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LEDs dimmen

Flackerfreier Betrieb von LEDs

19. Dezember 2013, 10:39 Uhr | Von Alexander Craig

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ein Rechenbeispiel

Im Beispiel der LED-Last sind zwei Kenndaten von Interesse: der minimale Vorwärtsstrom I_F(min) und der relative Lichtstrom für ein Helligkeitsverhältnis von 10:1. Ist I_F(min) im Datenblatt z.B. mit 100 mA angegeben, so ergibt sich mit einer Restwelligkeit von 20 % ein I_ausg zwischen 100 mA und 140 mA. Aus Bild 1 lässt sich dafür ∆U_ausg = 11 V - 11,5 V = 0,5 V ermitteln, so dass nach Gl. 1 die Kapazität Co_min > 446 µF sein sollte.

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Aus Bild 2 lässt sich für relativen Lichtstrom für ein Helligkeitsverhältnis von 10:1 ein Strom I_F von 700 mA ermitteln. Aus der Kennlinie entnimmt man für den niedrigen Strom für I_ausg einen Wert von 60 mA. Aus Bild 1 ergibt sich für ∆U_ausg = 10,5 V - 10,75 V = -0,25 V, so dass laut Gl. 1 die Kapazität C_o(min) größer sein sollte als 458 µF. Da jedoch der Wert von 60 mA niedriger ist als der im Datenblatt mit 100 mA angegebene Minimalstrom I_F(min), kann die LED flackern, obwohl der LED-Treiber den korrekten I_ausg-Wert bei 20 % Restwelligkeit liefert. Dies ist kein Fehler des LED-Treibers, sondern eine Fehlanpassung der LED-Last.

Die Steuerfunktion der Helligkeitsregelung für den FL7730 ist in Bild 3 dargestellt. Ein einfacher Spannungsteiler und ein RC-Filter wandeln das Tastverhältnis der Wechselspannung des Stromnetzes in eine Gleichspannung um, die dann an den „DIM“-Pin des FL7730 gelegt wird (Bild 4). Eine spezielle Schaltung bereitet den gemessenen Strom für die Berechnung mit dem Truecurrent-Verfahren auf. Dabei wird die jeweilige Dimmer-Einstellung mit einem übergeordneten Wert für die Helligkeitssteuerung verglichen.

Dies ist eine einfache, aber wirkungsvolle Methode zur Steuerung der Helligkeit von LEDs, die sich mit praktisch allen Dimmern verwenden lässt, selbst bei den schwierigsten. Hierzu gehören Triac-Dimmer oder einfachere Lösungen mit Gleichstromeingang oder eine PWM-Schaltung, die mittels Filter eine Gleichspannung erzeugt. Bild 5 zeigt die Abhängigkeit zwischen den elektrischen Spannungen an Pin 5 und dem DIM-Pin.

Herausforderung Flackern

Die größte Herausforderung bei einer Helligkeitsregelung ist das Flackern. Natürlich lässt sich ein Flackern auch auf viele andere Probleme zurückführen, wie eine falsch angepasste LED-Last und eine I/U-Treiber-Charakteristik, die bei einigen Lastkombinationen ein Flackern verursachen kann. In diesen Fällen ist die Spannung U_dd entweder zu hoch oder zu niedrig und das IC geht in eine Abschaltung bei Unterspannung (UVLO) oder den Überspannungsschutz (OVP). Oft ist dies auf eine falsch ausgelegte Hilfswicklung im Transformator zurückzuführen. Hier hilft ein zusätzlicher Widerstand zwischen der Hilfswicklung und der U_dd-Diode, der eine Anpassung der Hilfsspannung bei einem geringfügigen Leistungsverlust erlaubt.

Die verzwickteste Herausforderung sind Triac-basierte Dimmer. Das Problem hierbei ist, dass diese Thyristor-Dimmer, die im Jahr 1959 entwickelt wurden und in denen heute Triacs verwendet werden, einen minimalen Haltestrom oder eine Minimallast benötigen, um eingeschaltet zu bleiben. Bei Glühlampen ist dies kein Problem, da diese im Prinzip einen Widerstand darstellen und nur rund 10 Prozent der eingesetzten Energie in Licht umwandeln. Um die gleiche Lichtmenge zu produzieren, benötigt eine LED deutlich weniger Energie, so dass die Haltestromschwelle des Triac zum Problem wird. Für LED-Lampen mit niedriger Stromaufnahme ist daher eine zusätzliche Schaltung notwendig, die das Triac triggert und dafür sorgt, dass es eingeschaltet bleibt. Diese Schaltung verändert zudem das EMV-Verhalten (elektromagnetische Verträglichkeit) der Stromversorgung. In der Regel enthält diese Trigger-and Hold-Schaltung ein ohmsches Element, das sich negativ auf den Wirkungsgrad, aber meist positiv auf den Leistungsfaktor (PF) und die Verzerrungen (THD) auswirkt. Je höher die Leistungsaufnahme der Schaltung ist, desto einfacher kann sie ausgelegt werden, da die Last selbst im gedimmten Zustand ausreichend Strom zieht. Bei stromsparenden LED-Lampen aber kann diese Schaltung ziemlich kompliziert werden, besonders dann, wenn sie mit jedem auf dem Markt angebotenen Dimmer funktionieren soll, da jeder einen anderen minimalen Haltestrom und eine andere Impedanz aufweist. Hier ist eine gute Produktdefinition und eine aussagekräftige Dimmer-Liste eine große Hilfe bei der Entwicklung eines kostengünstigen LED-Produkts.

Der Autor:

Alexander Craig
ist Principal Engineer bei Fairchild Semiconductor. Er arbeitet seit über 20 Jahren im Halbleiterbereich. Er hat einen Bachelor of Science und Master of Science in Elektrotechnik von der State University of New York in Binghamton.

alex.craig@fairchildsemi.com