LEDs für das Wechselspannungsnetz AC-LEDs – hocheffiziente Lichtspender für jeden Zweck

Autor / Redakteur: Lorenz Bauer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Effizienzvorteil von LEDs wirkt sich stärker aus, wenn Treiberverluste vermieden werden. Seoul Semiconductor (SSC) hat daher das Konzept der AC-LEDs und die Acriche- und Acrich2-Reihen entwickelt.

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LEDs sind in Durchlassrichtung betriebene Halbleiterdioden, deren Flussspannung im Voltbereich liegt. Dagegen beträgt die hierzulande übliche Wechselspannung 230 V / 50 Hz. Deshalb sind schaltungstechnische Konzepte notwendig, um Beleuchtungs-LEDs effizient mit Netzspannung betreiben zu können. Eine einfache Gleichrichterschaltung mit Vorwiderstand böte natürlich eine Lösung. Das ist aber für einzelne LEDs unwirtschaftlich, weil ein großer Teil der elektrischen Energie nicht für die Beleuchtung genutzt, sondern in Wärme verwandelt wird, die abgeführt werden muss. Ein wesentlicher Vorteil der LED, nämlich die hohe Energieeffizienz, geht im Gesamtsystem verloren. Besser ist die Reihenschaltung möglichst vieler LEDs, um die Betriebsspannung insgesamt besser ausnutzen zu können.

Ergänzendes zum Thema
Interview mit Andreas Weisl: „Hochvolt- und Wechselstrom-Leuchtdioden setzen den Leuchten-Designs keine Grenzen“

Welche aktuelle Situation sehen Sie derzeit auf dem LED-Markt?

Die Hersteller von LED-Beleuchtungssystemen stehen unter großem Kostendruck, dem unter anderem mit einer Vereinfachung der schaltungstechnischen Lösung begegnet werden kann. Deshalb bekommen wir zunehmend Anfragen aus den Vertriebsregionen nach Hochvolt-DC-LEDs und Wechselstromlösungen. Hochvolt-LEDs kommen mit wesentlich günstigeren Treiberschaltungen und weniger Komponenten aus. Deshalb gibt es immer mehr neue Leuchten-Designs auf der Basis von HV- und AC-LEDs.

Wohin geht der Trend bei der LED-Beleuchtung?

Der nächste Schritt ergibt sich aus folgenden Forderungen: Betrieb direkt aus dem Wechselstromnetz statt mit Gleichstrom, und das ohne Treiber. Das Prinzip wurde bereits vor einiger Zeit mit den ersten AC-LEDs umgesetzt, aber erst die neueste Generation Acrich2 ist eine ernsthafte Alternative zu sämtlichen DC-Lösungen. Hier wird eine Anzahl von HV-LED-Komponenten in Kombination mit einem speziell entwickelten IC auf einem PCB zusammengefaßt. Auf Grund der wenigen Komponenten sind viele Designfreiheiten möglich, weil extrem flache und schlanke Leuchtenkonzepte möglich sind. Nachteile von AC-Lösungen wie die geringere Effizienz oder sichtbares Flackern gehören der Vergangenheit an. Und zum ersten Mal entspricht die Systemlebensdauer der LED-Lebensdauer, denn Treiberbausteine sind nicht vorhanden.

Für welche Applikationen eignen sich die neuen LED-Produkte von SSC?

SSC hat bereits seit Jahren neben der DC- auch auf die AC-Technologie gesetzt und verfügt deswegen über sehr viel Erfahrung auf diesem Gebiet. Beim Betrieb von Wechselstrom-LEDs direkt an der Netzspannung ergeben sich auf Grund der periodisch auftretenden Abschaltzeiten Nachteile wie eine geringe Effizienz oder sichtbares Flackern. Deswegen sind AC-LED-Lösungen bisher vor allem in der Außenbeleuchtung zu finden oder in Applikationen, bei denen kein Platz für ein Vorschaltgerät vorhanden war. Dank der Kombination aus IC und Hochvolt-Komponenten konnten die Nachteile bei der Acrich2 weitestgehend eliminiert werden. Das Applikationsfeld hat sich erweitert, der Designvielfalt sind kaum Grenzen gesetzt. Beispiele sind Retrofits, insbesondere Bauformen, die wenig Platz für Treiber bieten (GU10), Einbaustrahler, Deckenstrahler für außen und innen oder lineare Anwendungen. Leuchtmittel auf der Basis von Acrich2 sind mit allen gängigen Triac-Dimmern dimmbar. Die Entwicklung ist nicht beendet: Die nächste Generation mit einem einzigen IC für sämtliche Eingangsspannungen und einer noch höheren Effizienz sowie einem besseren Dimmverhalten kommt noch in diesem Jahr.

Worin unterscheiden sich die Produkte und die Firmenpolitik von SSC von denen des Wettbewerbs?

Die Produkte von SSC weisen eine einmalige Chip-Struktur der eigens für diese Anwendungen entwickelten HV-LED-Komponenten auf und bestehen nicht aus einer Reihenschaltung von Einzelchips. Wir verfügen über langjährige Erfahrung bei HV- bzw. AC-Typen mit einem entsprechend großen Patentportfolio und arbeiten ständig an Verbesserungen dieser Produkte.

Als LED-Hersteller haben wir immer Wert darauf gelegt, Partner unserer Kunden zu sein und kein Konkurrent auf der Leuchten-Ebene. Für Acrich2 heißt das, daß wir einige wenige Standard-Platinen für verschiedene Spannungen anbieten, die den meisten Kunden als Evaluierungsboards dienen. Ab diesem Quartal stehen unseren Kunden in ganz Europa sogenannte Acrich2 Solution-Partner zur Verfügung. Dabei handelt es sich um langjährige Partner, die unsere Kunden beim Design, der Einhaltung relevanter Normen und bei der Bestückung unterstützen. So kam zum Beispiel in einem aktuellen Projekt aufgrund spezifischer Kundenanforderungen Keramik anstelle der üblichen Metallkernplatinen als zum Einsatz.

Individuelle Kundendesigns können so schnell und flexibel umgesetzt werden, Ideen sind keine Grenzen gesetzt.

Direkte LED-Ansteuerung mit Wechselspannung

Als Lösung für netzbetriebene Beleuchtungssysteme hat SSC das Konzept der AC-LED erfunden Ziel war es, die LED-Beleuchtungseinheit möglichst direkt mit zwei Drähten an der Netzspannung betreiben zu können. Ein Vorschaltgerät, d. h. der AC-DC-Spannungskonverter, sollte bei gleicher Performance wie bei einer DC-Lösung überflüssig sein. Im Lauf der Entwicklung wurden von SSC viele Patente für diese Technologie angemeldet.

Auf der Basis dieser Patente und Entwicklungsarbeiten brachte SSC 2006 die erste Acriche-LED-Generation auf den Markt. Es handelt sich dabei um ein LED-Package für direkten Wechselspannungsbetrieb, bei der viele LED-Chipflächen zusammen in einem Chip antiparallel und in Reihe zusammengeschaltet sind. Die Flussspannungen der einzelnen Diodenstrecken summieren sich, so dass die Netzspannung gut zur Umsetzung in Licht genutzt wird. Das LED-Package ist so ausgelegt, dass sie die anliegenden Sperrspannungen unbeschadet übersteht. Es handelt sich also nicht um eine klassische COB-Lösung, bei der mehrere Chips auf einem Träger platziert und verschaltet sind, sondern um einen einzelnen Chip, der intern antiparallel und in Reihe geschaltet ist.

In einem ersten Weiterentwicklungsschritt wurden die LED-Chipflächen in einem Chip in Reihe zusammengeschaltet. Zum Betrieb dieses LED Packages benötigt man wenige zusätzliche Komponenten wie einen Brückengleichrichter und einen Widerstand. Verbessungswürdig an dieser Lösung waren z.B. die noch nicht optimale Effizienz und der optische Eindruck.

Intelligente Ansteuerung der LED mit speziellem IC

Um eine Verbesserung der LED-Performance zu erreichen, wurde als nächster Entwicklungsschritt ein IC zur Ansteuerung der LEDs entwickelt. Dieser wird auf der gleichen Leiterplatte wie die LEDs platziert. Das Produkt wird als „Acrich2“ bezeichnet. Der Halbleiterbaustein wird in Versionen für 4 W und 8 W hergestellt. Je nach Region, wo das LED-Modul Verwendung finden soll, ist dieser auf 100 V, 120 V oder 230 V ausgelegt. Bei den üblicherweise in Acrich2 verwendeten LEDs handelt es sich um Mid-Power-LEDs in den Bauformen 5630, 6540 und 3528. Die Flussspannung Vf liegt dabei bei 22 V, 13 V oder 33 V.

Das IC steuert die LED-Gruppen beim Hochlaufen der Wechselspannungsamplitude während einer Phase nacheinander an. Es wird also eine Gruppe nach der anderen zugeschaltet, bis alle LEDs leuchten. Entsprechend werden die LED ausgeschaltet, wenn die Amplitude abnimmt. Damit ergeben sich folgende Vorteile:

• Im Vergleich zur Vorgängergeneration ist die Off-Zeit der LEDs deutlich verkürzt. Mit dem menschlichen Auge ist kein sichtbares Flackern wahrnehmbar.

• Weil kein konventioneller AC-DC-Konverter benötigt wird, ergibt sich eine deutliche Platzersparnis. Die Entwickler von Beleuchtungssystemen haben somit wesentlich mehr Freiheiten beim Design.

• Es lassen sich deutlich mehr Applikationen adressieren als bisher

Mit dem IC erreicht das LED-Modul einen Leistungsfaktor von größer 0,95 und aufgrund der phasensynchronen Schaltvorgänge einen Oberwellenanteil im Strom (THD – total harmonic distortion) von weniger als 25 Prozent. Auch gegen thermische Überlastung ist der Halbleiterbaustein geschützt: Bei einer Sperrschichttemperatur Tj von größer als 145 °C schaltet das IC ab.

Unter den üblichen Betriebsbedingungen im Wechselstromnetz müssen an den Acrich2-Modulen keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen vorgesehen werden. Bei Netzen, die mit hohen Spannungsspitzen belastet sind, z. B. im industriellen Umfeld mit starken induktiven Lasten (Motoren), sind die für überspannungsempfindliche Halbleiterschaltungen üblichen Schutzmaßnahmen vorzusehen. Dazu ist ein Metalloxid-Varistor (MOV) parallel zu den Eingangsanschlüssen zu schalten, der die kurzzeitig auftretenden elektrischen Energiespitzen aufnimmt. Ein Sicherungswiderstand R (22 Ohm, 1 Watt), trennt bei längerer Überlastung wie eine Schmelzsicherung den Stromkreis. Testen lässt sich die Funktion der Schutzschaltung im Labor mit dem Blitz-Test nach IEC 61000-4-5 und Ring-Wave-Test nach IEEE C.62.41.

In den üblichen Betriebssituationen sind wegen des geringen Störpegels auch keine zusätzlichen EMI-Maßnahmen erforderlich. Wenn die Acrich2-Module in Umgebungen betrieben werden sollen, die außerordentlich empfindlich gegen elektromagnetische Störungen sind, z. B. im Labor oder in der Nähe elektromedizinischer Geräte, sorgt ein einfacher Entstörkondensator C über den Netzanschlüssen des Moduls für zusätzliche Senkung des Störpegels. Bei dem Bauelement (10 nF, 630 Volt) muss es sich um einen induktionsarmen Metallschicht-Keramikkondensator handeln.

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