Beleuchtungstechnik Mehrere LED-Stränge mit einer Topologie ansteuern

Immer mehr Beleuchtungssysteme nutzen LEDs als Lichtquelle: sie sind Energieeffizient und benötigen wenig Wartung. Unser Beitrag stellt eine Topologie vor, mit der sich mehrere LED-Stränge ansteuern lassen.

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

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Eine einfache und kostengünstige Lösung ist eine Stromversorgung, mit der die Netzspannung in eine Ausgangsgleichspannung von 12 oder 24 V umgewandelt wird. An die Stromversorgung werden anschließend parallele LED-Stränge angeschlossen, wobei der Strom mit Widerständen in den einzelnen Strängen geregelt wird.

Bei den heutigen ultrahellen LEDs, die teilweise Ströme über 350 mA aufnehmen, wäre ein solcher Ansatz sehr dissipativ, also zerstreut: Zum einen bietet er nur einen geringen Wirkungsgrad, zum anderen lässt sich der Strom nur unzureichend regeln, wodurch es zu erkennbaren Abweichungen der Lichtleistung in den einzelnen Strängen kommen kann.

Bei einer optimierten Variante dieser Methode werden die Widerstände durch Linearregler ersetzt. Auf diese Weise wird über alle Stränge hinweg eine einheitlichere Lichtleistung erzielt. Hinsichtlich Wirkungsgrad oder Verlustleistung ergeben sich keine merklichen Verbesserungen. Eine reduzierte Verlustleistung ist jedoch sehr wichtig für eine lange LED-Lebensdauer. Bei den skizzierten Ansätzen wirken die eingesetzten Widerstände oder Linearregler als lokalisierte Wärmequellen und verkürzen damit die LED-Lebensdauer deutlich.

Einzelner LED-Strang mit einer Stromversorgung speisen

Eine weitere, verhältnismäßig einfache Methode besteht darin, einen langen Strang mit einer einzelnen Reihe von LEDs anzulegen und über eine Stromversorgung zu speisen, die einen konstanten Gleichstrom hoher Spannung liefert. Die Spannungswerte liegen hierbei über den Werten der Schutzkleinspannung (SELV), d. h. über 60 VDC bzw. 42 V RMS. Der Beleuchtungskörper bzw. das Gehäuse benötigt damit die Zulassung der zuständigen Prüforganisationen. Gleichzeitig ist der Entwickler weniger flexibel und kann das elektrische Design nicht ohne weiteres auf andere Anwendungen übertragen.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei dem Einstrang-Ansatz ist die Zuverlässigkeit des Systems. Bei einem Defekt einer einzelnen LED fällt der gesamte Beleuchtungskörper aus. Es besteht zwar die Möglichkeit, mehrere Klemmschaltungen oder andere Vorrichtungen zu integrieren, mit denen defekte LEDs überbrückt werden; allerdings würden sich damit die Kosten und Komplexität des Beleuchtungskörpers erhöhen.

Mehrstrang-Architektur bei Hochleistungs LEDs

Bei Hochleistungs-LED-Beleuchtungssystemen ist eine Mehrstrang-Architektur, bei der die Stromregelung über Schaltregler erfolgt, am gebräuchlichsten. Eine einzelne Stromversorgung wandelt die Netzwechselspannung in eine Bus-Gleichspannung, die für gewöhnlich innerhalb der SELV-Werte liegt. Über den Bus werden dann die parallelen LED-Stränge versorgt, wobei in den einzelnen Strängen jeweils ein Abwärtswandler (in den meisten Fällen) oder ein Aufwärtswandler vorhanden ist. Der Einfachheit halber beschränken wir uns bei unserer Analyse auf die Abwärtswandler-Lösung, da die Aufwärtswandler-Variante von den Kosten und der Anzahl der Komponenten sehr ähnlich ist.

Im Bild 1 ist ein Schaltkreis mit einem Abwärtsregler dargestellt. Der Schaltkreis umfasst einen PWM-Controller, eine Induktivität, einen MOSFET, eine Diode sowie mehrere Widerstände und Kondensatoren. Ist ein höherer Wirkungsgrad gefordert, kann die Diode gegen einen MOSFET getauscht werden, und es kann ein PWM-Controller eingesetzt werden, der einen synchronen Buck-Betrieb erlaubt.

Die Netzwechselspannung wird gleichgerichtet und einer Boost-Schaltung mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) zugeführt. Durch die PFC wird eine Spannung von 400 V erzeugt, die wiederum die Eingangsspannung für einen nachgeschalteten DC/DC-Wandler bildet. Mit der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers wird anschließend ein Low-Voltage-Bus, der normalerweise von 12 bis 24 V realisiert wird, der den Strom für die LED-Stränge mit den Abwärtsreglern liefert.

Dieser Ansatz bietet einen relativ hohen Wirkungsgrad und ist eine gute Lösung, solange es wenige LED-Stränge sind. Bei Anwendungen mit höherer Leistung und vier oder mehr Strängen kann der Bauteile- und Kostenaufwand sehr hoch werden.

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