulsierenden Stromfluss hoher Amplitude (Bild 1). Diese kann in der Spitze fünf bis sechs Mal höher sein, als dies aufgrund der Leistung des Wandlers zu erwarten wäre.

Der Leistungsfaktor, das Verhältnis von Wirk- zu Scheinleistung, liegt dann ohne Korrektur irgendwo im Bereich 0,7 - auch bei reinen ohmschen Lasten. Es ist leicht nachvollziehbar, dass die durch die Gleichrichtung hervorgerufenen, kurzen Stromspitzen eine weit größere Rückwirkung auf die Netzversorgung haben als ein sanfter, sinusförmiger Verlauf, obwohl dem Versorgungsnetz in Summe nicht mehr Leistung entnommen wird.

Um diese Rückwirkung zu beurteilen, misst man den Gehalt an Oberwellen. Ein reiner Sinus zeigt nur seine Grundfrequenz, auch erste Harmonische genannt.

Der pulsierende Stromfluss in unserem Beispiel enthält aber auch höhere Frequenzanteile mit jeweils ungeradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, was für die Störstrahlung des Netzteils von Bedeutung ist. Diese Problematik ist ausschließlich der Tatsache geschuldet, dass die Wechselspannung am Eingang gleichgerichtet und geglättet werden muss. Schaltet man nun noch ein getaktetes Netzteil dazu, das eine Konstantstromquelle speist, so verschlechtert sich die Situation noch deutlich.

PFC und Wirkungsgrad

Die Lösung des Problems ist, durch geeignete Schaltungsmaßnahmen den Leistungsfaktor so zu korrigieren, dass die Oberwellen auf ein Minimum reduziert werden. Anstatt den Kondensator direkt an den Gleichrichter zu koppeln, wird ein Pulsbreitenmodulator (PWM) zwischengeschaltet.

Dieser erzeugt mehrere mit der Eingangsspannung synchronisierte Stromimpulse und steuert den Ladestrom so, dass er der natürlichen Sinusform nahe kommt (Bild 2).

Ein gut entwickelter PFC-Kreis (Power Factor Correction) steigert den Leistungsfaktor auf Werte von 0,95 und darüber und reduziert damit auch die Oberwellen auf ein Minimum. Dieses Beispiel hat gezeigt, wie aktive Leistungsfaktorkorrektur Oberwellen eliminiert. Dies ist aber nicht der einzige Grund, warum Anwender darauf Wert legen. Wandler mit schlechtem Leistungsfaktor entnehmen tatsächlich mehr Energie aus dem Netz und speisen einen Teil dort hin zurück. Das bedeutet allerdings nicht, dass sie einen schlechten Wirkungsgrad haben - sie geben nur einen Teil der Leistung auf der falschen Seite ab. Bild 3 vergleicht die Stromaufnahme einer 100-W-Glühbirne mit einer 25-W-LED-Lampe.

Beide haben dieselbe Helligkeit. Die Glühbirne hat Leistungsfaktor 1 und entnimmt aus einer 230-V-Versorgung konstant einen Strom von 0,45 A. Eine 25-W-LED-Lampe mit ebenfalls Leistungsfaktor 1 würde etwa 0,11 A ziehen.

Nutzt man nun einen Treiber mit schlechterem Leistungsfaktor, steigt die Stromaufnahme entsprechend an. Bei einem Leistungsfaktor von 0,25 werden dem Netz 100 W entnommen - obwohl nach wie vor nur 25 W an die LED-Kette abgegeben werden. Was geschieht mit den restlichen 75 W? Sie fließen in falscher Phasenlage zurück ins Netz.

Die Energie geht dabei nicht wirklich verloren - der Wirkungsgrad des Treibers ist nach wie vor hoch. Auf der Stromrechnung wird der schlechte Leistungsfaktor zwar nicht sichtbar, da der Stromzähler den Blindstrom nicht erfasst. Aber da die Stromhersteller verpflichtet sind, einen sauberen Strom zu liefern, müssen sie entsprechende Maßnahmen treffen, die sie dann den Kunden indirekt in Rechnung stellen.

Nach EN 61000-3-2 ist die Leistungsfaktorkorrektur für LED-Treiber ab 25 W zwingend vorgeschrieben. Die Energy-Star-Richtlinie fordert zudem einen Leistungsfaktor von 0,9 für kommerzielle Applikationen. Viele LED-Treiber - so auch die »LightLine«-Serie von Recom - erreichen heute tatsächlich Werte um 0,95. Da die Stromkurve (blaue Linie in Bild 3) bei hohem Leistungsfaktor sehr flach verläuft, ist es nicht sinnvoll, den Leistungsfaktor durch großen technischen Aufwand sehr viel weiter in Richtung 1 zu treiben.

Denn die höheren Kosten werden sich vermutlich nicht amortisieren. Aktive Leistungsfaktorkorrektur ist für den Stromverbrauch von netzgespeisten LED-Treiber ähnlich wichtig wie ein hoher Wirkungsgrad, zumal absehbar ist, dass in den nächsten Jahren Millionen von Treibern in unseren Häusern und Büros installiert werden. Dabei geht es bei PFC nicht um die Stromkosten, sondern darum, die Verschmutzung des Stromnetze durch Oberwellen im Griff zu behalten.

Recom hat eine breite Palette von AC/DC-Treibern im Bereich zwischen 3 W und 60 W entwickelt. In der unteren Leistungsklasse bis 6 W wird auf aktive PFC verzichtet - nicht zuletzt aus Kostengründen. Bei solch kleinen Leistungen ist der Energiegehalt der Oberwellen so gering, dass die Treiber die Standards der EN 61000-3-2 erfüllen - ohne zusätzliche Kosten für eine PFC-Schaltung. Bei den größeren Wandlern der 12-W- und 20-W-Klasse - »RACD12« und »RACD20« - hingegen hat man den Aufwand getrieben, obwohl er nach der Norm noch nicht erforderlich wäre. Für den »RACD60« mit 60 W Leistung ist PFC zwingend vorgeschrieben. Trotzdem ist das Modul aufgrund seines Designs nur etwa halb so groß wie viele seiner Wettbewerber.