LED-Beleuchtungstechnik Einfach mal schnell aufgebaut?

Die Ansteuerung von LED-Leuchten ist knifflig und erfordert Know-how. Welche Randbedingungen beim Elektronik-Design von LED-Leuchten zu beachten sind, erläutert dieser kompakte Beitrag. Er bietet Orientierung und stellt am Schluss als Beispielapplikation eine pfiffige LED-Wohnraum-Leuchte vor.

Die Ansprüche an LED-Leuchten zu erfüllen ist wirklich nicht einfach. Viele Kundenwünsche müssen mit dem technisch Machbaren unter einen Hut gebracht werden. Die Kunden erwarten lange Lebensdauer, Wartungsfreiheit, Energieeffizienz, gute Helligkeit und Dimmbarkeit, möglichst mit der vorhandenen Installation. Ganz nebenbei sind natürlich auch Gesetze und Vorschriften einzuhalten, beispielsweise Power Factor Correction, Isolationsspannungen, Bauvorschriften und Arbeitsschutz. Da diese neue Technologie derzeit noch deutlich teurer ist als die herkömmliche Glühlampe, wird von ihr mindestens die gleiche, besser noch eine höhere Leistung erwartet.

Das Thema Leistung ist auch der Einstiegspunkt für einen Entwickler oder Applikationsingenieur, der ein neues LED-System designen soll: Welche Lichtleistung sollte die Leuchte haben? Oder besser gefragt, wie viele Lumen, also welchen Lichtstrom sollte die Leuchte bieten? Einschlägige Literatur sowie der Beleuchtungsaufgabe entsprechende Vorgaben und Normen geben hier entsprechende Hilfestellungen und Mindestanforderungen.

Auswahl und Ansteuerung der LEDs

Inzwischen bietet der Markt eine schier unglaubliche Vielfalt allein an weißen LEDs: von den altbekannten 5-mm-Varianten über SMD-LEDs in den verschiedensten Leistungen bis hin zu den Hochleistungs-Modulen, den sogenannten COB-LEDs (Chip On Board). Welche LED-Typen erfüllen die aufgestellten Forderungen und wie kann man eine Auswahl treffen?

Hier sind die Datenblattwerte wie U f , I f , l m und Abstrahlcharakteristik natürlich maßgeblich, und es helfen Kriterien wie Blendwirkung einzelner Power-LEDs im Vergleich zu vielen LEDs der mittleren Leistungsklasse, die Betrachtung der Entwärmung, der zur Verfügung stehende Bauraum sowie auch die zu erzielende Beleuchtungsart (Flutlicht, Spotlight, Akzentlicht, Flächenbe- und Ausleuchtung, Hinweis- oder Werbeleuchten). Die LED-Hersteller unterstützen hier vielfach mit Software-Tools und weiterführenden Unterlagen.

Liegt der LED-Typ fest, kann die elektrische Verschaltung geklärt werden: Es ist festzulegen, ob die LEDs in Reihe (als Stränge) und/oder parallel geschaltet werden sollen. Reihenschaltungen erhöhen die erforderliche Gesamt-Flussspannung (U f ), sind dafür mit nur einer Stromquelle mit dem Nennstrom einer LED zufrieden, können aber im Fehlerfall einer einzelnen LED den Totalausfall der gesamten Kette bedeuten. Parallelschaltungen kommen auf den mehrfachen Nennstrom einer LED bei vergleichsweise geringer Strangspannung. Hier fällt bei einem Fehler einer LED (zunächst einmal) nur ein Strang aus. Das genaue Einhalten der Nennströme pro Strang bei nur einer Stromquelle ist in solch einer Schaltung aber nicht trivial. Macht man es sich hier zu einfach, birgt es weitere Gefahren: Wenn ein Strang ausfällt, verteilt sich der Summennennstrom auf die verbliebenen Stränge, so dass diese außerhalb ihrer Spezifikation betrieben werden - mit der Gefahr bald einsetzender Folgefehler.

Die Frage nach der Verschaltung wird darüber hinaus noch von folgenden Faktoren geprägt: Welche Spannungspegel darf/sollte man nicht überschreiten (z.B. SELV, also Schutz-Kleinspannung), welche Sicherheitsanforderungen muss die Leuchte erfüllen?

Stromversorgung - Die Qual der Wahl

Ist auch hier eine Entscheidung herbeigeführt, kommen wir zur geplanten Versorgung der Leuchte. Als Spannungsquellen stehen zur Verfügung: Netzbetrieb, Batterie oder Niederspannungsnetzteil (12 V, 24 V) oder eine fertige Stromquelle. Aus der Kombination aus verfügbarer Versorgungsspannung und der erforderlichen Leistung ergibt sich, welcher Spannungswandlertyp infrage kommt. Das Bild 1 zeigt einen entsprechenden Überblick.

Im Bereich kleiner Eingangsgleichspannungen sind Linearregler vor allem dann sinnvoll, wenn kleine Verlustleistungen zu erwarten sind, wenn also etwa die Betriebsspannung nahe der Flussspannung Uf der LED-Kette liegt. Hinsichtlich Preis und Platzbedarf sind diese kleinen Konstantstromquellen unschlagbar. Allerdings muss für eine zuverlässige Entwärmung gesorgt werden. DC/DC-Wandler werden dagegen verwendet, wenn ein besserer Wirkungsgrad gefordert ist, große Spannungsdifferenzen zu überbrücken oder hohe Ausgangsströme zu treiben sind. Abwärtswandler (Step Down Converter) sind die am häufigsten anzutreffenden Wandlertypen. Sie bieten den besten Wirkungsgrad (90 % und mehr) bei gleichzeitig kleinstem Schaltungsaufwand. Natürlich lassen sie sich nur dann verwenden, wenn die Bedingung Uin > ULED stets eingehalten wird. In der Regel findet man diese Spannungsregler in LED-Strahlern für den Ersatz von Halogenlampen mit MR16-Fassung.

Im Bereich batteriegestützter Applikationen sind Aufwärtswandler-, Sperrwandler- und Aufwärts-/Abwärtswandler-Topologien (Boost, Flyback, SEPIC - Single Ended Primary Inductor Converter) anzutreffen. Diese ermöglichen den Betrieb langer LED-Ketten an niedrigen Eingangsspannungen. Dabei ist im Flyback/SEPIC-Konzept auch die Möglichkeit gegeben, dynamisch die Eingangsspannung sowohl abwärts als auch aufwärts zu wandeln, z.B. Uin von 19 V bis 30  V an Uf 24 V. Der Wirkungsgrad liegt mit ca. 85 % und mehr leicht unter dem des Abwärtsreglers (Buck Converter).

Netzbetriebene Leuchten lassen sich ebenfalls je nach ihrer Leistung mit unterschiedlichen Konzepten betreiben. Bei einstufigen Lösungen wird nach primärseitig und sekundärseitig geregelten Wandlern unterschieden. Der Vorteil der primärseitigen Regelung ist ihre preiswerte und kompakte Bauform. Sie eignen sich in der Sperrwandler-Konfiguration für Anwendungen bis ca. 60 W, etwa für Retrofit-Lampen und Deckeneinbaustrahler (Downlights) im Innenbereich.

Darüber hinaus empfehlen sich sekundärseitige Regelungen, um eine höhere Präzision gewährleisten zu können. Für wirklich hohe Leistungen empfehlen sich Schaltungen wie LLC (Resonanzwandler) aufgrund der kompakteren magnetischen Komponenten. Dann ist allerdings auf der Sekundärseite eine getrennte Stromregelung pro Strang angeraten. Anzutreffen ist dieses Verfahren beispielsweise in Straßenleuchten.

Infineon Technologies unterstützt für den Bereich LED-Beleuchtung alle aufgeführten Topologien. Entwicklern und Applikationsingenieuren werden neben den Standard-Tools wie Datenblätter und Applikationsschriften auch komplette Referenzdesigns sowie das neue Online-Tool „Infineon Lightdesk“ (Bild 2) angeboten, welches die Entscheidung für den passenden Baustein, einschließlich der korrekten Beschaltung, einfacher und effizienter macht.