Konstantstromtreiber Vorschaltelektronik für LED-Leuchten

Die Glühbirne hat einen Wirkungsgrad von knapp 5% und setzt 95% der aufgenommenen Energie in Wärme um. LED-Leuchtmittel kommen in der Regel auf etwa 90% Effizienz. Sie brauchen aber zur Aufbereitung der Versorgungsenergie eine Vorschaltelektronik. Der Beitrag zeigt Vorteile von LED-Leuchtmitteln und beschreibt einen optimierten Gleichstromtreiber.

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Die wohl bekannteste und herausragendste technische Eigenschaft der weißen LED ist die Lebensdauer von 50.000 bis 100.000 Stunden, was etwa 5 bis 10 Jahren Dauerbetrieb entspricht. Allein diese Tatsache macht die LED schon interessant. Die Kompaktheit und die Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen wird diese Lichtquelle in völlig neue Bereiche vorstoßen lassen und z.B. Lichteitersysteme als Kaltlichtquelle überflüssig machen. Ausgehend von 50.000 Betriebsstunden wird die LED der Lichttechnik einen Innovationsschub bescheren.

Die LED-Beleuchtung lebt bis zu 50-mal länger als eine Glühfadenlampe

Eine Glühbirne hat eine Lebensdauer von etwa 1000 Stunden, eine Halogenlampe rund 2000 Stunden. Das bedeutet, dass eine LED zwischen 25- und 50-mal länger lebt als eine Glühfadenlampe. Geht man davon aus, dass die LED-Lampe im kommerziellen Bereich eingesetzt wird, bedeutet das, dass eine defekte Lampe durch eine technische Fachkraft ausgetauscht werden muss. Diese Tätigkeit muss mit einer Arbeitszeit von 15 Minuten und Kosten von 40 €/h als Nebenkosten veranschlagt werden, sodass jeder Austausch auf gut 10 € kommt. Die Einsparung bei einer einzigen Beleuchtungsstelle liegt dann bei 250 bis 500 €, ohne die Energiekosten dabei zu betrachten.

Energiesparlampen sind auch wegen des Quecksilbergehalts keine echte Alternative

Das eröffnet natürlich auch neue Wege Beleuchtungskörper mit LEDs zu entwickeln. Zwar muss die LED je nach Ausführung mit einem Konstantstrom von 350, 500 oder 700 mA versorgt werden, um Uniformität und Konstanz der Lichtfarbe zu erzielen. Jedoch kann der Konstantstromtreiber mit einer Einzel-LED oder mit mehreren LEDs zu einer geschlossenen Einheit zusammengefasst werden, die, vergleichbar mit der Energiesparlampe, komplett eingebaut und ausgewechselt werden kann.

Aber auch die Energiesparlampe unterliegt im Vergleich zum LED-Leuchtmittel, weil sie lediglich eine Lebensdauer von 8000 Stunden besitzt und wegen ihres hohen Quecksilbergehaltes gebührenpflichtig zu entsorgen ist. Um nun entsprechende Einheiten aufbauen zu können, muss der LED-Treiber einige spezielle Eigenschaften haben.

Der Gleichstromtreiber muss spezielle Eigenschaften besitzen

Die LED weist zwar einen bis zu 8-fach besseren lichttechnischen Wirkungsgrad als die Glühfadenlampe auf, aber trotzdem ist auch hier mit Wärmeentwicklung durch z.B. ohmsche Verluste zu rechnen. Ein direkt montierter LED-Treiber muss also mit diesen Bedingungen zurechtkommen. Umgebungstemperaturen von 85 °C sind dabei keine Seltenheit.

Ein Wirkungsgrad bis 98% und 85 °C ohne Derating

Dem Power-Spezialisten RECOM ist es nun gelungen, seinen Konstantstromtreiber RCD-24-0.35 so zu entwickeln, dass er diesen Anforderungen genügt. Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98% konnten die thermischen Verluste soweit reduziert werden, dass ein Betrieb bei 85 °C ohne Derating möglich ist.

Durch die Anwendung einer nichtisolierten Abwärtsreglertopologie sind diese extrem guten Wirkungsgrade möglich geworden, die praktisch keine Verluste im Beleuchtungssystem verursachen. Außerdem ermöglicht diese Topologie den kompakten Aufbau mit 22,1 mm x 12,6 mm x 8,5 mm (LxBxH) für die Trough-Hole-Version. An einer SMD-Version wird zur Zeit gearbeitet, eine Version mit freien Leitungsenden steht ebenfalls zur Verfügung.

Ein Umwelt- und Zuverlässigkeitslabor ausschließlich zur Optimierung der Treiber

Der exzellente Wirkungsgrad allein reicht aber noch nicht, um den Anforderungen in der Beleuchtungstechnik zu genügen. Die Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden bei 85 °C stellten die echte Herausforderung bei der Entwicklung des Treibers dar. Speziell zu diesem Zweck hat RECOM ein Umwelt- und Zuverlässigkeitslabor eingerichtet, um die Produkte der RCD-Treiber-Familie hinsichtlich dieser Anforderungen zu optimieren.

In diesem Labor werden HALT-Verfahren eingesetzt, um einerseits durch den Einsatz verschiedener Stressarten, etwa hohe und niedrige Temperaturen, Temperaturwechsel, zufällige Breitbandvibration und Power Cycling bei sehr hohen Stresspegeln, die Design-, Material und Prozessschwächen aufzudecken und andererseits Vorhersagen über die zu erwartende Produktlebensdauer machen zu können.

Ebenso von großer Bedeutung ist, dass die RCD-Treiber einfach in der Anwendung sind. Sie genügen den Anforderungen EMC, EMI und der Gerätesicherheit. Die Wandler sind mit UL94V0-Materialien gefertigt, die den Anforderungen des Brandschutzes entsprechen.

Die wesentlichen elektrischen Daten der RCD-Treiber-Familie

Die wesentlichen elektrischen Daten lassen sich wie folgt zusammenfassen: Eingangsspannung 4,5 bis 36 V, Ausgangsspannung 1,2 bis 35 V, Ausgangsstrom 350 mA (500 und 700 mA demnächst), Stromgenauigkeit ± 2% typisch, Temperaturkoeffizient 0,015 %/K, Ripple/Noise < 120 Vpp, Temperaturbereich -40 bis 85 °C ohne Derating, Dimmbereich 0 bis 100%.

Mit diesen Werten sind die LED-Treiber der RCD-Familie in unterschiedlichen DC-gespeisten Anwendungen einsetzbar, beispielsweise in Flurförderfahrzeugen, variablen Verkehrsanzeigen, Signaltechnik, Innenraumbeleuchtung von Flugzeugen, Air-Field-Beleuchtungen, Bussen und sonstigen Transportmitteln und in vielen weiteren Applikationen. Alle Treiber haben einen On/Off-Steuereingang, mit dem der Wandler ein- und ausgeschaltet und im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hz mit einem pulsbreitenmodulierten Signal (PWM) gedimmt werden kann. Damit steht eine „Ready-to-Go-Lösung“ zur Verfügung, die ohne zusätzliche weitere Beschaltung einsetzbar ist.

*Carl Schramm ist Entwickler und Manager Technical Support bei RECOM Development GmbH & Co KG, Gmunden (Österreich).

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