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Passende Treiber zur LED-Leuchte finden

...oder sie hält nur halb so lang

31. Januar 2017, 12:58 Uhr | Von Thomas Rechlin

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Parameter, die den LED-Treiber definieren

Aber LED-Treiber ist nicht gleich LED-Treiber. Um für seine Leuchte den richtigen LED-Treiber auszuwählen – egal ob mit AC- oder DC-Versorgung –, sollte man mit folgenden Datenblattangaben vertraut sein.

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Ripple-Strom

Ein guter Indikator für die Güte eines LED-Treibers ist der Strom- bzw. Spannungs-Ripple (Bild 3). Beide treten bei jedem LED-Treiber auf und werden durch das Schalten des LED-Treibers verursacht. Da die Schaltfrequenz in der Regel zwischen 40 kHz und 100 kHz liegt, ist der Ripple mit dem Auge nicht wahrnehmbar, jedoch bei Videoanwendungen kann es so zu ungewolltem Flimmern kommen. Außerdem ist beim Strom-Ripple (der kann durchaus 30 bis 40 Prozent über dem Nennausgangsstrom liegen) darauf zu achten, dass der zulässige LED-Strom nicht überschritten wird, da dies langfristig zur Schädigung der LED führen kann.

Wirkungsgrad und Leistungsfaktor

Ein weiterer wichtiger Wert ist der Wirkungsgrad des LED-Treibers. Ein nur 10 Prozent höherer Wirkungsgrad macht hier einen riesen Unterschied für die Lebensdauer der Leuchte (siehe folgendes Beispiel „Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Wirkungsgrad“ am Ende des Artikels).

Es ist auch darauf zu achten, den LED-Treiber in einem Lastbereich von 80 bis 100 Prozent zu betreiben, da der Wirkungsgrad im niedrigen Lastbereich oft sehr schlecht ist. Dies gilt auch beim Dimmen.

Ist die Lichtausbeute einer LED-Leuchte (Lumen/Watt) überschaubar, wird häufig etwas vorschnell ein geringer Wirkungsgrad des LED-Treibers unterstellt. Um jedoch die Lichtausbeute der LED-Leuchte zu erhalten, muss der Lichtstrom pro Watt der LED sowohl mit dem Wirkungsgrad des LED-Treibers als auch dem Wirkungsgrad der Optik multipliziert werden.

Auch der Leistungsfaktor (Power Factor) wird oft mit dem Wirkungsgrad gleichgesetzt. Dabei haben diese beiden Werte nichts miteinander zu tun. Der Leistungsfaktor beschreibt das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung eines mit Wechselspannung gespeisten Geräts. Für LED-Leuchten ab 25 W ist in der EU ein Leistungsfaktor von ≥0,9 vorgeschrieben. In den USA gelten ähnliche Werte. Günstige Produkte aus Asien erfüllen diese Limits allerdings oft nicht.

Einschaltstrom und Spannungsfestigkeit

Eine weitere wichtige Information aus dem Datenblatt von AC/DC-LED-Treibern ist der Einschaltstrom (Inrush Current). Dieser entsteht, wenn die Eingangskondensatoren geladen werden, und kann durchaus 50 A (für wenige 100 μs) betragen. Für Einzelleuchten ist das kein Problem. In großen Räumen mit vielen LED-Leuchten ist hier aber darauf zu achten, mehrere Stromkreise zu verwenden, da ansonsten der Leitungsschutzschalter beim gemeinsamen Einschalten auslösen kann. Üblicherweise sollte im Datenblatt eine Information beinhaltet sein, wie viele LED-Treiber pro Sicherungsautomat zulässig sind.

Auch auf die Spannungsfestigkeit (Surge) sollte ein Blick geworfen werden. Je nach Anwendungsbereich sind unterschiedliche Überspannungskategorien zu berücksichtigen (Bild 4 und Tabelle 1). Für viele Anwendungen, insbesondere im Indoor-Bereich, ist CAT II mit einer Spannungsfestigkeit von 2,5 kV ausreichend. Bei industriellen Anwendungen oder für die Straßenbeleuchtung werden aber oft höhere Anforderungen gestellt.

Elektromagnetische Verträglichkeit und Zertifizierungen

Als elektronisches Gerät muss eine LED-Leuchte und damit auch der Treiber die relevanten EMV-Normen einhalten. Damit andere Geräte nicht durch den LED-Treiber gestört werden, ist das Augenmerk die Erfüllung der Class B in EN 55015 (CISPR 15). Außerdem hat ein AC/DC-LED-Treiber auch EN 61000-3-2 (Oberschwingungen) und EN 61000-3-3 (Flicker) einzuhalten und die Störfestigkeit muss gewährleistet sein. Diese ist im Wesentlichen in EN 61547 geregelt und kann je nach Einsatzbereich unterschiedliche Grenzwerte aufweisen.
Zusätzlich ist im globalisierten Wettbewerb eine Vielzahl von Sicherheitsstandards, Verordnungen und nationalen Richtlinien einzuhalten. Hier seien nur einige wichtige Beispiele genannt:

IEC (weltweit)
CE (Europa)
ENEC (Europa)
UL (USA)
PSE (Japan)
EuP Richtline (EU)
Energy Star (USA)
WEEE-Richtlinie (EU)
RoHS/REACH (weltweit)

Wie die Temperatur die Lebensdauer beeinflusst

Um diesen Zusammenhang zu verdeutlichen, sei ein kurzer Ausflug in die Vergangenheit erlaubt. 1889 entdeckte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius im Zuge seiner Forschungen über die elektrolytische Dissoziation, wofür er 1903 den Chemie-Nobelpreis erhielt, den Zusammenhang zwischen chemischer Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur. Dieser fundamentale Zusammenhang lässt sich durch die Arrhenius-Gleichung beschreiben (Formel 1). Die in der Formel beschriebene Aktivierungsenergie EA ist hierbei der wesentliche Faktor. Denn je geringer die benötigte Aktivierungsenergie eines Systems ist, desto schneller verläuft eine Reaktion. Dieser Zusammenhang ist daher nicht nur für chemische Reaktionen anwendbar, sondern gilt auch für viele andere Systeme, wie beispielsweise in der Elektronik. Durch Umformen der Arrhenius-Gleichung ergibt sich Formel 2, die den Beschleunigungsfaktor (k) für die Alterung elektronischer Systeme beschreibt.

Mit ein paar Vereinfachungen kann daraus die bekannte Faustformel abgeleitet werden, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C die Ausfallwahrscheinlichkeit verdoppelt; siehe dazu auch Tabelle 2. Im Umkehrschluss bedeutet das also die Halbierung der Lebenserwartung.

Wir wissen nun also, dass die Temperatur für die Lebensdauer eines LED-Treibers und somit auch für die Zuverlässigkeit der LED-Leuchte essenziell ist. Denn jedes System ist immer nur so gut wie sein schwächstes Glied. Daher gilt es sowohl beim Design der LED-Leuchte als auch bei deren späterem Einbau genau darauf zu achten, dass die thermischen Bedingungen optimal sind. Für den Entwickler heißt das konkret, dass er das Thermomanagement des LED-Treibers nicht über den Kühlkörper der LED betreiben sollte, denn dann könnte es passieren, dass der Treiber ungewollt durch die Abwärme der LED belastet wird, statt gekühlt zu werden.

Auch beim Einbau der LED-Leuchte selbst ist darauf zu achten, dass kein Hitzestau entstehen kann. Das wird dann zu einer Herausforderung, wenn ein Treiber in einer Zwischendecke montiert oder in kleine, hermetisch abgeschlossene Gehäuse (zum Beispiel zum Schutz vor Feuchtigkeit) integriert werden soll.