Besseres Licht für mehr Sicherheit
Ein leistungsfähiges Konzept für LED-Straßenlampen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Herausforderung: Hohe Leistung ohne Kühlung
Die Herausforderung für Hochleistungs-Stromversorgungen mit DC/DC-Wandlern liegt in der Bereitstellung einer hohen Ausgangsleistung bei optimaler Ausnutzung des Bauraums unter Verzicht auf Fremdkühlung oder große Kühlkörper. Für die Massenproduktion ist die Verwendung preisgünstiger Standardbauteile eine Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit. Bei herkömmlichen, einphasigen Wandlern sind diese Forderungen nur schwer zu befriedigen.
Mehrphasige Schaltwandler, bei denen jede Einzelstufe nur einen Teil der Gesamtausgangsleistung erzeugt, sind aus der Spannungsversorgung für Hochleistungsprozessoren oder Grafikcontrollern im IT-Bereich bekannt; allerdings handelt es sich dabei um Abwärtsregler, die mit zwei, vier oder mehr Phasen die benötigten geringen Spannungen und hohen Ströme bereitstellen. Durch die Aufsummierung der Einzelströme am Ausgang teilen sich die Verluste auf mehrere Bauteile auf, und die belastenden Wechselstromanteile werden durch die Überlappung der Phasen weitaus weniger wirksam.
Für die Anwendung solcher Mehrphasenwandler in einer LED-Stromversorgung muss die Ausgangsspannung des Wandlers mindestens ebenso hoch sein wie die Summe der Flussspannungen aller in Reihe geschalteten LEDs; daher werden im Unterschied zu den im IT-Bereich verwendeten Abwärtsreglern (Buck Converter) hier Aufwärtsregler (Step-up Converter, Boost Converter) verwendet.
Mit den Vorteilen eines Mehrphasensystems für die Bereitstellung hoher Leistungen bei hohen Schaltfrequenzen ergeben sich kleinste Abmessungen, die ausschließliche Verwendung von SMD-Bauelementen auch für Spulen und Kondensatoren und eine außerordentlich hohe Leistungsdichte bei hoher Zuverlässigkeit und bestem Wirkungsgrad.
Ein herausragender Vorteil bei LED-Straßenlampen ist deren Dimmbarkeit, also die Anpassung der Helligkeit an die Beleuchtungsverhältnisse. Damit lässt sich ein weiterer Beitrag zu erhöhter Sicherheit bei gleichzeitiger Energieeinsparung leisten. Die Regelung der Helligkeit von LEDs geschieht im allgemeinen durch Pulsbreitenmodulation (PWM) des LED-Stroms, wobei das Tastverhältnis (duty cycle) der PWM die Helligkeit in weiten Grenzen linear beeinflusst. Um so genannte Shutter-Effekte durch die PWM-Frequenz zu vermeiden, muss diese bei mehr als 200 Hz liegen; bei Versuchen wurde festgestellt, dass bei einer PWM-Frequenz von 500 Hz und höher die gefürchteten „Perlschnur-Effekte“ nicht mehr auftreten, die im Straßenverkehr zu ernsthaften Gefährdungen führen können.
Eine andere Methode der Helligkeitsregelung ist die kontinuierliche Einstellung des Stroms über einen analogen Steuereingang. Die bei dieser Methode unvermeidliche Änderung der Lichtfarbe ist bei Straßenlampen nicht von entscheidender Bedeutung, sie kann allerdings die Effizienz um 30 bis 60 % verbessern.
Die Regelung eines Mehrphasen-Aufwärtsreglers soll eine gleichmäßige Verteilung der Leistung auf mehrere Phasen garantieren (Bild 2). Wie beim Mehrphasen-Abwärtsregler werden auch hier die Phasen mit gleichem zeitlichem Abstand nacheinander eingeschaltet. Es müssen jedoch in jeder Phase der Momentanstrom gemessen und der Treiber bei Erreichen einer definierten Schwelle abgeschaltet werden, um die nicht unerheblichen Toleranzen der Induktivitäten auszugleichen. Bei einer einfachen Ansteuerung mit gleichen Einschaltzeiten für alle Phasen ist der Strom beim Abschalten umgekehrt proportional zur Phaseninduktivität, die übertragbare Leistung ist aber proportional zum Quadrat dieses Stroms.
Mit der Einzelphasen-Strommessung lassen sich besonders thermische Weglaufeffekte (thermal runaway) vermeiden, die durch die Temperaturabhängigkeit der Induktivitäten bedingt sind. Dazu verfügt jeder Einzelwandler über einen inneren Regelkreis, der die Einzelphase bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes abschaltet. Der Schwellenwert dazu wird vom Fehlerverstärker des äußeren Regelkreises vorgegeben, der die Ausgangsspannung oder den Laststrom mit einer präzisen Referenz vergleicht.
Eine Slope-Kompensation zur Stabilisierung des Duty Cycle jeder Einzelphase wird in jedem der inneren Regelkreise vorgenommen, wobei die Abschaltschwellen der inneren Regelkreise in Abhängigkeit von der Steilheit des steigenden bzw. fallenden Stroms durch die Einzelinduktivitäten mit einem programmierbaren Korrekturstrom zeitlich gesteuert werden. Die Slope-Kompensation wird hierbei von den äußeren Regelkreisen abgeleitet, so dass jede Phase, die zu einem äußeren Regelkreis gehört, den gleichen Korrekturstrom erhält.
Abhängig von den zu verwendenden Induktivitäten muss die Schaltfrequenz und die Kompensation der äußeren Regelkreise entsprechend der Aufgabenstellung angepasst werden. Für den Betrieb als LED-Stromquelle ist es sinnvoll, den LED-Strom über sehr kleine Shunts zu erfassen, so dass auch die Referenzspannung für die äußeren Regelkreise entsprechend niedrig und zugleich hochpräzise sein muss.
- Ein leistungsfähiges Konzept für LED-Straßenlampen
- Herausforderung: Hohe Leistung ohne Kühlung
- Drei LED-Ketten simultan gesteuert
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
