LED-Treiberelektronik Ultrahelle Hochspannungs-LEDs ansteuern

Hochvolt-LEDs mit PFC-Verstärkung sind im Vergleich zu Kompaktleuchtstofflampen genauso wettbewerbsfähig. Wir stellen Ihnen die verschiedenen Vorteile vor.

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Nach dem Verbot der Glühlampe und den Einsparmöglichkeiten durch die LEDs oder auch Kompaktleuchtstofflampen ist der Bedarf an kostengünstigen und umweltfreundlichen Beleuchtungslösungen gestiegen. Allerdings gibt es im täglichen Einsatz große Unterschiede. Die Kompaktleuchtstofflampen, oder kurz CFL, benötigen beim Einschalten länger und lassen sich nur schlecht dimmen. Sie sind jedoch kostengünstiger als LED-Beleuchtungen. LEDs lassen sich hingegen schnell einschalten und besitzen eine gute Dimmleistung. Der Kostenfaktor verlangsamt jedoch den Übergang zu dieser Beleuchtungslösung.

Von Seiten der Halbleiterhersteller werden kontinuierlich neue LED-Ansteuerungskomponenten entwickelt, um die Komplexität und Kosten der Systeme zu senken. In der Zwischenzeit steigern LED-Hersteller die Lichtausbeute oder Leuchteffizienz von ultrahellen LEDs, um die Anzahl der erforderlichen LEDs sowie die Leistungsaufnahme für ihre Ansteuerung zu reduzieren.

Wie ultrahelle Hochspannungs-LEDs angesteuert werden

Bei ultrahellen Hochspannungs-LEDs beginnt die Lichtemission erst bei einer deutlich höheren Spannung. Ursprünglich wurden Hochspannungs LEDs für einen selbstgesteuerten und von der AC-Netzleitung unabhängigen Betrieb konzipiert. Faktoren wie der niedrige Wirkungsgrad, der niedrige Leistungsfaktor und das Fehlen einer Dimmfunktion beschränken jedoch die Anwendungsmöglichkeiten. Welche Schwierigkeiten sich auftun, wenn LEDs unabhängig von der AC-Netzleitung betrieben werden, zeigt das Bild. Um den gesamten Spannungsbereich von 90 bis 135 V_AC oder 207 bis 263 V_AC abzudecken, muss die Durchlassspannung U_f kleiner oder gleich der unteren Grenze des Eingangsspannungsbereiches sein.

Nur die Spitzenspannung dient der Lichtgewinnung

Zum Zeitpunkt der maximalen Eingangsspannung fällt Δ zur Durchlassspannung am strombegrenzenden Widerstand ab. Das führt zu einem Leistungsverlust und einem deutlich verringerten Wirkungsgrad. Zudem wird Wärme erzeugt, welche die Lebensdauer der LED herabsetzen kann. Sehen wir uns die Einschaltzeit im Bild an. Da die LED nur dann leitet, wenn die V_f erreicht oder überschritten wurde, wird nur die Spitzenspannung zur Lichterzeugung verwendet. Das ist ein äußerst geringer Prozentsatz des gesamten AC-Bereichs, daher ist der Leistungsfaktor sehr gering. Sie liegt deutlich unter den in den USA, Europa und Indien geforderten Nennwerten. Damit eignet sich diese Lösung nicht für den Wohn- und Geschäftsbereich in diesen Ländern.

Stromversorger müssen viel mehr Strom liefern, als für den eigentlichen Betrieb erforderlich ist, um den Spitzenbedarf dieser LEDs zu decken.

Die LED-Lampen lassen sich nur während eines kurzen Zeitraums dimmen, wenn die Lampen leitfähig sind. Grund: Die meisten Dimmer - ob TRIAC oder elektronisch - schneiden die Wellenform der Wechselspannung ab. Das hat zur Folge, dass das Licht über mindestens 90% des Dimmbereichs entweder komplett an oder komplett aus ist.

Hochspannungs-LEDs und ihre Vorteile

HVHB-LEDs bieten auch Vorteile gegenüber Niederspannungs-LEDs. Sie eignen sich für die direkte Ansteuerung von einer Stromversorgung mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit Spannungsanhebung. Diese Anordnung regelt die Leistung, die an den Verbraucher geliefert wird, indem der Stromverbrauch an die Wellenform der Wechselspannung angepasst wird. Dadurch wir ein guter Leistungsfaktor erzielt (typischerweise mindestens 0,97).

Mit dieser Form der PFC können die behördlichen Anforderungen von 0,7 oder 0,9 leicht übertroffen werden, was für den Verkauf von Beleuchtungsprodukten für den Wohn- und Geschäftsbereich in den USA, Europa und Indien erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil der Eingangsspannungsanhebung besteht in der Möglichkeit, unabhängig von der Eingangsspannung eine so hohe Ausgangsspannung zu erzeugen, dass eine einzige Stromversorgung ausreicht. Auf diese Weise kann eine LED-Beleuchtung mit einem Universaleingang 90 bis 252 V_AC realisiert werden. Eine Lösung mit Universaleingang weist einige negative Aspekte auf. Eine sowohl für 120-Volt- als auch 220-Volt-Wechselspannungsanwendungen geeignete Anordnung hat den Vorteil, dass nur ein Produktdesign, eine Bauart und ein Lagerposten benötigt werden. Dazu muss die Anordnung entweder mit einer höheren Spannung als 110-V_AC-Betrieb oder mit einem höheren Strom als für Hochspannungsanwendungen erforderlich betrieben werden können. Daraus resultieren höhere Stückkosten und größere Bauteile als bei einer für jeden einzelnen Spannungsbereich optimierten Lösung.

Niedriger Strom spart Kosten bei der Treiberhardware

Für eine gegebene Ausgangsleistung bedeutet eine hohe Spannung zugleich einen geringeren Strom. Beispielsweise ist für eine 16-Watt-LED-Lichtquelle (vier 4-Watt-LEDs in Reihe/parallel) mit einer V_f von insgesamt 380 V_DC ein Strom von 42 mA erforderlich. Bei solch einem niedrigen Strom werden weniger Kondensatoren zur Speicherung benötigt, sodass langlebige und kostengünstige Keramikkondensatoren verwendet werden können. Auf diese Weise wird die Nutzungsdauer der gesamten Lichtquelle verlängert, da keine Elektrolytkondensatoren erforderlich sind. Der Nennwert typischer Elektrolytkondensatoren mit einer „langen Lebensdauer“ beträgt 20.000 Betriebsstunden. Die Lebenszeit wird allerdings durch Überhitzung stark reduziert. LEDs hingegen besitzen eine Lebensdauer von ca. 50.000 Betriebsstunden. Von der Effizienzseite aus betrachtet sind die Elemente mit den größten Verlusten in einer schaltenden LED-Ansteuerung die LEDs selbst: Schaltnetzteil, Ansteuerungs-FET und Gleichrichter. Wird die Schaltfrequenz bei einer angemessenen Frequenz, beispielsweise 150 kHz gehalten, werden die Schaltverluste im FET minimiert und aufgrund des niedrigen Stroms kommt es im Gleichrichter zu geringem Leistungsverlust. Es sind Wirkungsgrade von mehr als 90% zu erwarten, die über gesamt V_IN nur geringfügig variieren.

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