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Stromquellen für LED-Leuchten sollen hohe Konstanz und Lebenserwartung sicherstellen

Treiber für kleine und große Lichter

2. März 2012, 15:40 Uhr | Willem Ongena

Prinzipschaltbild eines Flyback-Controllers für LED-Leistungen bis 20 W.

Die zunehmende Beliebtheit von LED-Beleuchtungsanwendungen stellt die Designer vor neue Herausforderungen: Je nach Anwendung steigt die Design-Komplexität, die Forderung nach einer hohen Systemeffizienz und begrenzten Platz auf der Leiterplatte.

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Diese Herausforderungen betreffen auch die Treiberelektronik, der in jedem Design besonderes Augenmerk zukommt.

So muss in einer so genannten Retrofit-Anwendung, bei der das Leuchtmittel so aufgebaut ist, dass es in eine herkömmliche Schraub- oder Steckfassung an einer transformierten oder primären Wechselspannung betrieben werden kann, vor allem auf die Kosten geachtet werden. »Das darf aber keinesfalls zu Lasten der Lebensdauer der Schaltung gehen«, betont Alfred Hesener, Senior Director Marketing & Applications Europe bei Fairchild, der auch gleich eine klassische Schwachstelle nennt: »Elektrolytische Kondensatoren trocknen aus und verlieren so allmählich ihre Kapazität, besonders wenn sie heiß oder durch starke Stromimpulse belastet werden«.

Beides kann in einem Leuchtmittel leicht passieren. Immerhin wird eine Retrofitlampe mit Wechselspannung betrieben, während die eingebaute LED Gleichstrom braucht. Nach dem Transformieren und Gleichrichten bleibt eine Wechselspannung übrig, die von einer mitunter sehr hohen Restwelligkeit (ripple) überlagert wird. Diese belastet den Elko, dessen Ladung die Lücken zwischen den Spannungsimpulsen überbrücken soll, damit die LED mit möglichst konstantem Gleichstrom versorgt werden kann.

»Die Lösung liegt vor allem darin, die Lücken möglichst kurz zu halten, was sich mit einer hohen Wechselfrequenz realisieren lässt«, sagt Hesener. Die Netzwechselfrequenz ist mit 50 oder 60 Hz viel zu niedrig, bzw. würde so hohe Wert für den Kondensator erfordern, dass nur elektrolytische Typen in Frage kämen. In der Praxis setzt man also getaktete Wandler ein, deren Taktfrequenz sehr viel höher liegt (bei kleinen Leistungen mitunter sogar im MHz-Bereich), was den Vorteil hat, dass sich sehr kleine reaktive Elemente (Kondensatoren, Spulen) einsetzen lassen, was den Forderungen nach geringem Platzverbrauch entgegen kommt.

Welche Reglertopologie für welche Leuchte?

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Es gibt eine Vielzahl von Schaltungstopologien, die für die Stromversorgung von Leuchtdioden in Frage kommen. »Welche man jeweils wählt, hängt primär von der Leistungsklasse der Leuchte ab«, erläutert Hesener.

Für elektrische Leistungen bis maximal 20 W setzt man typischerweise Sperrwandler mit primärseitiger Regelung (PSR) ein. Mit solchen Reglern lässt sich eine hohe Leistungseffizienz erreichen, während es auch von Vorteil ist, dass keine Rückkoppelung mit galvanischer Trennung (etwa mittels Optokoppler) aus dem Sekundärkreis erforderlich ist. PSR-Wandler lassen sich ohne elektrolytische Kondensatoren aufbauen.

Für elektrische Leistungen ab 20 W bis etwa 50 W eignen sich einstufige Sperrwandler mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC). PFC ist übrigens für Beleuchtungsanwendungen in dieser Leistungsklasse gesetzlich vorgeschrieben und daher unverzichtbar. Meistens ist auch hier das Platzangebot begrenzt, so dass eine kompakte Bauweise Pflicht ist. An Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer stellt man höhere Anforderungen als bei konventionellen Leuchten. Je höher die Leistung wird, umso schwieriger wird es allerdings, noch ohne Elkos auszukommen. »Umso wichtiger wird es dann, den Ripple und die Betriebstemperatur möglichst gering zu halten«, betont Hesener.

Für höhere elektrische Leistungen (in der Klasse bis etwa 100 W) kommen quasi-resonante PFC-Wandler (QR-PFC) in Frage. Herkömmliche Standardlösungen in dieser Architektur sind aber fast immer durch eine große Anzahl von Bauteilen, hohe Kosten und eine geringe Systemeffizienz gekennzeichnet. Für den Einsatz in LED-Leuchten scheiden sie daher oft aus. »Fairchild bietet deshalb einen hoch integrierten QR-Sperrwandler an, der sich durch eine hohe Systemeffizienz und hohe Zuverlässigkeit bei geringem Platzbedarf auszeichnet, und der mit dem CRM-PFC-Frontend einen hohen Leistungsfaktor und einen geringen Klirrfaktor ermöglicht«, erläutert Hesener.