LED-Treiber für Smart Lighting LED-Treiber werden digital

Smart Lighting und Human Centric Lighting eine Betrachtung zur Digitalisierung der LED-Treiber.
Smart Lighting und der schon in den Startlöchern stehende nächste Trend, das Human Centric Lighting, bringen neue Anforderungen an die LED-Treiber mit sich - eine Betrachtung zur Digitalisierung der LED-Treiber.

Zwei der am häufigsten genannten Schlagwörter in der Beleuchtungsindustrie sind Smart Lighting und Human Centric Lighting. Was das für die LED-Treiber und ihr Umfeld bedeutet, wird in diesem Beitrag beleuchtet – zusammen mit einer Betrachtung zur Digitalisierung der LED-Treiber

Anders als Glühlampen lassen sich LEDs in aller Regel nicht direkt am Netz betreiben. Die nötige Komponente zur Wandlung der Netzwechselspannung in einen für die LED passenden Gleichstrom ist meist ein LED-Treiber (ECG = Electronic Control Gear). Derartige Treiber sind auch der Schlüssel zu neuer Funktionalität. Der Zusatzaufwand vom gewöhnlichen LED-Treiber zum komfortablen LED-Treiber ist dabei eher klein. Daher ist es verständlich, dass immer mehr Beteiligte in der Beleuchtungsindustrie über immer mehr zusätzliche Funktionen nachdenken.

Um die 230-V-Wechselspannung aus der Steckdose an eine LED anschließen zu können, wird die Wechselspannung aus dem Stromnetz in mehreren Schritten in einen definierten Gleichstrom umgewandelt, der für die LEDs optimiert ist. Bild 1 zeigt eine typische Schaltung für einen LED-Treiber aus der ersten Generation.

Von links nach rechts sieht man die Elemente des EMV-Filters, eine Gleichrichterbrücke, einen Siebkondensator zur Spannungsglättung und eine Beschaltung, um die gleichgerichtete Netzspannung dem Controller zur Leistungsfaktorkorrektur zuzuführen. Anschließend folgt die Schaltung für die Nulldurchgangserkennung des Transformators und die Eigenspannungsversorgung, die von einer Hilfswicklung des Transformators abgegriffen wird. Die Primärwicklung des Transformators ist an die gleichgerichtete Eingangsspannung und über einen Schalttransistor bzw. Sense-Widerstand an Masse angeschlossen. Die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Transformators wird über eine Diode gleichgerichtet und in einem Pufferkondensator zwischengespeichert, bevor der Strom über die LEDs fließt.

Erweiterte Kriterien

Neben der Wandlung der 230-V-Wechselspannung in einen konstanten Ausgangsstrom erfüllt der Treiber weitere Aufgaben. Ganz wesentlich ist die Energieeffizienz; schließlich soll die von den LEDs eingesparte elektrische Leistung nicht durch den Treiber „verbraucht“ werden. Eine weitere Aufgabe ist die Leistungsfaktorkorrektur, das bedeutet, dass der Eingangsstrom in Phase mit der Eingangsspannung gehalten werden soll. Dies dient nicht nur zur Reduktion der Leitungsverluste, die durch den Blindstrom entstehen, sondern auch um gesetzliche Regelungen einzuhalten.

Ein wichtiges Thema ist der sog. Flicker, eine unerwünschte Modulation der Helligkeit der LEDs. Sie entsteht zum einen durch die 50-Hz-Frequenz der Eingangsspannung, zum anderen durch mögliche Störungen bei der Stromwandlung. Nicht zuletzt muss auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) geachtet werden. Das bedeutet, dass die vom LED-Treiber ausgehenden Störungen unter definierten Grenzwerten liegen. Ein weiterer Punkt, der immer mehr Gewicht bekommt, ist die funktionale Sicherheit.

Zuordnung in Treiber-Topologien

Topologie im Umfeld der Elektronik beschäftigt sich mit der Struktur von Schaltungen. Bei Leistungswandlern ist damit meist die Anordnung der diskreten Bauteile gemeint. Die Klassifizierung eines Leistungswandlers in eine bestimmte Topologie erfolgt häufig nach der Funktion, die mit dem Leistungswandler erzielt wird, beispielsweise Aufwärts-, Abwärts-, Fluss- oder Sperrwandler. Aber auch Eigenschaften wie isoliert oder nicht isoliert werden genannt.
Die unterschiedlichen Topologien werden auch durch die Art des Stromflusses durch Spule oder Transformator gekennzeichnet. Es gibt den kontinuierlichen Modus, bei dem der Strom durch die Induktivität niemals auf Null absinkt und den diskontinuierlichen Betrieb, bei dem genau dies passiert. Als dritte Betriebsart wird oft der Grenzfall dieser beiden genutzt.


Eine weitere Eigenschaft, die klassifiziert wird, ist die Art und Weise, wie die Leistungsschalter betrieben werden. Es wird unterschieden zwischen einer „hard-switching“, einer „soft-switching“ oder „quasi-resonanten“ und einer „resonanten“ Topologie. In der hart schaltenden (hard switching) Betriebsart schaltet der Transistor einen von null verschiedenen Arbeitsstrom. Dies hat Vor-, aber auch Nachteile. Ein wesentlicher Vorteil ist die präzise und verhältnismäßig einfache Regelung solcher Schaltungen. Der größte Nachteil sind die höheren Schaltverluste.

Eine Schaltung wird quasi-resonant genannt, wenn ein Aus- oder Einschaltvorgang im Nulldurchgang des Stromes oder der Spannung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass dieses Schalten mit sehr niedriger Verlustleistung erfolgt. Allerdings ist die Schaltfrequenz abhängig von der Höhe der Last und steigt mit geringerer Last. Der ICL8001G (Bild 2) beispielsweise arbeitet im quasi-resonanten Modus und ist optimiert für dimmbare LED-Leuchten.

Eine resonante Topologie enthält im Gegensatz zu den bisher erwähnten einen sogenannten Tank Circuit (Saugkreis) und mindestens eine Halbbrücke, also zwei Transistoren. Daraus ergeben sich höhere Kosten für diese Topologie. Für die höheren Kosten erhält der Entwickler aber die Möglichkeit, Arbeitspunkte zu wählen, in denen fast keine Schaltverluste auftreten. Außerdem wird der Transformator (Spule) effizienter genutzt und kann daher kleiner ausgelegt werden. Den gleichen Effekt bringt die höhere Schaltfrequenz, die für diese Schaltungen üblich ist. Erwähnenswert ist auch das bessere EMV-Verhalten.

Exkurs: Sensoren für Smart Lighting

Die einfachsten Sensoren in der Beleuchtungstechnik sind Lichtschalter. Sie sind entweder als Taster, normaler Schalter, Wechselschalter oder Kreuzschalter ausgeführt. Die komplexesten Sensoren/Stellglieder in der klassischen Beleuchtungstechnik sind Dimmer. Der Dimmvorgang lässt sich teilweise automatisieren, zum Beispiel in Kombination mit einem Lichtsensor, der die Umgebungshelligkeit misst und sie mit der Empfindlichkeitskurve des Auges bewertet. Der LED-Treiber regelt dann durch eine Anpassung des LED-Stroms.

Etwas aufwändiger sind Präsenz- und Bewegungssensoren, die dem Lichtsystem mitteilen, wo sich eine Person aufhält und wohin sie sich bewegt. Damit ist sichergestellt, dass die Beleuchtung nur dort Leistung aufnimmt, wo auch Licht erforderlich ist.

Eine relativ neue Art von Sensoren in der Lichttechnik sind Farbsensoren. Diese messen die spektralen Anteile von Rot, Grün und Blau im Licht. Mit dieser Information können zum einen Regelungen in den LED-Treiber integriert werden, die Farbortabweichungen des LED-Lichts kompensieren, die durch Effekte wie Bauteilschwankungen oder Alterung auftreten; zum anderen können besondere Lichtstimmungen einfacher und genauer realisiert werden.

Aber auch für Smart Lighting gilt, dass der Phantasie keine Grenzen gesetzt sind; möglicherweise wird in Zukunft die Beleuchtung an den CO2-Gehalt der Raumluft angepasst, um die Aufmerksamkeit zu erhöhen oder die Beleuchtung in einem Gewächshaus wird von Sensoren in der Pflanze gesteuert für optimales Fruchtwachstum. Eine schöne neue Welt!?