AC-Direktansteuerung für LED-Technik

Die AC-Direktansteuerung für LED-Leuchtmittel hat einen großen Nachteil konventioneller Stromversorgungen ausgeräumt: Es gibt keinen absehbaren Ausfall der Stromversorgung mehr. Denn mit der AC-Ansteuerungsmethode erreichen LEDs problemlos eine Lebensdauer von 50.000 Stunden und mehr. Anfällige Bauelemente wie Elektrolytkondensatoren, die nach einigen tausend Betriebsstunden austrocknen können, sowie Induktivitäten und Transformatoren entfallen komplett. Damit ergeben sich für Entwickler mehr Freiheiten bei Design und Gestaltung der Schaltung von LED-Leuchtmitteln.

Wechselstrom-Technik

Die ersten LED-Leuchtmittel mit AC-Direktansteuerung waren Retrofit-Lampen in unterschiedlichen Bauformen wie die GU10-Lampen mit E27-Fassung, MR16 sowie Glühlampen, kerzenförmige Lampen, Deckenstrahler und andere. Alle diese Produkte zeigen bereits seit zwei Jahren ihre Zuverlässigkeit auf dem Markt. Zu den Neuheiten zählen LED-Module mit AC-Technik in runder Bauform, also Leiterplatten mit LED und Treiberschaltung. Diese sind beispielsweise für Strahler oder ähnliche Bauformen konzipiert.

Quadratische oder rechteckige LED-Module finden bei Flächenleuchten oder LED-Streifen für T8-Röhren ihren Einsatz. Der Vorteil dieser Produkte besteht darin, dass sich die Treiberschaltung direkt auf der Leiterplatte fast unsichtbar anbringen lässt. Durch Die-Bonding und Wire-Bonding fixiert man die wenigen Bauelemente direkt am Rand der Leiterplatte oder an beliebiger Stelle und deckt sie mit Epoxidharz ab. Infolge des geringen Platzbedarfs ist eine einfache und kompakte Treiberschaltung möglich, die zudem für eine gute thermische Verteilung der gesamten Schaltung sorgt.

Die AC-gesteuerten Module gibt es bereits in Baugrößen von 30 mm Durchmesser, die größten bisher erhältlichen Module weisen eine Leistung von 120 W und eine Lichtleistung von über 10.000 lm auf. Auch höhere Leistungen lassen sich realisieren – entweder durch eine Erweiterung der Treiberschaltung oder durch leistungsfähigere LEDs. Dabei handelt es sich um Standard- sowie kundenspezifische Produkte. (Bild 1 und Bild 2)

Das IC macht den Unterschied

IC-Entwickler realisierten den AC-Direktbetrieb durch Spezial-ICs aus Fernost und den USA. Die integrierten Schaltkreise lassen sich jedoch in zwei Gruppen einteilen: Viele Produkte haben beim Dimmen ein sequentielles Lichtsystem, bei dem die LEDs immer nur gruppenweise Bestromung finden. Diese Eigenschaft bei der Dimmbarkeit wirkt sich stark auf die Lebensdauer der LEDs aus, da hier der erste Teil ständige Bestromung erfährt, während der letzte Teil nur bei voller Leistung Strom erhält.

So konzentriert sich auch die Verlustleistung auf nur ein IC. Anders ist das beim IC-EL01 von Eurolighting. Hier wirkt sich ein simultanes Lichtsystem positiv auf das Dimmen der LEDs aus, das heißt, alle Leuchtdioden lassen sich gleichmäßig dimmen. Das verbessert auch den Wirkungsgrad gegenüber anderen Produkten um 10 bis 20 Prozent, die Verlustleistung verteilt sich hier auf mehrere ICs. Zudem weist das IC eine NTC-Charakteristik auf: Es verteilt die Temperatur bei voller Leistung gleichmäßig auf alle LEDs und reduziert ab 85 °C deren Leistung, um eine Überhitzung zu verhindern (Bild 3).

Dimmbarkeit und flimmerfreies Licht

Mit dem IC-EL01 ist es möglich, eine Treiberschaltung direkt mit 230 V_AC Netzwechselspannung zu betreiben und flimmerfreies Licht zu erzeugen. Eine große Rolle spielt dabei die zeitliche Welligkeit des abgegebenen Lichts, die wie bei Wechselstrombetrieb aufgrund pulsierender Schwankungen der Einspeisung entsteht. Ob das menschliche Auge diese Welligkeit als störend empfindet, hängt von der Flimmerverschmelzungsfrequenz des Auges und den individuellen Gegebenheiten ab. Diese Grenzfrequenz, bei der man periodisch wiederkehrende Reize als einen einzigen Reiz empfindet, liegt zwischen 10 und 70 Hz. Man spricht hier von Pulsation.

Liegt die Frequenz der Lichtwelligkeit oberhalb dieser Verschmelzungsfrequenz, so ist sie für Menschen nicht mehr wahrnehmbar. Unterhalb der Verschmelzungsfrequenzgrenze ist die Welligkeit jedoch als störendes Flimmern wahrnehmbar.

Beim Dimmen mit der üblichen Pulsweitenmodulation weisen die LEDs eine Lichtwelligkeit auf.Eurolighting

Unter bestimmten Voraussetzungen entsteht bei LEDs eine erhebliche und nachteilige Lichtwelligkeit, nämlich beim Dimmen mit der üblichen Pulsweitenmodulation (PWM), da es sowohl DC-Licht als auch (DC und AC)-Licht gibt:

W=(ᶲmax-ᶲmin)/ᶲmittel WLED=mit ≤1 W<∞

W=(ᶲmax-ᶲmin)/ᶲmittel

Daher sind zwei Kriterien für gutes Licht wichtig: Einerseits muss die Taktfrequenz der LEDs oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz von 10 bis 70 Hz liegen. Bei der hier besprochenen AC-Direktansteuerung mit dem Chip EL-01 beträgt die Frequenz 100 Hz und ist damit höher als die Flimmerverschmelzungsfrequenz. Andererseits sollte die Lichtintensität möglichst gleichförmig sein, denn gleichmäßige rechteckige Lichtintensitäten erzeugen ein ausgewogenes Licht, während keilförmige Lichtspitzen als störend empfunden werden (Bilder 4a und 4b).

Für ein flimmerfreies Licht wird also beim IC-EL01 die 230-V_AC-Netzwechselspannung gleichgerichtet und ohne Glättung einer Wechselspannung dem Direkttreiber zugeführt. Der Treiber taktet mit 100 bis 120 Hz und betreibt die Leuchtdioden mit einem konstanten Strom und einer Spannung zwischen 60 und 70 V. Der Vorteil ist, dass sich dadurch LEDs verschiedener Hersteller für Spannungen zwischen 2 und 70 V_DC direkt ansteuern lassen. Bei einer Betriebsspannung von 70 V_DC kann man zahlreiche DC-LEDs mit unterschiedlichen Spannungen, jedoch maximal 70 V in einer Gruppe direkt betreiben. Beträgt die Betriebsspannung einer LED beispielsweise 2 V_DC, lassen sich bis zu 35 Stück solcher LEDs in Serie schalten. Dabei ist die Schaltung problemlos durch den Einsatz zusätzlicher ICs erweiterbar.

Im Langzeittest bestehen

Langzeitversuche über mehr als 10.000 Stunden haben bei der Verwendung des EL01 als Treiber für AC-Direktansteuerung diverse Vorteile ergeben:

• Weder Elektrolytkondensatoren, Induktivitäten (außer zur Entstörung) noch Trafos kommen zum Einsatz. Bis zirka 24 W der Gesamtleistung sind keine zusätzlichen Entstörmaßnahmen notwendig, da die Treiber geltende Vorschriften erheblich unterschreiten.
• Die Schaltung sichert eine hohe Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden und ist klein gebaut.
• Verschiedene LED-Schaltungen und Leistungen zwischen 3  und über 200 W lassen sich mit wenigen Bauelementen einfach realisieren.
• Der integrierte NTC gewährt eine Leistungsreduzierung beim Überschreiten der maximal zulässigen Arbeitstemperatur von 85 °C sowie einen hohen Leistungsfaktor PFC über 0,98.
• Das IC-EL01 weist einen Wirkungsgrad von über 85 und eine gesamte harmonische Verzerrung THD von mehr als 18 Prozent auf. Der Arbeitstemperaturbereich geht von -40 bis +85 °C und die maximale Chiptemperatur TJ beträgt +150 °C.
• Alle LEDs lassen sich gleichmäßig dimmen. Durch den entsprechenden Aufbau der Treiberstufe können Entwickler unterschiedliche LED-Typen einsetzen.
• Der Baustein arbeitet wie ein integrierter Längsschaltregler, in dem man dessen innere Referenzspannung zur Strommessung an einem Shunt nutzt. Die Schaltung ähnelt deshalb der eines Feldeffekttransistors.

(rao)