Retrofit Halogenlampen durch ­LEDs ersetzen

Die beiden synchronen auf-/abwärts wandelnden, "pulsierenden" LED-Treiber LT4320 und LT3791 werden kombiniert, um 60 W Leistung mit 120 Hz, 98,1 Prozent Leistungsfaktor und 94 Prozent Wirkungsgrad für die LEDs zu liefern. Damit lassen sich High-Power-Halogenlampen durch LEDs ersetzen.

LEDs werden zunehmend als robuste, energieeffiziente und leistungsstarke Alternativen zu Halogenlampen in Beleuchtungssystemen eingesetzt, die mit 24 V bzw. 12 V Wechselspannung betrieben werden. Spannungswandler, die diese LEDs versorgen, sollten, um die allgemein akzeptierten grünen Standards zu erfüllen, einen hohen Wirkungsgrad und Leistungsfaktor von mehr als 0,9 erreichen, nur eine minimale Anzahl externer Komponenten benötigen und sich im Betrieb nicht stark erwärmen. Eine galvanische Trennung sollte nicht erforderlich sein.
Eine Lösung, die diese Anforderungen erfüllt, kombiniert einen Brückengleichrichter mit einem stromgesteuerten, synchronen Auf-/Abwärtswandler. Speziell ein synchroner Vierschalter-Auf-/Abwärtswandler kann mit einem Vierschalter-Brückengleichrichter mit idealen Dioden zur Versorgung von High-Power-LEDs eingesetzt werden; Lösungen für geringere Leistung können einen Standard-Brückengleichrichter verwenden. Beide Lösungen sind hier gezeigt.
Der synchrone 60-V-Vierschalter-Auf-/Abwärtswandler LT3791 kann konstanten Strom (entweder DC oder pulsierend) in eine Kette von High-Power-LEDs einspeisen. Er hat einen Gegenkopplungskreis für den Ausgangsstrom, der verwendet wird, um den konstanten Strom durch eine Kette von LEDs zu treiben. Der CRTL-Dimm-Eingangs-Pin kann mit dem 120-Hz-Halbsinus­wellenausgang des Gleichrichters verbunden werden; so lässt sich ein pulsierender LED-Ausgangsstrom mit höherem Leistungsfaktor erzielen.
Der LT4320 treibt anstelle der vier sonst üblichen Gleichrichterdioden vier MOSFETs. Bei Strömen ab 5 A steigen die Verluste in den Dioden eines Standard-Gleichrichters deutlich an und sie werden warm. Der LT4320 hingegen treibt externe N-Kanal-FETs mit niedrigem RDS(on), so dass Hochstrom-Anwendungen effizient laufen und kühl bleiben. Die Schaltung wandelt die 60-Hz-24-V-Eingangswechselspannung mit hohem Wirkungsgrad in eine 24-Veff-Wechselspannung mit einer Frequenz von 120 Hz.



Hoher Leistungsfaktor

Bild 1 zeigt einen LED-Treiber, der direkt an 24 V Wechselspannung arbeitet und einen Leistungsfaktor von 0,981 erreicht. Der LED-Treiber kann LEDs mit einer mit 120 Hz pulsierenden Gleichspannung von 25 V versorgen; der LED-Strom kann dabei maximal 4,4 A betragen. Bei 120 Hz ist das Pulsieren des Lichts der LED vom menschlichen Auge nicht erkennbar und wird als konstante Helligkeit wahrgenommen. Die Wellenformen der 24-V-Wechselspannungen und Wechselströme am Eingang sind in Bild 2 dargestellt; die Wellenform eines mit 120 Hz pulsierenden LED-Stroms zeigt Bild 3. 

Das „Einziehen“ (backfold) des LED-Stroms mit der Spannung am CRTL-Eingang wird genutzt, um den hohen Leistungsfaktor zu erzielen. Der maximale LED-Strom wird von RLED auf 4,5 A eingestellt, aber der CRTL-Pin überwacht die mit 120 Hz pulsierende Eingangsgleichspannung Ueing (Bild 4) nach dem Gleichrichter. Die nachfolgende Schaltung formt das Signal des LED-Stroms so, dass die Halbwellen der Eingangsspannung einen möglichst sinusförmigen Verlauf erhalten. 
Wenn die Eingangsspannung unter den Schwellwert am Pin EN/UVLO (En­able/Under Voltage Lockout) abfällt, geht das IC in den Shutdown-Modus über und schaltet ab. Der LED-Strom nimmt ab, da die Ausgangskondensatoren entladen werden und die Eingangsspannung über den Schwellwert am Shutdown-Pin steigt, und der LT3791 startet erneut. Mit dem Rückführen des LED-Stroms am CRTL-Pin bei niedriger Eingangsspannung verläuft das Einschalten nicht sprunghaft und die Einschaltströme wirken sich nicht auf den Leistungsfaktor aus.