Intelligente Lichtsysteme mit LEDs

Schaltregler minimieren Abwärme

Während die Speisung einer einzelnen LED relativ einfach ist, erfordert der Einsatz größerer Anzahlen - von hunderten oder tausenden in enger Nachbarschaft - doch ein gehöriges Quantum an Fachwissen. Nur bei sorgfältig durchoptimierter Auslegung wird das Gesamtsystem zufriedenstellend arbeiten und gegenüber konventionellen Beleuchtungen eine spürbare Verbesserung bringen.

Der erzeugte Lichtstrom ist etwa proportional zum durchfließenden elektrischen Strom, nicht zur anliegenden Spannung. Im Gegensatz zu anderen Lichtquellen ist die Strom-Spannungs-Kennlinie die einer Diode und hat einen sehr steilen Verlauf, d. h. schon kleine Spannungsschwankungen haben große Strom- und damit Helligkeitsschwankungen zur Folge. Darüber hinaus weisen Durchlassspannung und Helligkeit nicht zu vernachlässigende Exemplarstreuungen auf. Somit ist Konstantspannungsspeisung ungeeignet, es kommt nur Konstantstromspeisung in Frage. Eine größere Anzahl von LEDs schaltet man nicht parallel, sondern nur in Serie, damit großflächige Beleuchtungen nicht allzu scheckig werden. Allerdings wird dann der ganze Strang dunkel, falls eine einzige LED ausfällt.

Kostengünstig und unkompliziert ist die herkömmliche analoge Ansteuerung über einen Vorwiderstand; auch bei langen Strängen genügt ein einziger. Er muss so bemessen sein, dass die Grenzdaten der LEDs (Strom, Sperrschichttemperatur) auch bei der maximal zu erwartenden Betriebsspannung nicht überschritten werden. Es wird also zwangsläufig immer ein gewisser Teil der eingespeisten Leistung verheizt. Je kleiner der Widerstand, desto weniger Verlustwärme entsteht in ihm, desto stärker wirken sich aber Schwankungen der Betriebsspannung auf die Helligkeit aus. Es ist also immer ein Kompromiss. Damit die Gesamtspannung nicht unpraktisch hoch wird, schaltet man bei sehr vielen LEDs mehrere Stränge parallel.

Ein kritischer Punkt in größeren Beleuchtungssystemen ist die Wärmeableitung. Die modernen Hochleistungs-LEDs nehmen Ströme von 350, 500 oder 700 mA auf, bei Durchlassspannungen von mehr als 3 V werden sie sehr heiß. Mit steigender Sperrschichttemperatur sinkt die Durchlassspannung, was bei ungeregeltem Betrieb den Strom noch weiter erhöhen würde, also eine Stromregelung unumgänglich macht; außerdem nimmt ihre Effizienz ab, ihre Degradation beschleunigt sich, und die mittlere Wellenlänge steigt, so dass sich der Farbton ändert. Damit die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird, muss die Wärme so gut wie möglich abfließen können. Normale Konvektion und Abstrahlung reichen nicht weit, deshalb haben die Hersteller viel Entwicklungsarbeit in neuartige Gehäusetypen investiert, die über einen niedrigen thermischen Widerstand die Wärme an die Leiterplatte abführen. Diese enthält dann zur weiteren Wärmeableitung häufig einen Metallkern oder ist mit einer Metallfolie beklebt.

Außer in den LEDs selbst entsteht auch im Ansteuerteil viel Wärme. Sie lässt sich wesentlich reduzieren, wenn man vom herkömmlichen analogen Betrieb auf Schaltbetrieb übergeht. Der Aufwand für Bauelemente steigt damit, dafür wird aber Strom gespart, was vor allem in batteriebetriebenen Geräten von Vorteil ist. Schaltwandler-ICs gibt es in Hülle und Fülle, die meisten erlauben die drei üblichen Schaltungsarten »Buck« (abwärts), »Boost« (aufwärts) und »Buck-Boost« (beides). Einige Halbleiterhersteller haben Typen entwickelt, die eigens für die Ansteuerung von LEDs optimiert sind, zum Beispiel National Semiconductor, STMicroelectronics und Texas Instruments. Der geschlossene Regelkreis macht die Lichtabstrahlung unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung. Die Schaltfrequenzen liegen typisch zwischen etwa 100 kHz und 1 MHz, deshalb ist dafür zu sorgen, dass die Hochfrequenz-Abstrahlung keine anderen elektrischen Systeme stört. Der Schaltregler sollte so nah wie möglich an den LEDs sitzen, damit die Leitungen kurz bleiben. Die meisten dieser ICs arbeiten in Verbindung mit einer Speicherdrossel, einige aber auch als Ladungspumpen nach dem Schalter-Kondensator-Prinzip, was einige Kosten einspart. Die Schaltungen lassen sich weit gehend an die jeweilige Anwendung anpassen. In der Praxis können äußerst unterschiedliche Versorgungsspannungen auftreten - von einer 1,2-V-Akkuzelle bis zu 230 V Netzspannung. Bei ersterer braucht man einen Aufwärtswandler, bei letzterer (bei Betrieb ohne Netztrafo) einen Abwärtswandler.

Die Schaltregler erlauben auch ein besseres Dimmen der LEDs. Das althergebrachte analoge Prinzip ist zwar technisch einfach, birgt aber einige Nachteile: Es entsteht auch wieder viel Abwärme, die Wirkung ist bei mehreren LEDs oft ungleichmäßig, und speziell bei Typen aus InGaN ändert sich dabei die mittlere Wellenlänge. Vermeiden lässt sich das durch Pulsweitenmodulation. Bei genügend hoher Frequenz (über 100 Hz) nimmt das Auge kein Flimmern mehr wahr. Hersteller von geeigneten PWM-ICs sind z. B. Fairchild, Infineon, National Semiconductor, On Semiconductor, Philips, ST-Microelectronics und Texas Instruments. (su)

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Cordula Carlin ist Business Development Manager bei EBV für das General Lighting Kompetenz Team.

Ihre Vorteile sind überzeugend: Farbige Typen erreichen heute eine Effizienz bis etwa 65 lm/W, bald sogar 80 lm/W, während die klassische Glühbirne gerade auf 7 bis 10 lm/W kommt. Weiße LEDs liegen im Bereich 32 bis 40 lm/W, damit stehen sie den Leuchtstofflampen schon nicht mehr viel nach, die zwischen 50 und 80 lm/W liegen. Beim Vergleich genügt es nun allerdings nicht, sich auf Zahlen zu beschränken. Es ist auch zu berücksichtigen, dass die konventionellen Lichtquellen in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlen und ein großer Teil des Lichtes nicht auf das zu beleuchtende Objekt fällt. Mit Reflektoren versucht man es zu bündeln, aber dabei geht immer noch einiges verloren, und es steigen die Kosten. LEDs emittieren ihr Licht nur in eine Richtung, so verbleibt im Endeffekt eine mindestens ebenso hohe, wenn nicht bessere optische Effizienz. Wesentliche Vorteile gegenüber den Leuchtstofflampen sind die sehr viel kleineren Bauformen und der Betrieb mit Niederspannung.

Ein anderer Pluspunkt der LEDs ist ihre lange Lebensdauer. Glühlampen halten in Standardausführungen bis zum Durchbrennen des Fadens typischerweise 1000 Stunden. LEDs geben ihren Geist meist nicht plötzlich auf, sondern degradieren im Laufe der Zeit. Hier ist die Lebensdauer als die Zeit definiert, bis zu der die Helligkeit bis auf einen bestimmten Prozentsatz des Anfangswertes abgefallen ist. Bei diesem Punkt heißt es aufpassen: Manche Hersteller setzen hier 50 Prozent an, andere 70 Prozent. Bei 50 Prozent wird die Lebensdauer natürlich weitaus länger. Leuchtstofflampen erreichen damit im Durchschnitt 10.000, LEDs 10.000 bis 100.000 Stunden.

Ein drittes Argument für LEDs: Die Lichtfarbe ist innerhalb von weiten Grenzen wählbar. Sie stehen in annähernd allen Spektralfarben zur Verfügung. Die verwendeten Chips basieren auf Verbindungshalbleitern aus zwei verschiedenen Familien: InGaAlP deckt den Bereich von 570 nm (grün) bis 632 nm (rot) ab, die Durchlassspannung ist 1,8 bis 2,3 V je nach Farbe. InGaN reicht von 460 nm (blau) bis 528 nm (grün) bei 3,2 bis 3,8 V und ermöglicht mit aufgebrachten Leuchtstoffen auch weiße LEDs. Weiß ist dabei nicht gleich weiß, vielmehr stehen hier verschiedene Töne mit differierenden Blauanteilen zur Wahl.

Es gibt verschiedene Wege, mit LEDs weißes Licht zu erzeugen. Man kann einen blauen Chip mit einem Phosphor (gelb) oder einen UV-Chip mit drei Phosphoren (rot, grün, blau) beschichten, oder man kann einen blauen und einen gelben oder einen roten, einen grünen und einen blauen Chip in ein Gehäuse setzen. Bei den RGB-LEDs sind alle drei Chips getrennt ansteuerbar; damit lässt sich die erzeugte Lichtfarbe annähernd beliebig einstellen, um besondere Effekte zu erzielen.