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Nehmen wir die „Kerzen aus dem Kerzenhalter“!

Zwei kompakte und effiziente Designs für den Ersatz der Glühbirne von POWER INTEGRATIONS.

Im Einzelhandel wird die LED heute als Plugin-Ersatz für die klassische Glühbirne angepriesen. Die Unterbringung der von Leuchtdioden (LEDs) benötigten Schutz- und Treiberelektronik für die Versorgung mit Konstantstrom im Sockel eines Leuchtmittels normaler Größe ist allerdings mühsam – insbesondere bei Leuchten, bei denen eine T8-Röhre oder ein kompaktes Design mit Edison-Schraubsockel zum Einsatz kommen. In diesen Anwendungen ist kaum Platz für die Treiberelektronik, weshalb Größe und Zahl der Komponenten beschränkt sind. Der Platzmangel verschlimmert außerdem das Problem der Wärmeableitung, und zu allem Übel ist der LED-Vorwiderstand so angebracht, dass er sich sehr nah beim Stromanschluss befindet. Der LED-Treiber muss daher extrem effizient arbeiten, wenn eine Überhitzung und ein Ausfall vermieden werden sollen. 

Strenge Vorschriften

Abgesehen davon, dass der LED-Treiber (Stromversorgung) für die Ausgabe eines stabilen Konstantstroms zu sorgen hat, muss er den zunehmend strengen Vorschriften für Leistungsfaktor und Gesamte harmonische Verzerrung des von der Stromversorgung entnommenen Stroms entsprechen.1 Es gibt daher zahlreiche LED-Treiberlösungen mit Zweistufenansatz, d.h. einer Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Verstärkerstufe gefolgt von einem Konstantstromtreiber (vielfach einem Sperrwandler). Da die Verstärkerstufe typischerweise einen maximalen Wirkungsgrad von vielleicht 95% und der Konstantstromtreiber ca. 90% erreicht, liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 85%. 

Bei diesem Ansatz werden jedoch eine Reihe zusätzlicher Komponenten benötigt: ein Induktor, zwei Leistungsschalter und zwei Steuerungs-/Kontrollelemente müssen in einem winzigen Lampengehäuse Platz finden. Beide Stufen, die PFC-Stufe und die Sperrwandler, haben eine ähnliche Aufgabe: Beide öffnen und schließen den Stromkreis, und beide glätten jeweils den Ein- bzw. Ausgangsstrom. Könnten beide Schalttätigkeiten in einer einzigen Stufe zusammengefasst werden, würden viel weniger Komponenten benötigt. So könnte mit einem Treiberschaltkreis und einer Schaltstufe ein wesentlich höherer Wirkungsgrad erzielt werden. 

Abbildung 2 zeigt einen solchen Schaltkreis: ein einstufiger, kombinierter PFC- und Konstantstrom-Treiber, in dem ein LinkSwitch™-PH IC von POWER INTEGRATIONS Inc.2 verwendet wird. Der monolithisch integrierte Baustein enthält einen 725V Leistungs-MOSFET sowie eine integrierte Steuerungs- und Schutzschaltung.

PFC- und Konstantstrom-Ansteuerung

Die Ansteuerung verbindet eine durch Patent geschützte Leistungsfaktorkorrektur-Technologie mit einer primärseitigen CCM-Pulsweitenmodulations(PWM)-Schaltstufe. Durch die Verbindung dieses Ansteuerungsansatzes mit einem monolithisch integrierten Leistungs-MOSFET und dazugehörigem Schaltkreis in einem einzigen IC kann die Anzahl der benötigten Komponenten für den LED-Treiber deutlich verringert werden.

Bei Einsatz des LinkSwitch-PH und der in Abbildung 2 gezeigten Schaltung lässt sich eine Wandlungseffizienz von mehr als 90% für einen 15W-LED-Treiber erreichen (entspricht einer 60W-Glühbirne) – und das in einem Schaltkreis, der wesentlich weniger Komponenten benötigt als bei dem Zweistufenansatz. Da der Eingangsstrom bereits direkt durch den Leistungsschalter geglättet wird, wird kein Stützkondensator am Eingang benötigt. Der LED-Treiber verwendet keine elektrolytbasierten Stützkondensatoren, da diese bei den hohen Temperaturen in LED-Lampen nur eine kurze Lebenszeit hätten und somit bei Zweistufenlösungen Probleme verursachen könnten.

Nichtisolierte Lösungen zur Kosteneinsparung

Die isolierten Sperrwandler sind sehr wirkungsvoll, aber sie haben Nachteile bei Effizienz, Größe und Kosten. Die Gesamteffizienz verringert sich durch Schaltverluste im Leistungstransformator, während der Freiraumbedarf für die elektrische Isolierung bis zu 15% des gesamten verfügbaren Platzes auf der Leiterplatte eines 8W-Wandlers einnehmen kann. Die hohen Isolierungsanforderungen durch die hohen Spannungen und eine teurere Konstruktion verursachen höhere Kosten für die magnetischen Elemente Magnetkern.

Bei einem einfacheren und potenziell kostengünstigeren Ansatz könnte – zumindest bei Leistungswerten von weniger als 30W – eine nichtisolierte Stromversorgung zur Anwendung kommen. Als Sicherheitsisolierung könnte das Gehäuse des Leuchtmittels dienen. Dadurch könnten einfache Abwärtswandler-/Inverswandler zum Einsatz kommen, die durch die Vermeidung von Transformatorverlusten effizienter arbeiten würden und bei denen kostengünstigere magnetische Elemente (Induktoren) eingesetzt würden. Auch hier kombiniert der einstufige Ansatz PFC plus Konstantstrom-Wandlung mit der Verwendung von Bauteilen der bereits beschriebenen Familie LinkSwitch-PH und Bauteilen der Familie LinkSwitchTM-PL von POWER INTEGRATIONS. Diese Vorrichtungen lassen sich als sehr effiziente Abwärtswandler für niedrige Ausgangsspannungen konfigurieren, die einen hohen Leistungsfaktor (PF) und eine niedrige Gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion/THD) aufweisen. Die hohe Bauteilintegration und einfache Abwärtsarchitektur ermöglichen beträchtliche Einsparungen. Bei vielen Bauformen und bei vielen Anwendungen im Hochspannungsbereich (176VAC bis 264VAC) ist dies ein idealer Ansatz.

Auch wenn sich durch die Verwendung einer höchstmöglichen LED-Strangspannung ein hoher Wirkungsgrad erzielen lässt, zeigt dieser Ansatz insbesondere bei Anwendungen im Niederspannungsbereich (90V bis 13VAC) Einschränkungen bei den Abwärtswandlern. Bei zu hoher Ausgangsstrangspannung sind die Abwärtswandler nicht zu ausreichend niedriger gesamter harmonischer Verzerrung (THD) imstande, um den Vorschriften der Norm EN61000-3-2 (C/D) zu entsprechen bzw. typische ATHD-Grenzwerte von 20% zu erreichen. Ein geringer THD kann durch die Erzeugung einer der Sinuskurve der Spannungswellenform angenäherten Stromwellenform erreicht werden. Bei Abwärtswandlern kann Strom nur an die Ausgangsstufe abgegeben werden, wenn die Eingangsspannung (gleichgerichtete Sinuskurve) höher als die Spannung an der Ausgangsstufe ist. Aus diesem Grund kann bei einem Teil des halben AC-Leitungszyklus, bei dem die Spannung von Null ausgeht (bzw. sich Null nähert), keine Leistungsfaktorkorrektur stattfinden und somit die gesamte harmonische Verzerrung nicht verringert werden.

Bei hoher Ausgangsspannung (eventuell mehr als 35VDC in einer Niedervolt-Anwendung) ist der Durchlasswinkel derart kurz, dass der Wandler nicht mehr in der Lage ist, eine Stromwellenform zu erzeugen, die den Vorschriften in Bezug auf die Oberstrombegrenzung gemäß der Norm EN61000-3-2C/D entspricht. 

Bei zahlreichen nichtisolierten LED-Treibern in Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad wird ein Ansatz mit einem Abwärts-/Aufwärts-Wandler eingesetzt. Der Abwärts-/Aufwärts-Wandler-Ansatz hat den Vorteil, dass unabhängig vom Pegel der Ausgangsspannung kontinuierlich Leistung aus der eingehenden Wechselspannung entnommen wird, so dass der Eingangsstrom nahezu eine Sinuskurve erreicht. Anhand von zwei Beispielen lässt sich darstellen, wie wirksam und elegant dieser Ansatz ist. Im ersten Beispiel haben wir einen Treiber für einen langen LED-Strang, der so geformt ist, dass er in eine T8-Röhrenlampe hineinpasst. Der Schaltkreis ist für die Ansteuerung eines 100V-LED-Strangs ausgelegt, hat einen Wirkungsgrad von mehr als 91%, einen Leistungsfaktor von mehr als 0,9 und einen THD von mehr als 25%. Eine zweite Bauform, die mit einer Mindestzahl an Bauteilen auskommt, ist für den Einbau in einen kleinen Sockel einer B10-Lampe ausgelegt.

Abbildung 3 zeigt einen vollständigen nichtisolierten 25W LED-Treiber Schaltkreis mit Leistungsfaktorkorrektur in einer Abwärtswandler-/Aufwärtswandler-Topologie3. Der Schaltkreis liefert am Ausgang einen Konstantstrom mit einer Stärke von 250mA bei einer Nennspannung von 100V und bei einer AC-Eingangs-Netzspannung von 180-265V.

Die bemerkenswerte Bauform ist aus den Abbildungen 4 und 5 ersichtlich. Tatsächlich ist die Leiterplatte nur 19,5mm breit und 10mm hoch.

Der Abwärts-/Aufwärts-Schaltkreis besteht aus dem Bauteil U1, der Ausgangsdiode D6, den Ausgangskondensatoren C5 und C7 sowie den Ausgangsinduktoren T1 und T2. Aufgrund des beschränkten Platzes im Sockel der Röhre werden zwei Induktoren eingesetzt. Zusammen stellen die beiden Induktoren T1 und T2 die notwendige Abwärts-/Aufwärts-Induktivität zur Verfügung. Die Rückkoppelungswindung des Induktors T1 liefert den Versorgungsstrom an U1 sowie die Rückkoppelung für die Lastausschaltung bzw. für den Überspannungsschutz.

Keine Strommessung

Mit den LinkSwitch-PH ist eine hochpräzise Steuerung des konstanten Ausgangsstroms möglich, weshalb kein in Serie zur Last geschalteter Strommesswiderstand benötigt wird. Die Bauteile R7-R10, Q1, C6, und D5 beinhalten ein Spannungs-/StromWandler-Netz, das den FEEDBACK(FB)-Pin mit einem zur Ausgangsspannung proportionalen Steuerstrom versorgt. Die Dioden D1 und C3 erfassen die vorhandene AC-Netzspannung. Die über C3 verfügbare Spannung liefert über R3 und R4 den Eingangsstrom zur Versorgung des VOLTAGE MONITOR (V)-Pins. U1 verwendet diesen Strom zur Steuerung von Unterspannung (UV), Überspannung (OV) und Vorwärtsstrom.

Die innere Kontrollvorrichtung des LinkSwitch-PH verbindet die Strominformationen an den Pins FEEDBACK und VOLTAGE MONITOR mit den Stromflussinformationen, um einen konstanten Ausgangsstrom über eine 1,5:1-Ausgangsspannungsänderung (LED-Strang-Änderung von ±25%) bei gleich bleibender Eingangsnetzspannung zu liefern. Diese Konstantstrom-Kontrollvorrichtung gleicht die Induktivitätstoleranz sowie etwaige Eingangs- und Ausgangsschwankungen aus.

Die günstigen EMB-Werte ergeben sich durch die CCM-PFC-Stufe (Continuous Conduction Mode, nichtlückender Betrieb) des LinkSwitch-PH zusammen mit Frequenzjitter-Unterdrückung. Dieser EMB-Filter ist so einfach und klein, dass er in ein T8-Rohr passt.

„Kerzenhalter“

Im zweiten Beispiel wurde mit der Bauform der Zweck verfolgt, einen hohen Wirkungsgrad mit geringer Größe des Treibers zu kombinieren, damit dieser in Leuchter und in B10-Lampen passt.

Abbildung 6 zeigt einen 4,5 LED-Treiber mit Leistungsfaktorkorrektur (nichtisolierter Abwärts-/Aufwärts-Wandler), hier mit einem LinkSwitch-PL LNK458KG4 von POWER INTEGRATIONS. Die LinkSwitch-PL5 ICs sind den oben beschriebenen LinkSwitch-PH-Vorrichtungen sehr ähnlich. Sie wurden jedoch für nichtisolierte Anwendungen im Niedrigleistungsbereich (bis zu 16W) optimiert und werden in einem Gehäuse mit nur vier Anschlüssen geliefert. Der Kontrollalgorithmus beruht auf der direkten Messung des LED-Stroms und ermöglicht mit einer Mindestzahl externer Bauteile flackerfreie TRIAC-Dimmleistung.

Der in Abbildung 6 dargestellte Schaltkreis liefert am Ausgang einen 90mA-Konstantstrom bei 42–56V ausgehend von einer 85–135VAC-Eingangsspannung. Obwohl sehr wenige Bauteile verwendet werden, erreicht der LED-Treiber einen Wirkungsgrad von mehr als 86%, einen Leistungsfaktor von mehr als 0,95 und einen THD von mehr als 15% bei einer Netzspannung von 115VAC. 

Die bestückte Leiterplatte aus Abbildung 7 ist nur 16mm breit und 28mm lang.

Wahl der Bauform

Um die Zahl der eingesetzten Bauteile so gering wie möglich zu halten und trotzdem einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, musste eine geeignete Bauform entwickelt werden. Optimiert wurde die Bauform für eine AC-Eingangsspannung im Niedervoltbereich (85–135VAC & 47–63Hz). Im Einsatz ist der Treiber zusammen mit der LED-Last in einem Gehäuse verkapselt. Schutz für den Benutzer gegenüber dem nichtisolierten Spannungsausgang gewährt das Gehäuse. Kommt es am LED-Ausgang zu einer Unterbrechung, so schaltet der Treiber aus, damit keine Überspannung auftritt.

Am Eingang zum Schaltkreis erfolgt die EMB-Filterung anhand eines 2-?-Filternetzwerks, das sich aus den Kondensatoren C1, C2, C3 und den Differentialdrosseln L1 und L2 zusammensetzt. Die Verträglichkeit nach den Klasse-B-Emission-Grenzwerten wird mit dem Eingangsfilter und der Frequenz-Jitter-Unterdrückungsfunktion des LinkSwitch-PL erreicht. Dank der begrenzten Gesamtkapazität kann ein hoher Leistungsfaktor beibehalten werden.

Die Abwärts-/Aufwärtswandler-Vorrichtung besteht aus den Bauteilen U1 (Leistungsschalter und Steuerung), D2 (Schutzdiode), C7 (Ausgangskondensator), und L3 (Induktor). Die Diode D1 vermeidet, dass an der Stromentnahmequelle von U1 eine negative Spannung entsteht, insbesondere im Bereich des Nulldurchgangs der Eingangsspannung. Der Bypass-Kondensator C4 stellt die interne Versorgung der Vorrichtung sicher, sobald der Leistungs-MOSFET eingeschaltet ist. Der Rückkopplungsstrom des Ausgangsstroms wird am Spannungsabfall durch R3 gemessen und dann mit einem Tiefpassfilter (R4 und C5) gefiltert, damit der Arbeitspunkt des LinkSwitch-PL in einem Bereich bleibt, in dem die durchschnittliche Spannung am FEEDBACK (FB)-Pin 290mV im kontinuierlichen Betrieb beträgt.

Der Arbeitspunkt des Ausgangsstroms lässt sich einfach durch Verstellen des Werts der Widerstände R3 und R5 einstellen. Durch Veränderung des Widerstands R3 auf 12,7? und des Widerstands R5 auf 13? wird der Schaltkreis bei 96V Nennausgang einen Strom von 45mA liefern.

Andrew Smith, Senior Product Marketing Manager (LED), PI, Inc.

Wenn Sie weitere Informationen benötigen, rufen Sie uns doch einfach an!

A28

Fußnoten:
1 IEC 61000-3-2 Class C harmonics
2 LNK403-409EG/413-419EG LinkSwitch-PH Family LED Driver IC, Single-Stage PFC, Primary-Side Constant Current Control and TRIAC Dimming/Non-Dimming Device Options
3 DER-278 No Electrolytic Capacitor, High Efficiency (?90%), High Power Factor (>0.9) 15 W LED Driver Using LinkSwitch-PH LNK407EG. www.powerint.com, April 2011
4 DER-297 4.5 W Power Factor Corrected LED Driver (Non-Isolated Buck Boost) Using LinkSwitch-PL LNK458KG www.powerint.com, Oktober 2011
5 LNK454/456-458/460 LinkSwitch-PL Family. LED Driver IC with TRIAC Dimming, Single-Stage PFC and Constant Current Control for Non-Isolated Applications.  www.powerint.com , November 2010

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Abbildung 1: Einstufiger LED-Treiber mit kombiniertem PFC-Verstärker & Konstantstrom-Wandler
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Abbildung 2: Einstufiger. kombinierter PFC- & Konstantstrom-Wandler, in dem ein LinkSwitch-PH eingesetzt ist
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Abbildung 3: Schaltbild eines 25W Abwärts-/Aufwärtswandler LED-Treiber mit einem LNK409EG-Bauteil
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Abbildung 4: Bestückte Leiterplatte
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Abbildung 5: LED-Treiber ineiner T8-Röhre
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Abbildung 6: 4,5W Abwärts-/Aufwärtswandler (Buck-Boost)-Stromversorgung mit LNK458KG-Baustein
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Abbildung 7: Bestückte Leiterplatte

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