LED-Beleuchtung Primärseitig gesteuerter LED-Controller mit aktivem Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC)

LEDs am Wechselstromnetz mit 220 V zu betreiben ist immer noch ein Grund, weshalb LEDs im privaten Umfeld noch nicht auf genügend Akzeptanz stoßen. Mit dem MP4021 stellen wir Ihnen ein Bauteil vor, das die Kosten für Komponenten reduzieren soll und die Gesamteffizienz erhöhen soll.

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Die wachsende Nachfrage nach effizienten Beleuchtungsmitteln treibt die Verbreitung der LED voran.

Mittlerweile sieht man LEDs in einem breiten Bereich, angefangen in der Industrie, im Kommerziellen- und auch im privaten Umfeld. Allerdings stoßen LEDs oft noch an ihre Grenzen. Das trifft vor allem im privaten Bereich zu.

Eine große Herausforderung ist es die LEDs - welche mit wenig Gleichspannung betrieben werden – kostengünstig und effektiv in ein 220-V-Wechselstromsystem einzubinden.

Hierfür ist oft ein erheblicher Aufwand an Bauteilen für den Regelkreis erforderlich. Lebensdauer und Effizienz einer LED-Leuchte hängen letztendlich entscheidend von einer passenden Ansteuerung ab. Wenn es gelingt, die Kosten der Gesamtlösung zu senken sowie die Effizienz zu steigern, können die Chancen eines breiten Einsatzes von LED-Leuchten deutlich gesteigert werden.

Kosten der passiven Komponenten reduzieren

Der MP4021 von Monolithic Power Systems benutzt mehrere Methoden, um die Kosten der passiven Komponenten zu reduzieren und die Gesamteffizienz zu erhöhen. Er verwendet beispielsweise die Rückkopplung des sekundärseitigen Stromes über den Transformator zur Steuerung des Stromes. Das macht den üblicherweise benötigten Opto-Koppler überflüssig. Gleichzeitig wird dadurch der Kosten- und Bauteilebedarf reduziert.

Eine aktive Power Factor Correction, oder kurz PFC, ist bereits im Chip integriert. Dadurch lassen sich die Schaltverluste dank des verwendeten BCM-Modus (Boundary Conduction Mode) reduzieren. Die Implementierung des MP4021 Primärkreises basiert auf einer patentrechtlich geschützten Lösung um den exakten Strom der Sekundärseite zu messen. Und das ohne zusätzliche Komponenten.

Den Ausgangsstrom des Transformators ermitteln

Ein Strommess-Widerstand am MOSFET erfasst den Stromfluss über des Transformators, wie im Bild 1 gezeigt. Der Ausgangsstrom des Transformators T1 lässt sich über das Übersetzungsverhältnis der Wicklungen, der internen Feedback Spannung und des Wertes des Strommesswiderstandes berechnen.

In einem üblichen Wechselstromsystem mit 220 Vführen die Laufzeitverzögerungen der Kontrollschaltung zu Problemen bei der Regulierung des Schwingkreises. Diese Probleme können mit einer einfachen Feed-Forward-Schaltung deutlich reduziert werden und helfen so dabei, eine saubere Ausgangsspannung zu erzeugen.

Der Boundary Conduction Moudus

Um die Effizienz zu verbessern, nutzt der vorgestellt Baustein MP4021 den so genannten BCM-Modus. Hierbei erkennt der Komparator den Nulldurchgang des Stromes und schaltet den externen MOSFET so zum geeigneten Zeitpunkt.

Hierdurch werden sowohl die Verluste im primärseitigen Schalter sowie an der sekundärseitigen Diode drastisch reduziert, was wiederum zu einer sehr guten Effizienz und reduzierten EMV-Störungen führt.

Im Vergleich zu Wandlern mit festen Schaltfrequenzen variiert der Baustein seine Frequenz und sorgt für eine konstante Einschaltzeit bei jedem Halbzyklus. Die Ausschaltzeit ist dann abhängig von der Entladung der Magnetisierungsenergie des Transformators zur Last auf der Sekundärseite.

Einfaches Design und vielfältige Schutzfunktionen

Eine aktive PFC verbessert zusätzlich die Blindleistungskompensation. Der Ausgang des internen Multiplikators gibt einen sinusförmigen Verlauf vor, welcher dem Strom-Komparator als Referenz dient. Im Abgleich mit dem primärseitigen Strom durch die Induktivität wird so der Peak-Strom für jeden Zyklus festgelegt.

Hierdurch wird ein konstanter Strom bei einem Power-Faktor >0,9 erzielt. Der MP4021 vereinfacht nicht nur das Design, sondern bietet auch eine Vielzahl von Schutzfunktionen, wie vor Überspannung, Kurzschluss, und thermischer Überlastung. Damit trägt er deutlich zu einer verlängerten Lebensdauer der gesamten LED-Leuchte bei. Der Baustein ist in einem kompakten SOIC-8-Gehäuse erhältlich.

* * Thomas Berner ist Manager Product Marketing and Application Active Components bei CODICO in Deutschland.

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