LED-Beleuchtungstechnik
Einfach mal schnell aufgebaut?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Beispielapplikation Deckenleuchte
Eine Deckenleuchte im Wohnbereich soll einen einstellbaren Weiß-Farbton (Farbtemperatur) bieten und einen Lichtstrom von ca. 2.000 Lumen erreichen. Betrieben wird die Leuchte an Netzspannung; sie soll mit herkömmlichen Dimmern geregelt werden können und natürlich zu erschwinglichen Kosten zu fertigen sein. Solche Leuchten werden aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anforderungen oder Stimmungen und Situationen (gemütlich, arbeiten, lesen) immer häufiger von Kunden angefragt. Weitere Anwendungen sind im Office-Bereich zu sehen, wo die Konzentration und das Wohlbefinden der Mitarbeiter nachweislich durch gute Beleuchtung gesteigert werden kann. Realisieren lässt sich eine solche Einstellbarkeit des Farbtons auf verschiedenen Wegen. Eine Möglichkeit ist, RGB-LEDs zu verwenden, mit denen man die Farbe mischen kann. Das ist extrem flexibel, aber vergleichsweise aufwendig. Es sind auch LEDs verfügbar, die einen Chip mit grünlichem Weißton plus einem Amber- bzw. Rot-Chip enthalten. Für das Beispiel wurde eine LED ausgewählt, die einen kaltweißen und einen warmweißen Chip kombiniert.
Um die angestrebten 2.000 Lumen zu erreichen, finden High-Power-LEDs mit typ. 1 A Flussstrom bei einer Flussspannung Uf von etwa 3.5 V Verwendung. Die LEDs liefern ca. 80 lm/W. Durch die LED-Optik, die das Abstrahlverhalten definiert, gehen einige Prozent verloren, so dass mit etwa 30 W elektrischer Leistung gerechnet wird. Damit ergibt sich eine Ausgangsspannung von etwa 30 V.
Als eine elegante Ausgangskonfiguration bieten sich zwei individuell steuerbare LED-Stränge an, einmal bestückt mit LEDs mit 2.800 K Farbtemperatur, einmal mit 5.000 K. Das System sieht also zwei Stränge mit jeweils max. 30 W elektrischer Leistung vor. Mit 30 V lassen sich acht weiße LEDs in Reihe betreiben. Um die Ansteuerung kompakt und preiswert zu gestalten, bietet sich gemäß „Lightdesk“ die bereits kurz beschriebene primärseitige Leistungsregelung in Sperrwandler-Konfiguration an (Bild 3).
Spannungswandler ohne Gegenkopplung
In der Stromversorgung übernimmt der Infineon-Schaltkreis ICL8002G gleich drei wichtige Funktionen: die Reduktion der Blindleistung (Power Factor Correction - PFC), die Realisierung der Sperrwandlerschaltung zur Leistungs- steuerung der LED und die Funktion der Dimmbarkeit der Gesamtleuchte per Triac- oder MOSFET-Dimmer.
Auf der Sekundärseite wird die vom Spannungswandler bereitgestellte Leistung auf die zwei Stränge mit den warm- und kaltweißen LEDs aufgeteilt. Dies geschieht durch ein einziges PWM-Signal, das die masseseitigen OptiMOS-FETs entweder für den warmweißen oder den kaltweißen Strang ansteuert. Es wird mit dieser Stufe also nicht die Gesamthelligkeit, sondern die Farbeinstellung vorgenommen. Durch diese Art der Ansteuerung ist sichergestellt, dass immer 100 % der vom Spannungswandler bereitgestellten Leistung auch an die LED abgegeben wird. Entstünden hier größere Lücken oder Überlappungen im kontinuierlichen Stromfluss, würde das Regelkonzept nicht aufgehen und getrennte Regler pro Strang sowie eine Gegenkopplungsschleife wären erforderlich.
Die Verwendung von LEDs, die in einem Gehäuse zwei unterschiedliche Weißtöne vereinen, erfüllt die zweite wesentliche Bedingung in diesem Konzept. Da die eigentlichen LED-Chips identisch sind und sich nur durch die Farbe des verwendeten Phosphors unterscheiden, sind auch die Flussspannungen nahezu identisch. Bei Unterschieden würde die Kette mit dem kleineren Uf den Ausgangskondensator schlagartig mit viel zu großem Strom auf die eigene Uf entladen. Gleichzeitig würde die andere Kette nicht ausreichend bestromt werden. Sollte die Verwendung dieser Art LEDs nicht möglich sein, müssen entsprechende Sicherungswiderstände eingesetzt werden.
Die PWM-Erzeugung zur Einstellung der Lichtfarbe erfolgt hier beispielhaft skizziert durch einen kleinen 8-bit-Microcontroller der XC800-Familie. Dieser kann auch für den einfachen Anschluss von Touch-Feldern, Tastern, Fernbedienungen oder DALI-Interfaces verwendet werden. Passende Software-Stacks sind auf der Infineon-Homepage verfügbar.
In dieser Schaltung ist eine Gegenkopplung von der Sekundärseite nicht erforderlich, daher entfällt die sonst übliche Beschaltung mit Optokoppler. Das Funktionsprinzip ist, vereinfacht gesagt, eine gesteuerte Leistungsübertragung, bei der die Gegenkopplung maßgeblich durch den Spitzenstrom in der Primärwicklung des Transformators bestimmt wird. Das Windungszahlen-verhältnis definiert den Strom auf der Sekundärseite und die Spannung stellt sich aufgrund der Flussspannung der LED-Kette passend ein.
Diese Art der Regelung bietet einige Vorteile: Sie ist preiswerter, weil die Feedback-Komponenten nicht benötigt werden. Daher ist sie auch platzsparend. Ist die in die LED-Kette eingespeiste Leistung bekannt, dann kann das Kühlsystem auf diese dann eng tolerierte Leistung ausgelegt werden. Man spart also auch hier Kosten und Platz, weil nicht mehr mit Uf-Schwankungen über LED-Chargen hinweg kalkuliert werden muss. Natürlich ist die Schaltung skalierbar auf mehr oder auch weniger Leistung. Dabei hilft das Software-Tool Lightdesk, mit dem auch dieser Entwurf dimensioniert wurde.
| Philipp Gabriel |
|---|
| ist bei der Infineon Technologies AG für den Vetriebskanal Distribution EMEA der verantwortliche Business Development Manager LED Lighting.Sein Aufgabengebiet umfasst die Definition und Umsetzung regionaler Strategien mit den Distributionspartnern; er steht im engen Kontakt zu Kunden und LED-Herstellern. Er hat einen Associate-Engineer-Abschluss in Datentechnik/ Kommunikationstechnik von der Siemens-Technik Akademie. |
Philipp.Gabriel@infineon.com
| Ralph Langenberg |
|---|
| ist Field Application Engineer für Distributions- und Direktkunden bei Infineon Technologies. In der Region Deutschland (Nord) und Niederlande ist er der technische Ansprechpartner für Lighting-Produkte sowie Schaltnetzteile und diskrete MOSFET. Ralph Langenberg machte 1994 seinen Abschluss als Dipl.-Ing. Elektrotechnik an der Uni Dortmund. |
Ralph.Langenberg@infineon.com
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