LED-Treiber mit Wechselstrom im speziellen Single-Chip-Design

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LED-Treiberbausteine, welche direkt mit Wechselstrom arbeiten, bieten verschiedene Vorteile. Mit einem speziellen Single-Chip auf Basis des Shunt-Prinzip lassen sich Schaltungen deutlich besser skalieren.

Obwohl die LED dank geringer Baugröße und wenig Energieverbrauch die Beleuchtung verändert hat, so ist ein wesentlicher Schwachpunkt der halbleiterbasierten Beleuchtung nicht die LED selbst, sondern das Netzteil. Sie sind allzu oft der Flaschenhals einer Schaltung: Die Schaltnetzteile weisen eine viel kürzere zu erwartende Lebensdauer als eine LED auf. Grund sind die verbauten Komponenten und Elektrolytkondensatoren.

Auch Schaltnetzteile mit aktiver Kühlung sind sehr anfällig für einen frühzeitigen Ausfall. Entwickler sollten außerdem bedenken, dass Schaltnetzteile elektromagnetische Störungen (EMV) verursachen. Da sie meist eine recht große Bauform aufweisen, können sie aufgrund des zur Verfügung stehenden Platzes auf der Leiterplatte nicht zusammen mit den LEDs moniert werden. Damit sind Verbindungen und Leitungen erforderlich, die wiederum eine mögliche Fehlerquelle darstellen.

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Allerdings lässt sich das Problem beheben: Dank der Fortschritte in der Leistungselektronik sind Netzteile mit direkter Wechselstrom-Ansteuerung verfügbar. Damit werden herkömmliche Schaltnetzteile überflüssig. Solche Wechselstrom-Ansteuerungen (Direct AC-Drive) liegt ein Eingangsbrückengleichrichter zugrunde, der eine klassische Anordnung mit vier Dioden aufweist. Damit lassen sich Eingangswechselströme mit 50/60 Hz in eine Halbsinuswelle mit 100/120 Hz gleichrichten. Die Spitzenamplitude variiert von etwa 155 V bei einer Eingangsspannung von 110 V_AC bis zu 325 V für einen Eingang mit 230 V_AC. Man kann die Schaltkreise mit einer Wechselstrom-Ansteuerung in zwei Ausführungen unterteilen: Shunt-Typ und Bypass-Typ.

Steuerelektronik für LED: Shunt- und Bypass-Typ

Bei beiden Typen ist eine Einplatinenlösung möglich. Das unterscheidet sie zum Ansatz mit zwei Platinen, wie er bei Schaltnetzteilen erforderlich ist. Die Wechselstrom-Ansteuerung als Shunt-Variante verwendet einen einzelnen IC, der die Stückkosten verringert. Sie bietet den Vorteil, dass sie sich einfach skalieren lässt, obwohl das Wärmeverhalten eher schlecht ausgeprägt ist. Im Gegensatz dazu verwendet die Bypass-Variante mehrere ICs, was wiederum zu höheren Stückkosten führt. Dieser Ansatz eignet sich überall dort, wo viele LED-Stränge erforderlich sind. Obwohl die Skalierbarkeit im Vergleich zum Shunt-Ansatz begrenzt ist, fällt die elektrische Leistungsfähigkeit bei einem Klirrfaktor von weniger als 10% wesentlich besser aus als mit 30% bei dem Shunt-Ansatz aus.

Die beiden Varianten stellen einen bedeutenden technischen Fortschritt gegenüber den herkömmlichen Schaltnetzteilen dar. Sie sind dennoch keine ideale Lösung, um moderne LED-Beleuchtungen zu betreiben. Der Markt bietet eine Reihe von ganz unterschiedlichen Ansteuerelektroniken auf Basis einer integrierten Schaltung (ICs), die sich in Bezug auf Netzregelung, Wärmeverhalten, Stoßstromfestigkeit, Dimmen und auch bei den Kosten verbessern lassen. Im Bild 2 wird der Grundbetrieb einer DACD-Anwendung beschrieben. Während die AC-Netzspannung in einen Halbsinus gleichgerichtet wird, steuern Schalter innerhalb des ICs die Ströme (ILEDn) zu den jeweiligen LEDs. Dieser lineare Ansatz für das Schalten hat jedoch einen großen Nachteil: einen hohen Klirrfaktor.

Alternative Lösungen einer Steuerelektronik

Eine aktuelle Entwicklung in Sachen Steuerelektronik bietet ON Semiconductor mit dem Bauteil NCL30170. Es basiert auf der Shunt-Variante und der Baustein bietet alle genannten Vorteile des Ansatzes. Als Single-Chip-Lösung ergeben sich zudem eine höhere Skalierbarkeit und geringere Stückkosten. Ein wesentliches Leistungsmerkmal ist die Möglichkeit, mehrere externe MOSFETs anzusteuern, wodurch sich mehrere LED-Strings anschließen lassen (Bild 3).

Der Baustein soll nach Angaben von ON Semiconductor der branchenweit erste Baustein sein, der das ermöglicht. Folglich lässt sich die Leistung zwischen 10 und 200 W skalieren, wobei die Gesamtzahl der LED-Stränge und der externen Schalter nur durch den maximalen oberen Strompegel begrenzt ist. In den meisten Anwendungen kommt es darauf an, dass die LED-Helligkeit trotz Schwankungen der Netzspannung konstant bleibt. DACD-Treiber erzielen normalerweise eine Netzregulierung von ±10%. Der Baustein erreicht ±1%, womit sich eine konstante Lichtleistung der angeschlossenen LEDs erreichen lässt.

Der Baustein NCL30170 basiert auf einer eigens entwickelten Technik, um den Strom im Vergleich zum linearen Ansatz herkömmlicher Wechselstrom-Ansteuerungen zu regeln: Der Spannungsauslösepunkt bleibt gleich, aber der Strom wird so geregelt, dass er nicht länger eine Stufenform aufweist, was zu einem glatten sinusförmigen Strom führt (Bild 4), der zu einem hervorragenden Klirrfaktor von unter 10% führt. Neben einem hervorragenden Klirrfaktor bietet er einen Leistungsfaktor von über 0,98.

Analoges Dimmen bis hinab auf fünf Prozent

Mit der Möglichkeit eine LED dimmen zu können, greift der Entwickler auf die Pulsweitenmodulation (PWM) wie den Phasenanschnitt zurück oder er steuert analog. PWM bietet eine sehr breite Palette von Dimm-Funktionen, bringt jedoch erhebliche Nachteile mit sich, wie das Flackern. Damit verbunden sind negative Auswirkungen auf den Menschen, die diesem Licht ausgesetzt sind. Starkes PWM-Dimmen kann auch zu hörbaren Geräuschen führen, was insbesondere in Innenräumen unerwünscht ist. Viele Steuerelektroniken können bis auf 10% herabdimmen – der Baustein NCL30170 ermöglicht analoges Dimmen bis hinab auf 5%. Damit werden sogar die Anforderungen anspruchsvoller moderner Anwendungen erfüllt.

Der Baustein hält die Regelung über den gesamten Dimmbereich aufrecht und sorgt so dafür, dass auch bei geringem Stromfluss das von den LEDs ausgestrahlte Licht konstant bleibt. Die hohe PWM-Leistungsfähigkeit (Bleeding) des NCL30170 sorgt beim Phasenanschnitt-Dimmen mit einem TRIAC dafür, dass darauf basierende Lichtlösungen für das Nachrüsten bestens geeignet sind. Für das Phasenanschnitt-Dimmen bietet der Baustein einen BLD-Pin (Bleeding), um die Eingangsstromverzerrung zu kompensieren. Daher ist Bleeding hier ein geeigneter Ausdruck.

LED-Licht ist ein wesentlicher Bestandteil der heute erhältlichen Beleuchtungslösungen. Das wird in Zukunft aufgrund des geringen Stromverbrauches, der geringen Kosten und kleinen Abmessungen moderner Anwendungen zunehmen. Das Nachrüsten älterer Glühlampen-basierter Leuchten mit einer viel flexibleren und vielseitigen LED-Beleuchtung ist ebenfalls ein wesentlicher Faktor für zukünftiges Wachstum. Bis vor kurzem wurden Schaltnetzteile zur Stromversorgung von LED-Installationen verwendet – die aber Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweisen und dazu noch sperrig sind, was die Möglichkeit zur Installation von LED-Lösungen in begrenzten Räumen kompliziert macht und einschränkt.

Fallstricke bei der Flicker-Messung bei LED-Leuchten vermeiden

Licht-Flicker bei der LED und was Entwickler beachten sollten

* James Lee leitet als Marketingverantwortlicher das Beleuchtungs-Segment bei ON Semiconductor.

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