Treiberlösungen für LEDs

Ansteuerung von LEDs: Auf die richtige Stromversorgung kommt es an

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Erstens: LEDs arbeiten bei niedrigeren Strömen wesentlich effizienter. Sie liefern wesentlich mehr Lumen pro Watt. Als Beispiel hierfür können die Zahlen der lichtstarken LEDs vom Typ Cree XM-L herangezogen werden. Wird die LED mit 3 A bei einer Temperatur von 25 °C betrieben, erzeugt sie einen Lichtstrom von 976 Lumen. Sie nimmt dabei eine Leistung von 3 A * 3,34 V = 10,02 W auf, was eine Lichtausbeute von 97 lm/W ergibt.

Betreibt man die LED dagegen mit 1,5 A, so erzeugt sie 590 lm. Die Leistungsaufnahme beträgt dabei 1,5 A * 3,14 V = 4,71 W, woraus sich eine wesentlich höhere Lichtausbeute von 125 lm/W errechnet. Aufgrund der höheren Lichtausbeute ist die Eigenerwärmung der LED bei niedrigeren Strömen wesentlich geringer. Dies aber kann sich sowohl auf die Wellenlänge als auch auf die Intensität des abgestrahlten Lichts auswirken, und auch die Flussspannung wird von der höheren Sperrschichttemperatur beeinflusst.

Zweitens: Mit zunehmender Temperatur sinken die Flussspannung sowie die Leistung, die zum Aufrechterhalten eines konstanten Stroms erforderlich ist. Gleichzeitig geht auch der Lichtstrom zurück, und zwar in noch stärkerem Ausmaß. Obwohl also weniger Leistung benötigt wird, um einen konstanten Strom fließen zu lassen, geht die Gesamt-Lichtausbeute der LED wegen des reduzierten Lichtstroms zurück.

Weshalb werden für LEDs überhaupt Treiber benötigt?

Die Wahl der passenden Stromversorgung ist entscheidend dafür, eine LED mit größtmöglicher Effizienz zu betreiben. Infolge der langen Lebensdauer der LEDs entsteht der Eindruck, dass die Stromversorgung nun das schwächste Glied in der Kette ist. Die Firma Excelsys hat durch sorgfältiges Design, marktführende Bauelemente und innovatives Wärmemanagement Lösungen erarbeitet, die den Kunden Lebensdauern bieten, die sogar LEDs übertreffen. Außerdem wurden Ausstattungsmerkmale in das Design integriert, die speziell den Anforderungen des LED-Marktes entsprechen.

  • IP67-zertifiziertes, wasserdichtes Metallgehäuse (optional vergossen)
  • Als Bauelemente mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie und temperaturabhängiger Flussspannung müssen LEDs stromgeregelt betrieben werden.
  • LEDs müssen mit einer niedrigen, begrenzten Gleichspannung betrieben werden und sind gegen Beschädigung zu schützen.
  • Im Gegensatz zu Glühlampen sind LEDs keine rein ohmschen Lasten. Treiber sind erforderlich, um über alle Netz- und Lastbedingungen hinweg einen Leistungsfaktor von nahe 1 zu gewährleisten.
  • Hohe Lichtausbeute (entsprechend dem Innovationsdruck der Entwickler von Beleuchtungen nach noch mehr Lumen pro Watt).
  • Hohe Zuverlässigkeit
  • Lange Lebensdauer, möglichst in der Größenordnung von einigen zehntausend Stunden
  • Zulassung gemäß UL8750
  • Künftige Designs werden die Fähigkeit zur Kommunikation mit der Stromversorgung besitzen.

LEDs sind stromgetriebene Bauelemente. Daher stellt sich die Frage, warum Unternehmen überhaupt Konstantstrom- und Konstantspannungs-Lösungen für LED-Treiber anbieten. Man möchte Leuchtendesignern mehrere Optionen zur Optimierung ihrer Systeme anbieten. Wenn mehrere LED-Strings in Reihe geschaltet werden, lassen sie sich am besten mit einem Konstantstrom-Treiber ansteuern. Dabei werden die LEDs direkt mit den Anschlüssen der Stromversorgung verbunden.

Sind die LED-Strings dagegen parallelgeschaltet, kann es sich problematisch gestalten, die Ströme in den einzelnen Strings abzugleichen. Eine mögliche Alternative wäre es hier, ein externes Bauelement oder einen aktiven Baustein zum Regeln des Stroms einzufügen. Dies würde zwar die in Lumen pro Watt gemessene Gesamt-Lichtausbeute geringfügig reduzieren. Der Anwender hätte aber uneingeschränkte Flexibilität, um für identische Ströme in den verschiedenen parallelgeschalteten LED-Strings zu sorgen.

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Konstantstrom- und Konstantspannungs-Betriebsart

In den Bildern 5 bis 7 sind die charakteristischen Eigenschaften dreier verschiedener Betriebsarten einer Stromversorgung dargestellt. Die Achsen sind bei allen drei Diagrammen identisch: während auf der X-Achse die Ausgangsleistung aufgetragen ist, ist entlang der Y-Achse die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom der Stromversorgung dargestellt. Die Spannung wird im Diagramm durch eine blaue, der Ausgangsstrom durch eine grüne Kurve wiedergegeben.

Bild 5 veranschaulicht das Verhalten einer Konstantspannungs-Stromversorgung. Wie der Name schon sagt, bleibt die Ausgangsspannung mit zunehmender Leistung konstant. Dabei steigt der Laststrom mit der Ausgangsleistung an, bis schließlich der Punkt erreicht ist, an dem die Strombegrenzung eingreift, um Schäden im Leistungs-Teil zu verhindern. Im Produktportfolio von Excelsys gehören die Produktreihen LDV und LXV in diese Kategorie. Beide Reihen decken alle gängigen, aber auch einige weniger verbreitete Spannungen ab.

Bild 6 zeigt das Verhalten eines Konstantstrom-Treibers. Mit zunehmender Last bleibt der Ausgangsstrom gleich, während die Spannung entsprechend der Last sinkt. Die Produktreihen LDC , LXC und LXD weisen diese Charakteristik auf.

Beim neuesten Design von Excelsys sind der Konstantstrom- und der Konstantspannungs-Modus in einer Lösung vereint. Wie Bild 7 zeigt, verhält sich das Netzteil zunächst wie ein Konstantspannungs-Design. Ist der maximale Laststrom erreicht, hält der Regelkreis den Ausgangsstrom auf einem konstanten Wert und reduziert die Ausgangsspannung entsprechend. Dieses Konzept hat für die Entwickler von Endgeräten viele Vorteile, denn bei korrekter Verwendung lassen sich Konstantstrom- und Konstantspannungs-Modus mit einer einzigen Stromversorgung realisieren. Jede dieser Lösungen kann zur Implementierung einer Lösung für unterschiedliche Beleuchtungs-Anwendungen herangezogen werden.

* Dr. Michael Würkner ist Senior VP Product Manamgemt OEM bei CompuMess Elektronik (CME) und Shane Callanan ist Director of Applications Engineering bei Excelsys.

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