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Treiben und leuchten lassen

Moderne LED-Treibertechnik bietet oft ungeahnte Möglichkeiten

20. Juni 2012, 17:24 Uhr | Willem Ongena

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

LED-MR16 aus Halogentrafo speisen

Das Halogen-Leuchtmittel MR16 ist in der Beleuchtungstechnik sehr beliebt, nicht zuletzt, weil es kompakt ist und seine Lebensdauer die einer herkömmlichen Glühlampe übersteigt. Da ist es verständlich, dass viele Nutzer die weitaus überlegene Lebensdauer sowie Energie-Effizienz einer LED-Variante sehr begrüßen. Der einfache Tausch gegen eine LED-Variante ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Zwar sind beide Varianten Niedervolt-Leuchtmittel, deren Einsatz einen Transformator erfordert, jedoch weisen beide vollkommen unterschiedlichen Charakteristika auf, die es notwendig machen, das Treiber-Design gut zu überdenken und zu überprüfen.

MR16-Halogenlampen sind nichtlineare ohmsche Lasten. In kaltem Zustand ist ihr Widerstand gering, so dass nach dem Einschalten zunächst ein hoher Strom fließt, was günstig für den Betrieb der elektronischen Transformatoren ist. Sobald die Lampe zu leuchten beginnt, wird die Glühwendel heiß, und ihr elektrischer Widerstand nimmt zu. Eine typische 35-W-Halogenlampe nimmt an 120 bzw. 230 VAC 35 W Leistung auf, gleich ob sie an einem konventionellen Trafo oder einem elektronischen Transformator betrieben wird. Weil das Halogenleuchtmittel eine ohmsche Last ist, leuchtet es umso heller, je höher die Netzspannung ist.

Den Trafo täuschen

LED-Leuchtmittel sind keine ohmschen Lasten, wie sie die elektronischen Transformatoren voraussetzen. Es ist deshalb notwendig, das Lastverhalten des LED-Leuchtmittels so anzupassen, dass es die für die gewünschte Helligkeit erforderliche Leistung aufnehmen kann und gleichzeitig den ordnungsgemäßen Betrieb des elektronischen Transformators sicherstellt. Man könnte die Herausforderung so charakterisieren, dass es dem Schaltungsentwickler gelingen muss, das Halogenleuchtmittel mit einer Kombination aus LED und Treiberschaltung so nachzubilden, dass der elektronische Transformator quasi »getäuscht« wird, indem man ihn »glauben lässt«, dass er ein Halogenleuchtmittel versorgt.

Halogen-Leuchtmittel im MR16-Format werden üblicherweise mit einer niedrigen Wechselspannung betrieben. Diese wird entweder mit einem mit Netzfrequenz arbeitenden herkömmlichen Trafo oder mit einem elektronischen Transformator mit hoher Schaltfrequenz aus der Netzspannung erzeugt. In einem elektronischen Transformator mit hoher Schaltfrequenz wird die Primärwicklung durch eine mit hoher Frequenz schaltende elektronische Baugruppe versorgt. Die Sekundärwicklung liefert die Niederspannung von 12 VAC für den Betrieb der MR16-Halogenlampe.
Die Treiberschaltung eines MR16-LED-Leuchtmittels muss dergestalt ausgelegt sein, dass sie dem Ausgang des elektronischen Transformators einen konstanten Strom entnimmt. Der Ausgang des Transformators darf dabei nicht mit einer Kapazität versehen werden, weil dieses reaktive Glied die LED-Lampe unter Umständen daran hindert, als Verbraucher mit konstanter Stromaufnahme zu agieren. Es ist darüber hinaus notwendig, dass der vom LED-Leuchtmittel aufgenommene Strom sehr schnell, das heißt innerhalb von 3 bis 4 µs, auf den programmierten Wert ansteigt. Bei einer geringeren Anstiegsrate nämlich könnte sonst die Elektronik des Transformators das Schalten einstellen.

Damit sich ein LED-MR16-Leuchtmittel kostengünstig aufbauen und produzieren lässt, benötigt man einen passenden IC, in dem möglichst viele der geforderten Funktionen realisiert sind.

Maxim Integrated Products hat mit dem Baustein MAX16840 einen passen Treiber-IC für HB-LEDs entwickelt. Er stellt sicher, dass der Betrieb mit den meisten elektronischen Transformatoren ohne Probleme möglich ist. Der von der MR16-Lampe aufgenommene Strom wird dabei abhängig von der angelegten Effektivspannung variiert. Bei niedriger Spannung nimmt das Leuchtmittel also einen bestimmten Strom auf. Um die Eingangsleistung konstant zu halten, regelt der IC diesen Strom herunter, wenn die effektive Eingangsspannung zunimmt.

In diesen HB-LED-Treiber integriert ist ein für die meisten Anwendungen geeigneter 48-V-MOSFET mit 0,2 Ω Durchlasswiderstand. Der Treiber lässt sich für LED-Ketten-Spannungen zwischen 6 V und 40 V konfigurieren. Besteht eine Kette aus mehr als sechs LEDs, kann der Treiber im Boost-Modus, das heißt als Aufwärtswandler, betrieben werden. Bei sechs LEDs und darunter sollte der Treiber in einer SEPIC-Konfiguration verwendet werden.

Der MAX16840 verwendet zur Regelung des Eingangsstroms die Durchschnittsstromregelung. Die durchschnittliche Spannung am Widerstand R3 wird für jeden Schaltzyklus mithilfe der am REFI-Pin (Current Reference Input) liegenden Spannung geregelt. Die Schaltfrequenz ist intern auf 300 kHz eingestellt. Durch die Begrenzung der Spannung an R3 auf maximal 200 mV kann die Stromstärke nicht größer werden als 0,2 V/R3.

Für die Drossel des Aufwärtswandlers wird ein Induktivitätswert von 100 µH gewählt, um die Eignung für elektronische Transformatoren durch eine geringe Stromwelligkeit am Eingang zu verbessern. In jeder Halbwelle der an Pin 3 des Brückengleichrichters liegenden Spannung wird der Eingangsstrom null, wenn die vom elektronischen Transformator kommende Spannung nahe null ist. Für einen korrekten Betrieb kommt es darauf an, dass der vom LED-Leuchtmittel aufgenommene Strom (an irgendeiner Stelle des Schaltzyklus des elektronischen Transformators) auf den programmierten Stromwert am REFI-Pin ansteigt. Ist der vom Leuchtmittel aufgenommene Strom deutlich geringer als der Strom, der für das korrekte Funktionieren des elektronischen Transformators erforderlich ist, beginnt das LED-Leuchtmittel zu flackern. Wenn, wie im vorliegenden Fall, eine 100-µH-Drossel benutzt wird, benötigt der Strom eine gewisse Zeit, um von null aus anzusteigen. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass einige elektronische Transformatoren zu schalten aufhören und dann erneut anlaufen, was das besagte Flimmern zur Folge hat.

Hier geht's zum Datenblatt des MAX16840 beim Maxim Integrated Products.

Flimmern unterbinden

Maxim hat zwei Möglichkeiten zur Abhilfe geschaffen: Hierzu enthält das hier beschriebene Design eine zusätzliche Last, bestehend aus R18, D7, C14, Q4, D8, R17, R11, R13 und Q3. Diese Beschaltung dient dem elektronischen Transformator als eine weitere Last von 5 Ω, allerdings nur für eine Dauer von ungefähr 80 bis 90 µs pro Halbwelle der gleichgerichteten Sinuswelle, deren Frequenz typisch 100 Hz bzw. 120 Hz beträgt. Die zusätzliche Last wird deaktiviert, sobald der Strom in der Drossel ausreichend angestiegen ist, um den Transformator in Betrieb zu halten. Der Anstieg der Leistungsaufnahme durch diese zusätzliche Last ist gering.

Die andere Lösung liegt in der Senkung der Induktivität der Boost-Drossel auf 10 µH. Diese Maßnahme hebt die Schaltfrequenz an und entfernt die zusätzliche Last. Die höheren Schaltfrequenzen haben zwar eine Zunahme der Schaltverluste zur Folge, jedoch entfällt andererseits die zusätzliche Last.

Maxim hat anhand zahlreicher Versuche nachgewiesen, dass die hier beschriebene Schaltung für 6-W-MR16-Leuchtmittel (dessen Lichtausbeute mindestens einer Halogenvariante gleichkommt) mit den meisten handelsüblichen Transformatoren einwandfrei funktioniert. Eine Tabelle ist unter www.elektroniknet.de/maxim-transformatoren abrufbar.