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FLIMMERFREIES DIMMEN VON LEDS

11.10.2010  POWER INTEGRATIONS

Die LED-Beleuchtungstechnologie liegt voll im Trend. LED-Blitzgeräte, -Verkehrsampeln und -Fahrzeuglichter sind allgegenwärtig, und der Druck nimmt zu, Glühlampen und Leuchtstofflampen im Wohnbereich wie in kommerziellen und industriellen Umgebungen durch umweltfreundlichere Lösungen zu ersetzen. Die Energieeinsparungen, die durch den Umstieg auf stromsparende LED-Beleuchtung erzielt werden könnten, sind atemberaubend. Allein in China könnten – nach Schätzungen der dortigen Behörden – durch die Umstellung von einem Drittel aller Beleuchtungen auf LED-Technologie jährlich 100 Millionen Kilowattstunden an elektrischer Energie eingespart und die Kohlendioxidemissionen um 29 Millionen Tonnen reduziert werden. Leider hat die Sache einen Haken – LED-Lampen sind schwierig zu dimmen.

Glühlampen lassen sich einfach dimmen, man braucht dafür nur einen preiswerten TRIAC-Dimmer neuester Bauart. Deshalb werden diese Dimmer überall eingesetzt. LED-Lösungen werden als Glühlampenersatz nur dann am Markt erfolgreich sein, wenn sie problemlos mit herkömmlichen Dimmern zusammenspielen und keine Änderungen an der Elektroinstallation erfordern. Die Fähigkeit zur einfachen Dimmbarkeit verdanken Glühlampen  ironischerweise ihrem geringen Wirkungsgrad bzw. ihrem hohen Stromverbrauch. Die Wärmeträgheit des Glühfadens in einer Glühlampe "maskiert" Instabilitäten oder Schwingungen, die vom Dimmer hervorgerufen werden. Bei Versuchen, LED-Lampen zu dimmen, traten diverse Probleme auf, die oft zu Flimmern und anderen unerwünschten Erscheinungen führten. Um zu verstehen, warum das so ist, muss man wissen, wie TRIAC-Dimmer funktionieren, wie sich LED-Lampen verhalten und wie die beiden Komponenten miteinander wechselwirken. Abbildung 1 zeigt eine typische TRIAC-Dimmerschaltung neuester Bauart und den Zeitverlauf der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms. 

Der TRIAC schaltet durch, sobald die Spannung VC2 die Durchbruchspannung des DIACs erreicht. Mit dem Potentiometer R2 wird eingestellt, bei welchem Phasenwinkel der Netzspannung dies geschieht. Wenn der TRIAC-Strom unter den Haltestrom (IH) abfällt, schaltet der TRIAC ab und muss warten, bis die Spannung über C2 im nächsten Halbzyklus wieder die Durchbruchspannung des DIACs erreicht. Die Spannung über dem Glühfaden und damit der Strom durch den Glühfaden ist eine Funktion des Phasenwinkels des Dimm-Signals; dieser kann zwischen fast Null und 180 Grad variieren.

Eine LED-Lampe, die als Glühlampenersatz vorgesehen ist, enthält in der Regel ein LED-Array, das eine gleichmäßig leuchtende Fläche bildet. Die LEDs sind in Serie geschaltet. Die Helligkeit einer LED ist eine Funktion des Betriebsstroms; der Spannungsabfall über der LED beträgt etwa 3,4 V und kann von 2,8 V bis 4,2 V variieren. Die LED-Kette sollte durch eine Konstantstromquelle gespeist werden, und die Stromstärke sollte genau geregelt werden, damit benachbarte Lampen die gleiche Helligkeit aufweisen.

Wenn eine LED-Lampe dimmbar sein soll, muss die LED-Stromversorgung die vom TRIAC-Controller gelieferte Phasenanschnitt-Wechselspannung interpretieren und den Konstantstrom für die Ansteuerung der LEDs entsprechend regeln; dabei ist ein monotoner Verlauf der Stromänderungen wichtig. Das ist schwierig zu erreichen – bei Betätigung des Dimmers können Phänomene auftreten wie z. B. zu langsames Hochfahren, Flimmern, ungleichmäßige Helligkeit oder Blinken. Aufgrund von Exemplarstreuungen können sich verschiedene LED-Lampen unterschiedlich verhalten, zudem können sie unerwünschte Störgeräusche produzieren.

In der Regel werden diese Effekte durch eine Kombination aus Fehltriggerung oder verfrühtem Abschalten des TRIACs und einer nicht adäquaten Regelung des LED-Stroms verursacht. Die Grundursache für Fehltriggerung ist Stromüberschwingen beim Einschalten des TRIACs. Abbildung 2 verdeutlicht diesen Effekt. Wenn der TRIAC einschaltet, wird die Netzwechselspannung fast schlagartig auf das LC-Eingangsfilter der LED-Stromversorgung geschaltet. Der Spannungssprung an der Induktivität verursacht Überschwingen.

Fällt während des Überschwingens der Strom durch den Dimmer unter den TRIAC-Triggerstrom ab, geht der TRIAC in den nichtleitenden Zustand über. Die TRIAC-Triggerschaltung lädt dann wieder den Kondensator C2 auf, danach schaltet der Dimmer wieder ein. Ein solches fehlerhaftes, mehrfaches Einschalten des TRIACs kann dazu führen, dass die LED-Lampe flimmert und Störgeräusche auftreten. Dieses unerwünschte Überschwingen lässt sich minimieren, indem man das Design des EMV-Filters am Eingang der LED-Stromversorgung vereinfacht. Eine weitere Voraussetzung für erfolgreiches Dimmen sind möglichst kleine Induktivitäten und Kapazitäten im Eingangs-EMV-Filter.

Der im Hinblick auf Überschwingen ungünstigste Fall ist ein Phasenwinkel von 90 Grad (das bedeutet, dass die Eingangsspannung genau dann auf den Eingang der LED-Stromversorgung geschaltet wird, wenn sie ihr Maximum erreicht) kombiniert mit hoher Netzspannung (= minimalem Dimmer-Durchlassstrom). Bei starker Dimmung (d. h. Phasenwinkel fast 180 Grad) und niedriger Netzspannung kann es vorkommen, dass der TRIAC vorzeitig abschaltet. Für zuverlässiges Dimmen bis hinab zu sehr geringer Helligkeit ist es erforderlich, dass der TRIAC monoton einschaltet und fast bis zum Nulldurchgang der Wechselspannung im eingeschalteten Zustand verbleibt. Der zur Aufrechterhaltung des leitenden Zustands erforderliche Haltestrom von TRIACs liegt üblicherweise im Bereich von 8 bis 40 mA. Mit einer Glühlampe als Last ist dieser Haltestrom leicht aufrecht zu erhalten. Eine LED-Lampe, die weniger als 10% der Leistung einer vergleichbaren Glühlampe verbraucht, kann den Strom auf Werte unterhalb des TRIAC-Haltestroms absinken lassen, sodass der TRIAC vorzeitig abschaltet. Das kann zu Flimmern führen und/oder den Dimmbereich begrenzen.

Bei der Entwicklung einer dimmbaren LED-Stromversorgung sind noch weitere Hürden zu überwinden. Die ENERGY STAR®-Spezifikationen für Halbleiter-Leuchtmittel schreiben für kommerzielle und industrielle Anwendungen einen Mindest-Leistungsfaktor von 0,9 vor und stellen hohe Anforderungen an den Wirkungsgrad, an die Ausgangsstromtoleranz und an das EMV-Verhalten. Außerdem muss auch bei leerlaufendem oder kurzgeschlossenem Ausgang die Sicherheit der Stromversorgung gewährleistet sein.

Die Lösung

POWER INTEGRATIONS hat eine Lösung für die beschriebenen Kompatibilitätsprobleme zwischen LED-Stromversorgungen und TRIAC-Dimmern entwickelt. Abbildung 3 zeigt das Schaltbild für einen von PI entwickelten, TRIAC-dimmbaren 14-W-LED-Treiber. Die Schaltung basiert auf dem zur LinkSwitch-PH™ Familie gehörenden LNK406EG (U1). Die monolitischen LED-Treiber-ICs der Familie LinkSwitch-PH™ enthalten einen 725-V-Leistungs-MOSFET und einen primärseitigen Continuous-Conduction-Mode-PWM-Controller. Der Controller fungiert als Konstantstromquelle und sorgt zugleich für die aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction). Die von Power Integrations entwickelte primärseitige Regelungstechnologie, mit der die Produktfamilie LinkSwitch-PH™ arbeitet, ermöglicht eine wesentlich genauere Konstantstromregelung, als mit herkömmlichen primärseitigen Regelungsverfahren erreichbar ist. Gegenüber galvanisch getrennten Flyback-Stromversorgungen mit sekundärer Regelung hat sie den Vorteil, dass der Optokoppler und weitere Peripherebauteile entfallen. Die PFC-Funktion des Controllers macht den Elektrolyt-Ladekondensator überflüssig.

Die ICs der Familie LinkSwitch-PH™ können für dimmbaren  oder nicht-dimmbaren Betrieb konfiguriert werden. Für TRIAC-Phasenanschnitt-Dimming sind ein Programmierwiderstand (R4) am REFERENCE-Anschluss und ein 4-M?-Widerstand (R2+R3) am VOLTAGE-MONITOR-Anschluss erforderlich, um einen linearen Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom zu erzielen und den Dimm-Bereich zu maximieren. Der Continuous Conduction Mode bietet zwei signifikante Vorteile: geringere Durchlassverluste (= höherer Wirkungsgrad) und geringere Störspannung/Störstrahlung. Die geringere Störspannung/Störstrahlung ermöglicht es, EMV-Standards mit einem kleineren Eingangs-EMV-Filter zu erfüllen. Ein X-Kondensator kann entfallen, und die Gleichtaktdrossel kann verkleinert werden oder ebenfalls entfallen.

Die LinkSwitch-PH™-ICs "verjittern" intern die Schaltfrequenz des Hochspannungs-Leistungs-MOSFETs, was die Filteranforderungen weiter verringert. Der kleinere Eingangs-EMV-Filter stellt für die Ansteuerschaltung eine kleinere reaktive Impedanz dar und verringert dadurch das Eingangsstrom-Überschwingen signifikant. Die LinkSwitch-PH™-ICs werden durch eine interne Referenzstromversorgung gespeist, das erhöht die Stabilität. In dimmbaren Anwendungen gewährleisten zusätzliche aktive Dämpfer- und Ableitschaltungen einen robusten, flimmerfreien Betrieb über einen ungewöhnlich weiten Dimmbereich. Die Konstantstromregelung erlaubt einen Spannungshub von ±25% und macht eine Selektion der LEDs nach der Durchlassspannung überflüssig. Die enge Stromtoleranz von ±5% gewährleistet eine gleichmäßige Helligkeit der LEDs. Das 14-W-LED-Treiber-Design erfüllt folgende Anforderungen: Kompatibilität mit Standard-TRIAC-Wechselspannungsdimmern neuester Bauart, weiter Dimmbereich (1000:1, 500 mA:0,5 mA), hoher Wirkungsgrad (>85%) und großer Leistungsfaktor (>0,9). Es beweist, dass die Probleme, die das TRIAC-Dimmen von LED-Lampen aufwirft, lösbar sind, und es vereinfacht die Entwicklung von Treibern für kostengünstige dimmbare LED-Lampen mit konsistenten und zuverlässigen Betriebseigenschaften.

Über den Autor

Bill Weiss ist Lighting Business Development Manager bei Power Integrations (PI). Bevor er zu PI kam, war Bill Marketing Director bei GCT Semiconductor, Product Line Director bei Advanced Analogic Technologies, Marketing Director bei National Semiconductor, Business Development Manager bei Philips Semiconductors; zuvor bekleidete er diverse Engineering- und Marketing-Positionen bei Allegro MicroSystems. Er besitzt einen MBA von der Clark University und einen B.S. in Elektrotechnik, Mathematik und Wirtschaftswissenschaften von der Carnegie Mellon University.

Auch wir freuen uns auf Ihren Besuch an unserem electronica Messestand A5.507!

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Abbildung 1: TRIAC-Dimmer neuester Art
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Abbildung 2:TRIAC-Strom & Spannungsüberschwingen am Eingang der LED-Stromversorgung
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Abbildung 3: Schaldbild eines galvanisch getrennten, TRIAC-daimmbaren 14-W-LED-Treibers mit Universaleingang & großem Leistungsfaktor

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