MidPower-LEDs sparen Energie und reduzieren das Blenden

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

ABM Asset and Business Management AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Lichttechnisches Institut

Ein Stromteiler, der sich von selbst regelt

Die Vorwiderstände erzeugen auch bei perfekt angeglichen Strömen Verlustwärme. Es wäre effizienter, nur die überschüssige Energie in den Strängen mit zu hohem Strom in Verlustwärme zu wandeln. Ein neuer, patentierter Ansatz des Lichttechnischen Instituts am Karlsruher Institut für Technologie besteht darin, den Strom in jedem LED-Strang zu messen und individuell an einen übergeordneten, selbstbildenden Mittelwert anzupassen. Dazu wird in jedem Strang mit Hilfe eines Operationsverstärkers und eines MOSFETs eine kompensierte Stromquelle aufgebaut. Diese kann den Strom entsprechend eines Vorgabewertes einregeln. Die Stromquelle erzeugt hier nur Verluste, wenn der Strom zu hoch ist.

In einem Prototypenaufbau wurden 1,5 Prozent Angleichungsverluste gemessen. Der Strom jedes LED Strangs wird über einen Shuntwiderstand gemessen, gemittelt und gefiltert. Dieser Mittelwert wird dann als Vorgabewert zu den Stromquellen der Stränge zurückgeführt. Die Schaltung besitzt zwei stabile Zustände: Zum einen bei 0 A und zum anderen bei gleichem Strom in jedem LED-Strang. Die Schaltung muss daher über eine Start-up-Schaltung in den aktiven Arbeitspunkt gebracht werden.

Ein LED-Modul mit dieser Schaltung kann an einem konventionellen Konstantstrom-Vorschaltgerät betrieben werden. Außerdem ist Dimmen durch das Vorschaltgerät weiterhin problemlos möglich, da sich die Schaltung ihren Vorgabewert selbst generiert und auf einen veränderten Eingangsstrom reagieren kann. Im Falle eines Kurzschlusses über einer LED übernimmt die Stromquelle im Strang den Spannungsabfall, welcher am MOSFET in Wärme umgewandelt wird. Der LED-Strom im Strang verändert sich nur geringfügig und alle übrigen LEDs arbeiten weiter. Somit wird der oben beschriebene Schneeball-Effekt vermieden.

Einige Hersteller garantieren, dass ihre LED mit einem Kurzschluss ausfällt. Das ist möglich, wenn keine Bond-Drähte verwendet werden, die in einer konventionellen LED bei Zerstörung zu einer Unterbrechung des Stromkreises führen können. Wird das jedoch nicht vom Hersteller garantiert, sollte eine antiparallele Zener-Diode angebracht werden. Wenn dann eine LED den Stromkreis unterbricht, erhöht die Stromquelle im Strang die Spannung so lange, bis die Zener-Diode durchbricht und wieder ein Strom fließt.

Die neue Schaltung (Bild 2) erzeugt im Vergleich zu den Vorwiderständen (Bild 1) geringere Verluste, da nur Energie für das Angleichen benötigt wird. Zusätzlich benötigen die Operationsverstärker für die Mittelwertbildung etwas Energie. Die zusätzlichen Verluste betragen 735 mW für die Beispiel-Leuchte mit 7500 lm. Die Leuchte spart durch den Einsatz von MidPower-LEDs 16 W ein.

• Kühlung: Da ausschließlich die wesentlich effizienteren MidPower-LEDs in den Leuchten verwendet werden, lassen sich hier deutlich kleinere Kühlkörper bei gleicher Lumenzahl der Leuchte einsetzen.

• MidPower vs. HighPower: Bei Einzeldistributoren sind LEDs mit 1000 lm für ungefähr fünf Euro pro Stück (100 Stück) erhältlich. LED-Kosten für 5000 lm: 25 Euro. Hingegen kosten MidPower-LEDs beim gleichen Online-Händler 9 ct/Stück. LED-Kosten für 5000 lm: 9 Euro. Bei den MidPower-LEDs ist eine deutliche Kosteneinsparung möglich. Die Kosten für zusätzlich erforderliche Elektronik betragen etwa 5 Euro.

• Bauform der Leuchte: Typischerweise ist die Packungsdichte bei HighPower-LEDs auf der Platine klein. Ein direkter Ersatz durch MidPower-LED-Arrays mit vergrößerter Packungsdichte kann meist ohne Leuchtenredesign stattfinden. Die Elektronik für die Angleichung kann auf 1 cm² pro parallelem LED-Strang aufgebaut werden.

• Fazit: Die größte Hürde bei der Ansteuerung von MidPower-LEDs wurde mit diesem patentierten Ansatz überwunden, da bestehende EVGs weiter genutzt werden können. Lediglich müssen die Linsen der Leuchten angepasst werden. Trotz allem überwiegen die Vorteile deutlich: Geringere Investitionskosten, geringere Systemkosten, geringere Betriebskosten und angenehmeres Licht dank geringerer Blendung.

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis diese Technik neue Maßstäbe in der Beleuchtung setzt. Das KIT arbeitet bereits mit einem Industriepartner zusammen.„Ersten Testkunden werden wir noch in diesem Jahr unsere Leuchte zu Testzwecken zur Verfügung stellen können.“, so Klaus Müller, Geschäftsführer von Gratz Luminance.

* Michael Heidinger promoviert am Lichttechnischen Institut des KIT In Karlsruhe.

(ID:44622778)