Stromversorgung für LED-Beleuchtungen Für den Einsatz in industriellen Umgebungen

Eine neue Stromversorgungsschaltung, die speziell für einen effizienten Betrieb mit Spannungen bis 1000 V DC entwickelt wurde, zeichnet sich durch einen regelbaren Ausgangsstrom, eine Industriestandard-Schnittstelle und eine hohe Robustheit aus. Die kompakte Bauform benötigt nur wenige Bauelemente und gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit.

 

Industrielle Anlagen für die Produktion, Prozesssteuerung, Energieerzeugung und Verteilung, die Gebäudeautomatisierung und den Transport sind inzwischen überall zu finden. Viele dieser Anwendungen werden immer komplexer, da die Fertigungsverfahren ebenfalls komplexer werden und eine genauere Steuerung erfordern. Zusätzliche Sicherheitsfunktionen, aber auch ein ständig zunehmender Automatisierungsgrad, der bis zur intelligenten Fabrik reicht, haben zu einer starken Verbreitung von Wechselstrom-Versorgungsspannungen geführt (Tabelle). Viele dieser Anwendungen sind Teil von größeren industriellen Anlagen, die eine lokale Beleuchtung für den Betrieb und die Wartung der Anlage benötigen. Die dort verfügbare Netzspannung unterliegt nicht nur großen Schwankungen, die vorhandenen Störungen und Spannungsspitzen können auch Probleme für die Beleuchtungsanwendung verursachen. Leistungsschalter, Schalter und große Lasten wie Heizungen, ­Motoren oder größere Magnetspulen können hohe Spannungsspitzen verursachen. Diese sind meist auf parasitäre Induktivitäten in der Anlage zurück­zuführen, die hohe Stromspitzen im Netz verursachen können. Die entstehenden Spannungsspitzen werden nicht immer durch die niedrige Impedanz des Stromnetzes gedämpft, zumindest nicht vor Ort. Dadurch sind ein lokaler Überspannungsschutz oder andere Maßnahmen notwendig, um den Sicherheitsabstand der am Stromnetz angeschlossenen Geräte zu erhöhen, um Fehlfunktionen und eine Zerstörung zu vermeiden.

 

Anwendung

 

Wechselspannung

 

Gleichspannung

Bemerkungen

 
 

Smart Meter

 

90 V bis 850 V

 

130 V bis 1200 V

 

meist begrenzt auf
480 V AC/850 V DC

 

industrielle Stromversorgungen

 

600 V

 

24 V

 

hoher Wirkungsgrad erforderlich

 

intelligente Leistungsschalter

 

600 V

  
 

Windräder

 

1000 V

  

hohe Zuverlässigkeit erforderlich

 

Solar-Wechselrichter

 

480 V

 

800 V bis 1000 V

 

hohe Zuverlässigkeit und zwei
Eingänge erforderlich

 

Lampen-Vorschaltgeräte
(LFL, HID, LED)

 

85 V bis 480 V

  

hoher Wirkungsgrad erforderlich

 

hoher Wirkungsgrad erforderlich

 

600 V

  
 

3-phasige Anwendungen

 

600 V

  

sehr robust

Stromversorgungen werden in allen Anwendungsbereichen an Wechselspannungen betrieben.

Die meisten modernen Anwendungen benötigen eine Stromversorgung; hier werden in der Regel Schaltnetzteile verwendet. Eine typische Topologie ist der Sperrwandler, der hauptsächlich für Anwendungen mit kleiner Leistung genutzt wird, wie Stromversorgungen für kleinere LED-Beleuchtungen im Bereich von 20 W bis 50 W. Der Vorteil des Sperrwandlers ist sein einfacher Aufbau; nachteilig ist, dass der Hauptleistungsschalter eine hohe Durchschlagspannung aufweisen muss. Diese ergibt sich aus der Gleichspannung, der Flyback-Spannung und der durch die Streuinduktivität des Transformators verursachten Spannungsspitzen. Alternative Topologien, die z.B. zwei Transistoren verwenden, erfordern einen ­potenzialfreien High-Side-Treiber, der meist komplexer zu realisieren und zu betreiben ist. Es werden also Leistungsschalter mit hohen Sperrspannungen benötigt. Hier gibt es jedoch keine große Auswahl: MOSFETs werden in aller Regel für niedrigere Netzspannungen verwendet, sind aber weder sehr effizient noch für höhere Durchschlagspannungen in großer Auswahl verfügbar. IGBTs eignen sich zwar problemlos für höhere Spannungen, haben aber relativ niedrige Schaltgeschwindigkeiten, wodurch die Schaltfrequenz der Stromversorgung niedrig sein muss – dadurch ist die Leistungsdichte gering. Auch sind hier die Leitungsverluste höher. Eine bessere Wahl sind bipolare Leistungstransistoren in einer Emitter-geschalteten Kaskoden-Topologie.
Bild 1 zeigt das Prinzip einer Sperrwandler-Stromversorgung. Hier wurde der Hauptleistungsschalter durch einen bipolaren Leistungstransistor ersetzt, der mit seiner Basis an die Stromversorgung des PWM-Controllers angeschlossen ist und dadurch eine konstante Basisspannung erhält. Die Emitterspannung wird über einen Niederspannungs-MOSFET gesteuert, der über das PWM-Controllersignal angesteuert wird. In dieser Konfiguration liefert der bipolare Leistungstransistor die gesamte erforderliche Sperrspannung, während er immer noch sehr schnell schaltet, da der Strom durch den MOSFET fließt. So kann eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht werden; die Stromversorgung arbeitet hier problemlos mit Frequenzen bis zu 150 kHz und mehr.

 

Zusatzfunktion problemlos implementieren

Bild 2 zeigt die gesamte Schaltung des Hauptleistungspfads dieser Stromversorgung. Auf der linken Seite befindet sich der Eingang nach einem Drehstrom-Brückengleichrichter (nicht dargestellt). Als Zwischenkreis-Kondensator wird in diesem Design ein einfacher Folienkondensator genutzt, der eine höhere Zuverlässigkeit als ein Elektrolytkondensator bietet. Als PWM-Con­troller kommt ein FL6961 von Fairchild Semiconductor zum Einsatz. Dies ist ein PFC-Controller mit Boundary-Mode-Betrieb. In diesem Fall ist das Referenzsignal für den Betrieb des Controllers der LED-Strom, der von der Schaltung auf der Sekundärseite geliefert wird. Die in Reihe geschalteten Widerstände auf der Hochspannungsseite dienen zum Einschalten des Controllers. Während des Betriebs werden sowohl die Versorgungsspannung des Controllers als auch die Basis-Ansteuerspannung für die ESBCTM-Konfiguration von Hilfswindungen des Netztransformators geliefert. Mit Hilfe eines Operationsverstärkers auf der Sekundärseite wurden verschiedene Zusatzfunktionen implementiert:

Erstens wird ein Betrieb mit konstantem Ausgangsstrom durch die Messung des Stroms über einen Shunt-Widerstand und mittels Vergleich mit einer bekannten Referenzspannung sowie einer entsprechenden Beeinflussung des Signals für die Regelschleife erreicht. Das Signal wird dabei über einen Optokoppler zurück zum PWM-Controller geleitet.
Zweitens kann eine analoge Helligkeitsregelung (Dimmer) mit einem Potenziometer (nicht dargestellt) einfach implementiert werden. Diese arbeitet mit einem guten Wirkungsgrad über einen sehr großen Bereich und ist von der Eingangsspannung der Stromversorgung vollständig unabhängig.
Drittens kann mit einem Temperatursensor die Temperatur der LED gemessen und diese bei einer zu hohen Temperatur gedimmt werden.

Zusätzliche Steuereingänge können an eine Busschnittstelle, einen Mikrocon­troller oder den Empfänger einer Fernbedienung angeschlossen werden. Eine 12-V-Spannung steht auf der Sekundärseite als Stromversorgung für die Sensoren und die Empfänger zur Verfügung. Diese Stromversorgung arbeitet mit einem Eingangsspannungsbereich von 85 V AC bis 700 V AC (oder 100 V DC bis 1000 V DC) mit einem guten Wirkungsgrad und einer maximalen Ausgangsleistung von 25 W. Der eigene Stromverbrauch ist sehr gering, um keinen zusätzlichen Leistungsverlust und eine Erwärmung der LEDs zu verursachen, da die Stromversorgung meist im gleichen Gehäuse untergebracht ist.

 

Ausführung des Designs

Bild 3 zeigt die Leiterplatte des endgültigen Stromversorgungs-Designs. In der oberen linken Ecke sind der Eingangsgleichrichter und der Filter zu sehen. Der Hauptwandler ist darunter, wobei der ESBCTM-Transistor ohne Kühlkörper auskommt. Die Steuerschaltung der Sekundärseite ist auf der rechten Seite und auf der Unterseite der Leiterplatte zu finden. Der Leistungstransformator musste etwas größer gewählt werden, um die Anforderungen hinsichtlich der Kriechstrecken und Abstände für die höheren Spannungen dieser Stromversorgung zu erfüllen.

Die Robustheit der LED-Lampe (Bild 4) wurde im Labor bei verschiedenen Eingangsspannungen und Spannungsspitzen getestet. Dabei zeigte sich, dass das Design sehr robust ist. Diese industrielle LED-Stromversorgung zeichnet sich durch einen sehr großen Eingangsspannungsbereich, eine hohe Stabilität und vielen Einstellmöglichkeiten aus. Das Design eignet sich für Beleuchtungsanwendungen, die an unterschiedlichste Netzspannungen angeschlossen werden und auch bei einer sehr schlechter Netzqualität, bei Störungen und Spannungsspitzen zuverlässig arbeiten müssen. Es kann einfach an verschiedene Ausgangsleistungen angepasst und hinsichtlich der Funk­tionen entsprechend den Anforderungen abgespeckt werden.