LEDs dimmen Flackerfreier Betrieb von LEDs

Low-Power-LED-Systeme bestehen normalerweise aus einem LED-String und einem LED-Treiber, der sich hinsichtlich seiner Regelung auf einen einzigen Ein- und Ausgangsbezugspunkt bezieht. Diese Treiber müssen die Grundfunktionen einer LED-Stromversorgung, wie Power Conditioning, Umwandlung der Energie sowie Lastregelung übernehmen. Dieser Artikel erklärt die in den integrierten Schaltkreisen FL7730 und FL7732 verwendeten Verfahren zur Laststeuerung.

Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Lastregelung beim Dimmen und dem Power Conditioning ist es notwendig, Kompromisse zwischen dem Erreichen eines guten EMV-Verhaltens, Leistungsfaktors und der Effizienz zu finden, um die einschlägigen Standards und Marktanforderungen zu erreichen. Des Weiteren müssen aber noch zusätzliche Anforderungen erfüllt werden: eine gute Last- und Konstantstromregelung, geringe Welligkeit des LED-Stroms und Helligkeitsregelung sowie Fehlerschutz.

Bevor sich der Entwickler mit der Helligkeitsregelung befassen kann, muss zuerst eine optimale Regelung des Laststroms bei Volllast erreicht werden. Die Steuerschaltung der Fairchild-Truecurrent-Technologie ermöglicht eine Genauigkeit von ±3 %. Dies ist allerdings nur ein Mittelwert für den LED-Strom, der mit einem Amperemeter gemessen wird. Betrachtet man den LED-Strom mit einer Stromsonde und einem Oszilloskop mit einer Zeitauflösung von einigen ms/div, dann ist eine Restwelligkeit des Stroms mit der doppelten Netzfrequenz zu erkennen.

Daher sollte die maximal zulässige Restwelligkeit für das Design festgelegt werden, denn diese hat einen negativen Einfluss auf die LED, die Lebensdauer des LED-Treibers und den Wirkungsgrad. Wie bei jedem Sperrwandler oder auch Aufwärts-/Abwärtsspannungswandler mit kleiner Blindleistung ist eine gewisse Energiespeicherung notwendig, um die Restwelligkeit zu reduzieren. Eine Lösung mit einer passiven oder aktiven Leistungsfaktorkorrektur (PFC) benötigt Elektrolytkondensatoren auf der Primärseite und am Ausgang, um die Restwelligkeit zu reduzieren. Ein Nachteil ist, dass sich die aktive PFC-Schaltung nur auf eine bestimmte Last hin optimieren lässt. Die Verwendung der empfindlichen Hochspannungs-Elektrolytkondensatoren verkürzt zudem die Systemlebensdauer. Die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren wird u.a. durch höhere Temperaturen und Spannungen sowie die Restwelligkeit des Ladestroms beeinträchtigt.

Die Systemlebensdauer lässt sich nur verlängern, wenn langlebige Niederspannungs-Elektrolytkondensatoren verwendet werden, die für den Betrieb bei höheren Temperaturen geeignet sind. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass dann auf der Niederspannungsseite des Transformators ausreichend Energie gespeichert werden muss.

Bei einem Design ohne Hochspannungs-Elektrolytkondensatoren auf der Primärseite muss die gesamte Energie von der Sekundärseite bereitgestellt werden. Bei Verwendung einer einstufigen Schaltung mit hohem Leistungsfaktor hat der Regelkreis eine Bandbreite von 20 bis 30 Hz. Das bedeutet, dass die Restwelligkeit mit der doppelten Netzfrequenz die Stromversorgung problemlos passiert und am Ausgang in Erscheinung tritt. Bei mäßiger Restwelligkeit ist der Einfluss auf den Lichtstrom der LED nicht dramatisch. Deshalb muss die für das Design akzeptable Restwelligkeit vorab geklärt werden. Die notwendige Ausgangskapazität kann dann aus der LED-Lastcharakteristik folgendermaßen berechnet werden:

C subscript 0 greater or equal than fraction numerator I subscript a u s g. end subscript superscript m a x end superscript over denominator 4 straight pi space straight f subscript straight L times increment straight U subscript ausg. end subscript end fraction equals fraction numerator 0 comma 84 space A over denominator 628 comma 32 space s to the power of minus 1 end exponent times 1 comma 4 space V end fraction equals 954 µ F

Angenommen, der mittlere LED-Strom liegt bei 0,7 A und es wird eine Restwelligkeit von 20 % zugelassen, dann ergibt sich für I ausg (max) = 0,84 A und I ausg (min) = 0,56.

Aus Bild 1 lässt sich ∆Uausg = 14,6 V - 13,2 V = 1,4 V ermitteln, so dass laut Gl. 1 die Kapazität von Co(min) größer als 954 µF sein sollte. Eine Restwelligkeit von 10 % würde -eine Kapazität Co(min) > 2.451 µF erforderlich machen.

Für eine Anwendung ohne Dimming kann eine Restwelligkeit des Ausgangsstrom Iausg von 20 % akzeptabel sein. Allerdings stellt sich die Frage: Gilt dies auch für eine Anwendung mit Dimmen?

Bei einem dimmbaren Design darf die Restwelligkeit nicht so groß sein, dass die LED mit der doppelten Netzfrequenz blinkt. Daher muss die LED-Lastcharakteristik genau berücksichtigt werden, so dass sich beim minimalen LED-Strom auch die minimale Helligkeit ergibt. Das Datenblatt der LED enthält hierzu entsprechende Angaben zur abgegebenen Helligkeit und dem dabei durch die LED fließenden Strom.