Folienkondensatoren statt Elkos Referenzdesign für LED-Lampenvorschaltgerät

LEDs sind bekannt für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre lange Lebensdauer. Deshalb werden sie in der Beleuchtungstechnik immer beliebter - auch bei der Straßenbeleuchtung. Um den wartungsfreien Betrieb zu garantieren, muss ein Vorschaltgerät für eine LED-Lampe einen ebenso hohen Wirkungsgrad und eine ähnlich lange Lebensdauer aufweisen wie die LEDs selbst. Da sind Elektrolytkondensatoren nicht unbedingt die ideale Wahl.

Gemeinsam mit STMicroelectronics hat Epcos ein Referenzdesign für LED-Lampenvorschaltgeräte von Straßenbeleuchtungssystemen entwickelt. Epcos bietet dafür alle wesentlichen passiven elektronischen Bauelemente wie Kondensatoren, Varistoren und Induktivitäten. Die Stromversorgung hat eine Leistung von 130 W bei einer Ausgangsspannung von 48 V.

LEDs sind bekannt für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre lange Lebensdauer. Deshalb werden sie in der Beleuchtungstechnik immer beliebter und gelten als Innovationstreiber. Der Grund: Sie leisten einen entscheidenden Beitrag zur Senkung des Energieverbrauchs von Leuchten für den Innen- und Außenbereich. Dies gilt auch für die Straßenbeleuchtung, wo Wirkungsgrad, Lebensdauer, Wartung und Energieverbrauch bei der Senkung der Gesamtkosten eine wesentliche Rolle spielen. Um den wartungsfreien Betrieb einer LED-Lampe sicher zu stellen, muss das Vorschaltgerät einen ebenso hohen Wirkungsgrad und eine ähnlich lange Lebensdauer wie die LEDs aufweisen.

Das neue Referenzdesign von Epcos und STMicroelectronics (Bild 1) besteht aus zwei Stufen: einer Frontend-PFC-Stufe (Power Factor Correction) mit dem Controller-Baustein »L6562AT« von STMicroelectronics und einem LLC-Resonanzwandler auf Basis des Leistungshalbleiters »L6599AT«

Zu den wesentlichen Eigenschaften dieses Designs zählen der Wirkungsgrad von über 90%, ein Eingangsspannungsbereich, bei dem die netzseitige Wechselspannung zwischen 85 V und 305 V bei einer Frequenz von 45 Hz bis 55 Hz liegen kann, sowie die hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Dabei hält das Referenzdesign die EMV-Normen EN 55022 Class B und EN 55015 ein.

Da die Zuverlässigkeit von Stromversorgungen auch von Elektrolytkondensatoren und deren Ausfallrate abhängt, weist dieses Referenzdesign einen besonderen Ansatz auf: Statt »Elkos« kommen ausschließlich Folienkondensatoren der Marke Epcos für die Glättung und Speicherung im Zwischenkreis zum Einsatz. Darüber hinaus haben die Entwickler das Derating der Bauelemente berücksichtigt, sodass sich die Beanspruchung der Bauelemente gemäß der Empfehlung MIL-HDBK-217D verringert.

Zweistufiges Referenzdesign

Durch die neuen Halbleiter L6562AT und L6599AT von STMicroelectronics wurde auch die Anzahl der aktiven Bauelemente minimiert, was die MTBF (Mean Time Between Failures) erhöht und gleichzeitig die Bauelemente-Gesamtkosten optimiert. Wegen des hohen Wir-kungsgrads der Schaltung ist für die PFC-Stufe nur ein kleiner Kühlkörper erforderlich. Ferner ist das Referenzdesign gegen Überlast oder Kurzschluss, Leerlauf in jeder Stufe oder Überspannung am Eingang geschützt.

Nach einem Fehler startet das System automatisch neu. Die PFC-Stufe, die im Transition-Mode arbeitet und die EN 61000-3-2 Klasse C einhält, versorgt als Vorregler die Resonanzstufe mit Energie. Die Spannung beträgt dabei 450 V. Bei der PFC-Leistungsstufe handelt es sich um einen herkömmlichen Boost-Wandler (Hochsetzsteller), der mit dem Ausgang der Gleichrichterbrücke verbunden ist. Zu ihm gehören auch die Boost-Induktivität, die Gleichrichterdiode und die Ausgangskondensatoren.

Die PFC-Ausgangskondensatoren sind Folienkondensatoren mit 5 µF/800 V. Als Boost-Schalter dient ein MOSFET. Das Board ist eingangsseitig mit einem EMV-Filter ausgestattet, der die von der Boost-Stufe verursachten Störungen herausfiltert. Die PFC wird durch den L6562AT gesteuert, ein kleiner und preisgünstiger Controller, der über den für Anwendungen im Außenbereich notwendigen breiten Temperaturbereich arbeitet.

Der Schaltregler L6599AT übernimmt die aktive Funktion im Abwärtswandler. Er umfasst alle Funktionen, die zur korrekten Regelung des Resonanzwandlers notwendig sind. Das Taktverhältnis ist konstant 50%, Regelgröße ist die Frequenz. Beim Transformator kommt der »Integrated Magnetic Approach« mit integrierter Serieninduktivität zum Einsatz. Eine externe Induktivität, um die Resonanz zu erzeugen, ist damit überflüssig. Für die Sekundärwicklung fiel die Wahl auf eine Transformator-Konfiguration mit Mittenabgriff und Leistungs-Schottky-Gleichrichtern des Typs »STPS10150CG«. Auch hier glätten wieder Folienkondensatoren mit einer Kapazität von 4,7 µF/63 V. Ein kleiner LC-Filter, der die hochfrequente Welligkeit unterdrückt, vervollständigt den Ausgangsteil. Die Reglung und Stabilisierung der Ausgangsspannung erfolgt über ein Rückkopplungsnetzwerk.

Wirkungsgrad-Messung

Last/%
Uout/V
Iout/A
Pout/W
Pin/Wη/%
25 %
47,58
0,689
32,8
37,8786,57
50 %47,571,37865,671,6691,48
75 %47,562,00895,5102,9692,75
100 %
47,55
2,708
128,8
137,693,38
Tabelle 1: Wirkungsgrade bei 230 V/50 Hz (durchschnittlicher Wirkungsgrad 91,04%)
Last/%Uout/V
Iout/A
Pout/W
Pin/W

η/%

25 %47,59
0,689
32,8
37,87
86,58
50 %47,581,37865,672,9389,90
75 %47,562,00195,2105,090,64
100 %47,562,703
128,6
141,33
90,96
Tabelle 2: Wirkungsgrade bei 115 V/60 Hz (durchschnittlicher Wirkungsgrad 89,52%)

Die Tabellen 1 und 2 veranschaulichen den Gesamtwirkungsgrad, ermittelt bei einer Netz-Wechselspannung von 230 V/50 Hz und 115 V/60 Hz mit unterschiedlichen Lasten. Bei einer Netz-Wechselspannung von 115 V und Volllast beträgt der Gesamt-Wirkungsgrad 90,96%, bei einer Netz-Wechselspannung von 230 V steigt er auf 93,39%.

Misst man den Wirkungsgrad bei 25%, 50%, 75% und 100% Last gemäß dem ES-2-Standard und berechnet den durchschnittlichen Wirkungsgrad, so ergibt sich bei einer Netz-Wechselspannung von 230 V ein Wert von 91,04% sowie von 89,52% bei 115 V. Somit kann der Wandler nicht nur unter Volllast mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, sondern auch bei geringerer Belastung, wie sie beispielsweise beim starken Dimmen von LEDs auftritt.