Konstantleistung bei LED-Treibern Was Entwickler bei der Auslegung beachten sollten

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Netzteile mit einer Konstantleistung können unterschiedliche LED-Konfigurationen mit einer einzigen Netzteilvariante abdecken. Dafür müssen Entwickler jedoch Durchlassspannung, Temperatur, Fertigungstoleranzen und Dimmzustände berücksichtigen.

Bei der Entwicklung von LED-Leuchten müssen häufig unterschiedliche LED-Typen, Stringlängen und Betriebsströme mit möglichst wenigen Netzteilvarianten abgedeckt werden. Hier bieten Konstantleistungsnetzteile mehr Flexibilität als klassische Konstantstromversorgungen. Voraussetzung ist allerdings, dass der LED-String mit seiner Durchlassspannung über alle relevanten Betriebszustände innerhalb des zulässigen Arbeitsfensters liegt.

Die XLC- und XLN-Serien von Mean Well zeigen, wie sich ein solches Konzept praktisch umsetzen lässt. Die LED-Netzteile bieten je nach Variante Konstantspannung oder Konstantleistung und lassen sich per NFC parametrieren. Damit eignen sie sich als Beispiel, um die Auswahl und Auslegung von Netzteilen mit einer Konstantleistung näher zu betrachten.

Warum LEDs eine Stromregelung benötigen

LEDs werden üblicherweise mit einem geregelten Konstantstrom betrieben. Der Grund liegt in ihrer steilen U-I-Kennlinie: Bereits eine kleine Änderung der Durchlassspannung kann eine vergleichsweise große Änderung des Stroms verursachen. Da sich die Helligkeit einer LED im normalen Betriebsbereich näherungsweise proportional zum Strom verhält, ändern sich mit dem Strom auch die Helligkeit und die Verlustleistung.

Eine reine Konstantspannungsversorgung ist deshalb für einzelne LEDs oder LED-Strings ohne zusätzliche Strombegrenzung nicht geeignet. Neben den Toleranzen der Versorgungsspannung beeinflussen auch Temperatur und Bauteilstreuung die Durchlassspannung der LED. Bei einer konstanten Versorgungsspannung könnte sich der LED-Strom dadurch deutlich verändern.

Bei Konstantspannungs-Leuchtmitteln, beispielsweise 12-V- oder 24-V-LED-Streifen, ist die erforderliche Strombegrenzung bereits in der Leuchte integriert. Sie erfolgt typischerweise über Vorwiderstände oder Konstantstromtreiber auf dem LED-Streifen. Das externe Netzteil liefert in diesem Fall lediglich die Konstantspannung.

Warum ein Konstantleistungsnetzteil anders ist

Ein Konstantstromnetzteil regelt den Ausgangsstrom auf einen vorgegebenen Wert. Die Ausgangsspannung stellt sich entsprechend der angeschlossenen LED-Last ein. Beim Konstantleistungsnetzteil wird dagegen ein Arbeitsbereich definiert, in dem das Produkt aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom annähernd konstant bleibt.

Wird der Ausgangsstrom verändert, passt das Netzteil die Ausgangsspannung innerhalb seiner Grenzen entsprechend an. Dadurch können unterschiedliche LED-Strings mit verschiedenen Durchlassspannungen und Betriebsströmen mit derselben Netzteilvariante betrieben werden.

Die CP-Topologie macht ein Netzteil jedoch nicht unabhängig von der Last. Entscheidend bleibt das Arbeitsfenster aus minimaler und maximaler Ausgangsspannung sowie dem zulässigen Ausgangsstrom. Außerhalb dieses Bereichs kann das Netzteil die vorgesehene Leistung nicht mehr bereitstellen oder wechselt in eine andere Betriebsart.

Das Bild 2 zeigt das Arbeitsfenster des 25-W-LED-Netzteils XLC-25-H von Mean Well. Der Ausgangsstrom lässt sich nach Herstellerangaben zwischen 300 und 1.050 mA einstellen. Im Bereich von 460 bis 1.050 mA kann das Netzteil innerhalb des zulässigen Ausgangsspannungsbereichs eine Ausgangsleistung von 25 W bereitstellen.

Für die Auslegung bedeutet das: Bei einem gewählten Ausgangsstrom muss die erforderliche Spannung des LED-Strings innerhalb des zugehörigen Spannungsbereichs liegen. Ist die benötigte Spannung zu niedrig oder zu hoch, wird der Konstantleistungsbereich verlassen.

Ein solches Arbeitsfenster kann die Variantenvielfalt reduzieren. Ein Leuchtenentwickler kann damit beispielsweise verschiedene 25-W-Leuchten mit unterschiedlichen LED-Konfigurationen auslegen, ohne für jede Variante ein eigenes Konstantstromnetzteil vorsehen zu müssen. Ob sich tatsächlich mehrere Anwendungen mit derselben Netzteilvariante abdecken lassen, muss anhand der jeweiligen LED-Daten und der CP-Kennlinie geprüft werden.

LED-String anhand der tatsächlichen Durchlassspannung auslegen

Eine erste Abschätzung der erforderlichen LED-Spannung erfolgt, indem die Anzahl der LEDs in einem String mit der typischen Durchlassspannung der verwendeten LED multipliziert wird. Dieser Wert reicht für die Auslegung jedoch nicht aus. Die tatsächliche Spannung des Strings kann abhängig von LED-Typ, Strom, Temperatur und Fertigungsstreuung deutlich abweichen.

Für die Auslegung sind deshalb die minimalen, typischen und maximalen Durchlassspannungen aus dem Datenblatt der verwendeten LED heranzuziehen. Zusätzlich müssen der vorgesehene Betriebsstrom, der Temperaturkoeffizient der Durchlassspannung, das Kaltstartverhalten sowie mögliche Änderungen des Arbeitspunkts beim Dimmen berücksichtigt werden. Zwischen der maximal erforderlichen LED-Spannung und der oberen Ausgangsspannungsgrenze des Netzteils sollte ein ausreichender Abstand verbleiben.

Bei einem langen LED-String können sich positive und negative Abweichungen einzelner LEDs teilweise ausgleichen. Für die Auslegung sollte dennoch der ungünstigste zulässige Fall betrachtet werden. Die Summe der Durchlassspannungen muss über den gesamten vorgesehenen Temperatur- und Betriebsbereich innerhalb des Ausgangsspannungsbereichs des Netzteils liegen.

Temperatur als Auslegungsfaktor

LEDs besitzen in der Regel einen negativen Temperaturkoeffizienten der Durchlassspannung. Steigt die Temperatur des LED-Chips, sinkt die erforderliche Durchlassspannung. Umgekehrt kann die Durchlassspannung beim Kaltstart höher liegen als im thermisch eingeschwungenen Zustand.

Der Kaltstart kann deshalb den ungünstigsten Betriebsfall darstellen. Die Leuchte muss auch bei niedriger Umgebungstemperatur und noch nicht erwärmten LEDs zuverlässig starten. Dafür ist ein ausreichender Spannungsspielraum zur oberen Ausgangsspannungsgrenze des Netzteils erforderlich.

Die thermische Auslegung der Leuchte beeinflusst außerdem die spätere Betriebstemperatur der LEDs. Wärmeableitung, Einbausituation und Gehäuse können damit indirekt auch den Spannungsbedarf des LED-Strings beeinflussen.

Auch der Dimmzustand ist bei der Auslegung zu berücksichtigen. Wird der LED-Strom reduziert, verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der U-I-Kennlinie. Bei einer linearen Dimmung kann sich dadurch auch die Durchlassspannung des Strings verändern. Für eine zuverlässige Funktion reicht es daher nicht aus, nur den Nennbetrieb bei voller Helligkeit zu prüfen. Relevant sind vielmehr alle Betriebszustände, in denen die Leuchte eingesetzt werden soll.

Ausgangsstrom passend zur Anwendung einstellen

Ein Konstantleistungsnetzteil bietet nur dann einen Vorteil, wenn sich der Ausgangsstrom an die jeweilige LED-Anwendung anpassen lässt. Dafür kommen unterschiedliche Verfahren infrage. Möglich sind beispielsweise ein integriertes Potenziometer, externe Festwiderstände oder DIP-Schalter.

Bei den XLN- und XLC-Serien von Mean Well erfolgt die Parametrierung je nach Variante auch über NFC. Das kann insbesondere dann hilfreich sein, wenn mehrere Leuchtenvarianten mit unterschiedlichen LED-Strömen gefertigt werden.

NFC für Fertigung und Service

NFC steht für Near Field Communication. Die kontaktlose Übertragungstechnik arbeitet über kurze Distanzen und wird unter anderem beim kontaktlosen Bezahlen eingesetzt. Viele aktuelle Smartphones und Tablets verfügen über eine entsprechende Schnittstelle. Bei den genannten Mean-Well-Netzteilen ist eine NFC-Schnittstelle zur Parametrierung integriert. Über die Mean-Well-App lassen sich nach Herstellerangaben unter anderem der eingestellte Ausgangsstrom und Geräteinformationen wie die GTIN-/EAN-Nummer auslesen. Außerdem kann der Anwender einen gewünschten Ausgangsstrom einstellen und an das Netzteil übertragen. Ein Passwortschutz soll verhindern, dass Parameter unbeabsichtigt oder unbefugt überschrieben werden.

Für die Übertragung wird das mobile Endgerät an die markierte Stelle des Netzteils gehalten. Nach Herstellerangaben muss das Gerät dazu nicht in Betrieb sein. Dadurch kann die Parametrierung gegebenenfalls bereits vor der elektrischen Inbetriebnahme erfolgen.

Für die Fertigung und den Service kann das mehrere Vorteile bieten. Unterschiedliche Leuchtenvarianten lassen sich mit derselben Netzteilvariante aufbauen und digital parametrieren. Die Einstellungen können reproduziert und dokumentiert werden, während der mechanische Zugriff auf Potenziometer oder DIP-Schalter entfällt. Außerdem lassen sich manuelle Einstellfehler reduzieren und Geräteinformationen auslesen.

NFC übernimmt dabei nicht die Betriebssteuerung. Für die Dimmung oder Steuerung während des Betriebs stehen bei den entsprechenden Varianten andere Schnittstellen zur Verfügung, beispielsweise DALI-2, ein 0- bis 10-V-Signal oder eine Push-Schnittstelle mit Taster.

Worauf bei der Auswahl des LED-Treibers zu achten ist

Bei der Auswahl eines Konstantleistungsnetzteils sollte zunächst der LED-String mit seinem vorgesehenen Betriebsstrom und seiner Durchlassspannung betrachtet werden. Die typischen Werte dienen dabei nur als erste Orientierung. Für die eigentliche Auslegung müssen die Toleranzen der LEDs, die Temperaturabhängigkeit und die möglichen Betriebszustände berücksichtigt werden.

Der benötigte LED-Strom muss zur thermischen Auslegung und zur gewünschten Helligkeit passen. Gleichzeitig muss er innerhalb des Einstellbereichs des Netzteils liegen. Die minimale und maximale Stringspannung muss über alle relevanten Betriebszustände innerhalb des Ausgangsspannungsbereichs bleiben. Dazu gehören auch der Kaltstart, das thermische Einschwingen, die Fertigungsstreuung der LEDs und der Dimm- beziehungsweise Teillastbetrieb.

Zusätzlich sind die Systembedingungen zu prüfen. Dazu zählen die Kühlung, der Einbauort, die erforderliche Schutzart, die verfügbare Dimm-Schnittstelle, die notwendigen Zulassungen und der Einschaltstrom. Die Nennleistung allein reicht für die Auswahl eines LED-Treibers daher nicht aus. Entscheidend ist, ob der tatsächliche LED-Arbeitspunkt innerhalb des Arbeitsfensters des Netzteils liegt.

Die XLC-25-H-Serie bietet nach Herstellerangaben einen Ausgangsspannungsbereich von 9 bis 54 V und einen einstellbaren Ausgangsstrom von 300 mA bis 1.050 mA. Damit können je nach LED-Typ und Konfiguration sowohl kurze LED-Strings als auch längere Strings oder COB-LEDs versorgt werden. Ob eine konkrete Anwendung geeignet ist, entscheidet jedoch die Kombination aus LED-Strom, LED-Spannung und CP-Arbeitsfenster.

Einschaltstrom bei vielen Netzteilen

Ein weiterer Systemaspekt ist der Einschaltstrom. Werden zahlreiche LED-Netzteile an einem gemeinsamen Sicherungskreis betrieben, können sich die Einschaltströme der einzelnen Geräte addieren. Beim gleichzeitigen Einschalten kann dadurch ein Leitungsschutzschalter auslösen, obwohl die spätere Dauerlast deutlich niedriger ist.

Die Baureihen XLN und XLC verfügen nach Herstellerangaben über eine integrierte Einschaltstrombegrenzung. Für das XLC-25 nennt Mean Well einen maximalen Einschaltstromimpuls von 10 A bei einer Impulsdauer von 100 µs und 50 Prozent I_peak. Unter den vom Hersteller zugrunde gelegten Bedingungen sollen sich damit bis zu 71 Netzteile an einem B16-Leitungsschutzschalter betreiben lassen.

Diese Zahl ist jedoch keine allgemeingültige Planungsvorgabe. Die tatsächlich mögliche Anzahl hängt unter anderem vom verwendeten Leitungsschutzschalter, der Netzimpedanz, der Verkabelung und dem zeitlichen Zusammentreffen der Einschaltvorgänge ab. Für eine konkrete Installation müssen daher die Herstellerangaben und die Eigenschaften des Stromkreises zusammen betrachtet werden.

Weitere Randbedingungen

Für die Serien nennt Mean Well je nach Variante eine maximale Umgebungstemperatur von 50 °C ohne Derating und eine Lebensdauer von bis zu 100.000 h. Die tatsächliche Lebensdauer hängt unter anderem von Umgebungstemperatur, Last, Kühlung und Einbausituation ab. Die Geräte sind je nach Ausführung für Eingangsspannungen von 100 bis 305 V_AC ausgelegt. Zu den vom Hersteller genannten internationalen Zulassungen zählen ENEC, UL, CB, CCC, BIS und EAC. Welche Zulassungen und technischen Grenzwerte für das konkrete Modell gelten, ist anhand des jeweiligen Datenblatts und der Zulassungsunterlagen zu prüfen. (heh)

* Frank Stocker ist Field Application Engineer Power Supplies bei Schukat electronic.

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