Straßenbeleuchtungen erfordern eine große Anzahl LEDs

Treiberlösungen für die LED-Straßenbeleuchtung Straßenbeleuchtungen erfordern eine große Anzahl LEDs

07.08.2012Autor / Redakteur: Christopher Richardson * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wie lassen sich eine große Zahl von LEDs wirtschaftlich und effizient in Straßenbeleuchtungen ansteuern? Wir zeigen Ihnen, wie die Backlight-Technologie hier Lösungen bietet.

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Texas Instruments Deutschland GmbH

Moderne Straßenbeleuchtungen werden mit LEDs ausgestattet - was ist bei den Treiberbausteinen zu beachten?

LED-Hintergrundbeleuchtungen unterscheiden sich von universellen Beleuchtungs-Anwendungen hinsichtlich der Art der verwendeten LEDs. In vielen allgemeinen Beleuchtungs-Applikationen kommen weniger als 10 LEDs zum Einsatz, die über eine hohe Leistung von beispielsweise je 1 W verfügen.

Bei einer Hintergrundbeleuchtung ist es üblich, Hunderte oder möglicherweise sogar Tausende kleiner LEDs mit einer Leistung von beispielsweise 20 bis 200 mW einzusetzen. Demzufolge waren die verwendeten LED-Treiber bisher von sehr verschiedener Bauart, und auch die Systemarchitekturen unterschieden sich stark. Mit der Einführung von Straßenbeleuchtungen auf LED-Basis oder Beleuchtungen für Parkplätze oder Lagerhallen ist die Distanz zwischen diesen beiden Welten allerdings erneut geschrumpft. Das Segment der HPWA- (High Power Wide Area-)Beleuchtungen, an dem Straßenbeleuchtungen einen großen Anteil haben, erfordert deutlich mehr Lichtleistung als LED-Tauschleuchtmittel für Glühlampen oder Leuchtstoffröhren.

Bild 1: Hochzuverlässiger Aufwärtswandlerbaustein mit einem LED-String

Man kommt somit nicht darum herum, eine große Zahl LEDs einzusetzen. Bei den LED-Treibern für Hintergrundbeleuchtungen löste man das Problem, derart viele LEDs in Serien-Parallelschaltung anzusteuern, indem jeder LED-Strang eine lineare Stromquelle zugeordnet bekommt. Zur Verbesserung der Energieeffizienz wurde außerdem ein Schaltnetzteil mit dynamisch variierbarer Ausgangsspannung verwendet. Systeme dieser Art konnten bisher höchstens Ströme von rund 100 mA pro Kanal liefern. National Semiconductor, nun Texas Instruments, griff dieses Konzept auf, stockte es aber auf immerhin 500 mA/Kanal auf und fügte zusätzlich die Regelungs und Schutzfunktionen hinzu, die von hochzuverlässigen Beleuchtungen im Außenbereich, wie sie beispielsweise von Straßenbeleuchtungen verlangt werden.

200 LEDs pro Straßenleuchte als bester Kompromiss

Bild 2: Serien-Parallelschaltung mit einer großen Stromquelle

Staat und Kommunen sind besser als die einzelnen Konsumenten gerüstet, die langfristigen Kostenvorteile einer gut durchentwickelten LED-Straßenbeleuchtung zu beurteilen. Somit überrascht es nicht, dass immer mehr Städte und Gemeinden die Umstellung auf LED-Straßenleuchten in Angriff nehmen. Beleuchtungseinrichtungen für öffentliche Straßen und Plätze unterliegen zahlreichen Normen, die insbesondere den minimalen und maximalen Lichtstrom und das Abstrahlprofil regeln.

So unterschiedlich die Vorschriften von einem Land zum anderen sind. Ihnen allen gemein ist, dass sie alle einen höheren Lichtstrom und somit mehr Leistung erfordern als andere gängige LED-Designs wie ein Glühlampenersatz mit insgesamt 300 bis 600 lm oder Tausch-Leuchtmittel für Leuchtstoffröhren mit 1000 bis 4000 lm je nach Länge. Eine Straßenleuchte dagegen kann ohne weiteres einen Lichtstrom von 10.000 lm oder mehr benötigen.

Warum kleine LEDs von Vorteil sind

Bild 3: Serien-Parallelschaltung mit Vorwiderständen

Kleine LEDs, die mit Vorwärtsströmen von 20 bis 40 mA betrieben werden, sind bezüglich des auf die Leistung umgerechneten Lichtstroms im Vorteil, haben aber zwei klare Nachteile. Erstens wären Tausende kleinere LEDs erforderlich, um den benötigten Lichtstrom zu erzeugen. Zweitens wäre eine große Zahl kleiner LEDs ideal geeignet, um das Licht gleichmäßig auf eine große Fläche zu verteilen, jedoch würde das von Straßenleuchten geforderte definierte Abstrahlprofil den Einsatz von Optiken voraussetzen. Die Optiken sind am effizientesten, wenn sie mit punktförmigen Lichtquellen kombiniert werden. Es gibt derzeit Single-Die-LEDs mit einer Leistung von 10 W, die bezüglich der Optik vorzuziehen wären. Die hierbei entstehende erhebliche Verlustwärme von einer derart kleinen Fläche abzuleiten, stellt ebenfalls keine geringe Herausforderung dar. Die Wärmeentwicklung macht es bedeutend schwieriger, die hohen Erwartungen bezüglich des Lichtstroms pro Watt zu erfüllen. Aktuelle LED-Straßenleuchten bestehen aus 50 bis 200 LEDs mit einem Treiberstrom von je 350 mA, denn das stellt den besten Kompromiss zwischen der Lichtausbeute und der Zahl der benötigten LEDs dar.

Alle LEDs in Serie zu einem String verschaltet

Da die Lichtabgabe einer LED weitgehend proportional zum Vorwärtsstrom ist, stellt die Serienschaltung die einfachste Möglichkeit dar, eine bestimmte Anzahl LEDs dazu zu bringen, mit einheitlicher Helligkeit zu leuchten. Das gravierendste Argument gegen eine solche Konfiguration ist hingegen die Tatsache, dass die gesamte Lampe dunkel bleibt, sobald auch nur in einer einzigen LED eine Stromkreisunterbrechung auftritt. Die LEDs selbst sind inzwischen betriebssicherer geworden, und viele enthalten antiparallel geschaltete Z-Dioden oder Thyristoren, sodass potenzielle Stromkreisunterbrechungen zu Beinahe-Kurzschlüssen abgemildert werden.

Kann eine einzelne LED das System stören?

Fehlen solche Schutzvorkehrungen in den LEDs selbst, bieten zahlreiche Hersteller elektronischer Bauelemente mittlerweile diskrete SCR-Klemmbausteine (Silicon-Controlled Rectifier) an, die antiparallel zu jeder LED geschaltet werden können. Mit diesen Lösungen lassen sich Bedenken, eine einzelne LED könne die gesamte Lampe außer Betrieb setzen, wirksam entkräften. Dennoch stellt sich nach wie vor die Frage, wie viele LEDs ausfallen dürfen, bevor die betreffende Lampe repariert werden muss. Ein Beispiel für ein hochzuverlässiges Ein-String-System mit dem LED-Abwärtswandlerbaustein LM3409/09HV ist in Bild 1 gezeigt.

Wichtiger im Zusammenhang mit einer Ein-String-Lösung ist die Gesamt-Ausgangstreiberspannung V_O. Eine verbesserte Indium-Galliumnitrid-Technologie lassen die Vorwärtsspannung einer 1-W-LED näher an 3,0 V heranrücken, jedoch lässt die Verteilung über mehrere Vorwärtsspannungs-Bins einen VF-Wert von 3,3 V pro LED eher als vernünftigen Schätzwert erscheinen. Schaltet man 50 solcher LEDs in Reihe, so errechnet sich ein V_O-Wert (n * V_F) von 165 V. Welche V_O maximal akzeptiert werden kann, wird im Wesentlichen durch Sicherheitsstandards wie IEC, UL oder VDE festgelegt. Um beispielsweise die IEC-Spezifikationen für Schutzkleinspannung (Safety Extra Low Voltage – SELV) zu erfüllen, muss das System einen per Transformator galvanisch isolierten Ausgang aufweisen, und die sekundärseitige Gleichspannung darf maximal 120 V betragen. Da die SELV-Zertifizierung für jede praxisgerechte Leuchte ein großer Pluspunkt ist, wird die Ein-String-Lösung wegen ihres hohen V_O-Wertes von den Designern häufig verworfen – und dies ungeachtet der Vorteile, die sich durch den garantiert einheitlichen Treiberstrom in allen LEDs ergeben.

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