Effizienter Betrieb von LEDs am Stromnetz

Zwar dürften wir noch Jahre von LED-Einschraublampen entfernt sein, die als brauchbarer Ersatz für Glühlampen in Frage kommen, doch schon heute geht der Trend bei der Architekturbeleuchtung immer stärker zum Einsatz von LEDs, denn sie sind eindeutig zuverlässiger und bieten ein höheres Potential für Energieeinsparungen.

Wie in den meisten Elektroniksystemen ist auch hier eine Stromversorgung erforderlich, die die Eingangsspannung in eine für die LEDs nutzbare Form umwandelt. Bei einer Straßenbeleuchtung ist eine mögliche Konfiguration eine Serie von 80 LEDs, die zusammen eine Last von 300 V und 0,35 A bilden. Bei der Auswahl einer Schaltnetzteil-Topologie müssen Anforderungen in Hinblick auf die Isolation sowie auf die Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) festgelegt werden.

Hinsichtlich der Isolation ist eine aufwendige Sicherheits-Vergleichsstudie erforderlich, bei der unter anderem die Notwendigkeit eines Berührungsschutzes gegen die wachsende Komplexität beim Entwurf der Stromversorgung abgewogen werden muss.

In diesem Anwendungsfall, bei dem die LED Hochspannung führt, wird davon ausgegangen, dass eine Isolation nicht notwendig ist. Die PFC ist dagegen unumgänglich, da in Europa für Beleuchtungssysteme über 25 W eine Leistungsfaktorkorrektur vorgeschrieben ist.

Drei Schaltnetzteil-Topologien kommen in Frage

Für diese Anwendung kommen drei mögliche Schaltnetzteil-Topologien in Betracht, nämlich ein Abwärtsregler, ein an der Lückgrenze betriebener Sperrwandler (Transition-Mode-Wandler) und ein Transition-Mode (TM)-SEPIC (single-ended primary inductor converter). Der Abwärtsregler lässt sich sehr effektiv einsetzen, wenn es um Oberschwingungsströme geht und die LED-Spannung in der Größenordnung von 80 V liegt.

Im vorliegenden Fall ist ein Abwärtsregler jedoch wegen der höheren Lastspannung nicht die Lösung. Somit bleiben als Kandidaten der Sperrwandler und der SEPIC-Wandler. Der SEPIC-Wandler bietet den Vorteil, dass er die Schaltsignalverläufe am Leistungshalbleiter festklemmt. Damit lassen sich Bauelemente verwenden, die mit niedrigeren Spannungen arbeiten und somit einen höheren Wirkungsgrad haben.

 Bild 1: Der Transition-Mode-SEPIC-Wandler arbeitet als einfacher LED-Treiber.
Bild 1: Der Transition-Mode-SEPIC-Wandler arbeitet als einfacher LED-Treiber.

Bei unserer Anwendung würde sich damit der Wirkungsgrad um geschätzte zwei Prozent erhöhen. Zudem neigt der SEPIC-Wandler weniger zum Nachschwingen, was die Funkentstörfilterung vereinfacht. Bild 1 zeigt ein Schaltbild der Stromversorgung.

In der Schaltung wird ein TM-PFC-Aufwärtsregler zur Formung des Eingangsstrom-Signalverlaufs verwendet. Beim Einschalten beginnt die Schaltung C6 aus dem Netz aufzuladen. Sobald die Schaltung läuft, liefert eine Hilfswicklung der SEPIC-Induktivität die Betriebsspannung für den Regler.

Ausgangskondensator begrenzt die Welligkeit

Ein relativ groß dimensionierter Ausgangskondensator begrenzt den LED-Welligkeitsstrom auf 20 Prozent des DC-Stromes. Am Rande sei angemerkt, dass die AC-Flussdichte und die Ströme im TM-SEPIC-Wandler recht hoch sind und Litzendrähte und verlustarme Kernmaterialien erforderlich sind, um die Verluste in der Induktivität niedrig zu halten.

 Bild 2: DER TM-SEPIC-Wandler hat einen hohen Wirkungsgrad und liefert eine gute Leistungsfaktorkorrektur.
Bild 2: DER TM-SEPIC-Wandler hat einen hohen Wirkungsgrad und liefert eine gute Leistungsfaktorkorrektur.

Die Bilder 2 und 3 zeigen die Testergebnisse, die an einem Prototyp gemäß dem Schaltbild in Bild 1 erzielt wurden. Der Wirkungsgrad ist recht hoch und erreicht maximal 92 Prozent. Dieser gute Wert wurde erreicht, indem das Nachschwingen an den Leistungshalbleitern begrenzt wurde.

 

 

 Bild 3: Der Netzstrom erfüllt problemlos die Vorschriften nach EN61000-3-2 Klasse C
Bild 3: Der Netzstrom erfüllt problemlos die Vorschriften nach EN61000-3-2 Klasse C

Wie außerdem am Stromverlauf zu erkennen ist, weist der Leistungsfaktor mit über 96 Prozent einen ziemlich guten Wert auf. Interessanterweise verläuft das Signal nicht rein sinusförmig, sondern zeigt auf der steigenden und fallenden Flanke eine gewisse Steilheit, was daran liegt, dass die Schaltung nicht den Eingangsstrom, sondern den Schaltstrom misst. Der Signalverlauf ist jedoch gut genug, um die europäischen Vorschriften bezüglich der Oberschwingungsströme zu erfüllen.


Von Robert Kollman, Texas Instruments.

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