Straßenbeleuchtungen erfordern eine große Anzahl LEDs

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Eine große Stromquelle bei einer LED-Straßenbeleuchtung ist nicht sinnvoll

Querverbindungen wie in Bild 4 werden häufig als eine Möglichkeit angeführt, für ausgeglichene Stromstärken zu sorgen und zu verhindern, dass beim Auftreten einer Stromkreisunterbrechung ein kompletter String dunkel bleibt. Hierbei wird jedoch lediglich die Spannung jeder LED-Zeile geklemmt. Die Querverbindungen tragen nicht zur Abstimmung der Ströme bei und es werden keine weiteren Ungleichgewichte verhindert, wenn es in einer LED zu einem Kurzschluss oder zu einer Stromkreisunterbrechung kommt. Ungleiche Ströme führen zu einer ungleichmäßigen Wärmeentwicklung, was wiederum unmittelbar die Lichtausbeute jener LEDs, durch die zu viel Strom fließt, beeinträchtigt. Auch die Lebensdauer dieser LEDs reduziert sich. An eine LED-Straßenleuchte wird die Forderung gestellt, einen definierten Lichtstrom mit einem bestimmten Abstrahlprofil zu erzeugen und über Jahre hinweg ordnungsgemäß zu arbeiten. Will man garantieren, dass das System die richtige Lichtmenge sowohl am ersten Tag als auch nach fünf Jahren oder 50.000 Stunden erzeugt, so muss jeder String mit einer eigenen geregelten Stromquelle versehen werden.

Einsatz mehrerer Abwärts-wandlerbausteine

Die klassische Lösung für ein Hochleistungs-LED-Treibersystem mit mehreren LED-Strings besteht darin, jeden String mit einem Abwärtswandler zu versehen (Bild 5). Die deutsche Bezeichnung Tiefsetzsteller deutet es bereits an: die Ausgangsspannung eines Abwärtswandlers ist stets kleiner als die Eingangsspannung. Es ist deshalb problemlos möglich, die maximale Gleichspannung auf der Sekundärseite zu garantieren, indem einfach die Eingangsspannung der Abwärtswandler niedriger ansetzt als die gewünschte Höchstspannung. Die gängige sekundärseitige Grenzspannung von 60 V lässt die in der Nachrichtentechnik verbreitet benutzte Spannung von 48 V als sinnvoll erscheinen. Hierdurch bleibt nicht zuletzt eine hinreichend große Differenz zwischen der minimalen Eingangsspannung und der maximalen Ausgangsspannung (die gleich der LED-Stringspannung ist), wenn ein String aus 12 InGaN-LEDs in Serienschaltung besteht.

Werden die LED-Strings mit seinem eigenen Abwärtswandler bestückt, so stimmen die Ströme in den einzelnen Strings überein. Dies ist entscheidend, wenn hochwertige Systeme mit langer Lebensdauer gewünscht werden. Jeder Abwärtswandler lässt sich außerdem einzeln dimmen – sei es per PWM oder durch lineares variieren des LED-Strangstroms. Einige LED-Abwärtswandlerbausteine können außerdem Fehler melden, und nicht zuletzt lassen sich alle Abwärtswandlerbausteine so konzipieren, dass sie über einen bestimmten Ausgangsspannungsbereich hinweg mit hoher Energieeffizienz arbeiten. Treten Störungen auf, kann jeder Abwärtswandler dies an den Mikrocontroller melden. Außerdem lässt sich ein oder mehrere Regler deaktivieren, während die übrigen in Betrieb bleiben.

Nachteile der Konfiguration mit mehreren Abwärtswandlern

Der zweite gravierende Nachteil der Lösung mit einem Abwärtswandlerbaustein pro String wird unter Umständen leicht übersehen, so sehr er Schaltnetzteil-Designern auch vertraut sein mag. Es geht um die elektromagnetischen Interferenzen (EMI), die entstehen können, wenn mehrere Schaltregler mit nicht unbeträchtlicher Leistung aus einer Eingangsspannung gespeist werden. Jeder Schaltregler erzeugt elektromagnetische Interferenzen bei seiner Schaltfrequenz und den Oberwellen seiner Schaltfrequenz. Werden zwei oder mehrere Schaltregler, die mit beinahe derselben Schaltfrequenz arbeiten, aus einer Quelle versorgt, lassen sich auf der Versorgungsspannung häufig weitere leitungsgebundene Interferenzen beobachten, die als Schwebungsfrequenzen bezeichnet werden. Diese entstehen bei der Summe und der Differenz der beiden nahe beieinanderliegenden Schaltfrequenzen.

Wenn es zu Problemen mit den Abwärtswandler einer LED-Steuerung kommt

Abwärtswandler liefern zwar einen gleichmäßigen Ausgangsstrom, der sich ideal für den Betrieb von LEDs eignet, aber ihr Eingangsstrom ist durch einen sehr unstetigen, gepulsten Verlauf gekennzeichnet, sodass die Wahrscheinlichkeit für das Entstehen von Schwebungsfrequenzen hier noch größer ist als bei Aufwärtswandlern (Hochsetzstellern).

Dieses Phänomen könnte man durch Synchronisieren der Schaltfrequenzen in den Griff bekommen. Ungünstigerweise aber handelt es sich bei den meisten LED-Abwärtswandlerbausteinen nicht um getaktete, mit fester Frequenz arbeitende Systeme. Stattdessen haben nicht synchronisierbare hysteretische Schaltungen oder die COT-Regelung (Constant On-Time/Constant Off-Time) größere Verbreitung erlangt, weil sie sich besser an die dynamische Last eines LED-Arrays anpassen und wegen ihrer hohen Anstiegsgeschwindigkeit optimale PWM-Dimmungseigenschaften bieten. Diese Lösung erfordert allerdings größte Sorgfalt beim Leiterplattenlayout und setzt für jeden Abwärtswandlerbaustein intensive Filtermaßnahmen voraus. In vielen Fällen wird, wie in Bild 6 gezeigt, eine separate Drossel für jeden Eingang benötigt, was in keinem Fall wünschenswert ist, selbst wenn die Kosten kein so wichtiges Kriterium sind wie in Consumer-Produkten

* Christopher Richardson arbeitet bei Texas Instruments als Product Applications Engineer, Power Management und Lighting in Madrid.

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