Ohne aktive PFC verschmutzen LED-Treiber das Stromnetz.

Ohne aktive PFC verschmutzen LED-Treiber das Stromnetz.Recom

Glühbirnen sind elektrisch gesehen ohmsche Widerstände und entnehmen dem Netz sinusförmige Ströme. Ihr Powerfaktor beträgt damit 1. Bei LED-Leuchtmitteln ist die Situation nicht mehr ganz so einfach. LEDs sind Halbleiter, die mit Gleichstrom betrieben werden. Ihre Kennlinie hat bei etwa 3 V einen relativ scharfen Knick – jenseits dieses Maximums droht sogar das schnelle und endgültige Aus. Folglich benötigen LEDs spezielle Treiber, die die Netzspannung in einen konstanten Gleichstrom wandeln. Das sorgt dafür, dass alle LEDs einer Kette mit gleicher Helligkeit leuchten, und zwar unabhängig von der Schwellenspannung. Solche Treiber sind aber keine reinen ohmschen Widerstände mehr, sondern Verbraucher mit einem Powerfaktor, der sehr viel kleiner als 1 sein kann. Die Konsequenz daraus ist, dass Oberwellen in das Netz reflektiert werden und unerwünschte Blindströme generieren.

Pulsierender Gleichstrom macht Probleme

Um aus einer Wechselspannung einen konstanten Gleichstrom machen zu können, muss der Treiber die Spannung gleichrichten und durch einen hinreichend großen Kondensator glätten. Der Kondensator lädt sich mit der Halbwelle auf den Spitzenwert auf und gibt so lange Energie ab, bis die nächste Halbwelle den Wert am Kondensator erreicht. Ist der Spannungswert am Gleichrichter größer als über dem Kondensator, kommt es während jeder Halbwelle zu einem kurzzeitigen Stromfluss mit hoher Amplitude. Diese Spitze ist weit höher, als aufgrund der Leistung zu erwarten wäre. Dabei entsteht ein Stromfluss, der nicht mehr sinusförmig abläuft und neben der Grundfrequenz einen hohen Anteil an Oberwellen besitzt (je steiler die Flanken umso höher der Anteil an Oberwellen).

Auf einen Blick

Das Gespann aus Leuchtdiode und ihrem Treiber muss effizient arbeiten und fürs rechte Licht sorgen. Dabei darf der Entwickler aber die andere Seite der Stromversorgung nicht vergessen: Ohne aktive Powerfaktor-Korrektur verschmutzt der Treiber das Versorgungsnetz. Die Produkte von Recom Lighting übertreffen die Vorgaben von Normen und Richtlinien daher deutlich.

Diese Problematik ist allein der Tatsache geschuldet, dass der LED-Treiber die Wechselspannung am Eingang gleichrichten und glätten muss, bevor er sie weiter bearbeiten kann. Wird ein Konverter dazu geschaltet, der aus der hohen Gleichspannung den gewünschten Konstantstrom generiert, verschlechtert sich die Situation weiter.

Pulsbreitenmodulation korrigiert Powerfaktor

Da im Laufe der nächsten Jahre LED-Beleuchtungssysteme andere Leuchtmittel wohl flächendeckend ersetzen werden, würde dies ohne entsprechende Korrekturmaßnahmen schnell zu einem echten Problem für die Qualität der Netzversorgung werden. Deshalb schreibt die DIN-Norm EN 61000-3-2 für LED-Treiber ab 25 Watt zwingend eine Powerfaktor-Korrektur (PFC) vor. Die Energy-Star-Richtlinien fordern für kommerzielle Treiber explizit einen Powerfaktor von 0,9 oder besser. Ohne aktive PFC aber sind nur Werte erreichbar, die deutlich tiefer liegen – je nach Leistung auch bei 0,5 oder weniger. Deshalb müssen AC/DC-LED-Treiber mit einer speziellen PFC-Schaltung ausgestattet sein.

Statt den Ladekondensator direkt an den Gleichrichter zu koppeln, wird bei einer aktiven PFC ein Pulsbreitenmodulator dazwischen geschaltet. Dieser sorgt dafür, dass der Kondensator während einer Halbwelle durch mehrere kleine Stromimpulse geladen wird. Die Stromentnahme verläuft dadurch relativ synchron zur Netzspannung und kommt der natürlichen Sinusform recht nahe (Bild 1).

Bild 1: Bei aktiver PFC steuert eine Pulsbreiten-Modulation die Stromaufnahme so, dass sie der Sinusform recht nahe kommt.

Bild 1: Bei aktiver PFC steuert eine Pulsbreiten-Modulation die Stromaufnahme so, dass sie der Sinusform recht nahe kommt.Recom

Ein gut entwickelter PFC-Kreis wie bei der RACD-Serie von Recom Lighting, steigert den Powerfaktor auf Werte um 0,95 und ist damit besser als von Energy Star, oder auch durch die DIN EN 61000, vorgeschrieben. Technisch sind sogar noch bessere Werte machbar, aber der Nutzen stünde in keinem Verhältnis zu den Kosten.

Kleinvieh kann auch stören

Auch wenn die EN 61000-3-2 einen Powerfaktor über 0,9 erst ab einer Leistung von 25 W zwingend vorschreibt, ist es durchaus sinnvoll, bereits bei kleineren Leistungen mit einer aktiven PFC zu arbeiten: In vielen Applikationen werden viele LED-Leuchten mit kleineren oder mittleren Leistungen betrieben und jede Leuchte oder jeder kleine Leuchten-Cluster besitzt seinen eigenen Treiber. Zehn mal 12 W ergeben auch 120 W, weshalb die Netzbetreiber über einen entsprechenden Powerfaktor sehr dankbar wären. Aus diesem Grund stattet Recom Lighting seine Produkte bereits ab 12 W mit einer aktiven PFC aus.

Dem hohen Anspruch an die Rückwirkungsfreiheit trägt der Hersteller mit seinem neusten Produkt Rechnung und hat den RACT20 mit aktiver PFC ausgestattet. Obwohl die PFC bei einem per Triac dimmbaren LED-Treiber einen relativ hohen Aufwand darstellt, verfügt der 20-W-Treiber über eine aktive Regelung und somit über einen Powerfaktor von 0,95.

Zusammenhang zwischen PFC und Wirkungsgrad

Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass Treiber mit einem niedrigen Powerfaktor einen schlechten Wirkungsgrad haben. Zwar entnehmen solche Treiber weit mehr Energie aus dem Netz, als sie zur Versorgung der LEDs brauchen, sie reflektieren aber einen erheblichen Teil davon wieder zurück. Dieser Teil geht nicht wirklich verloren, wie dies bei einem schlechten Wirkungsgrad der Fall wäre. Er wird lediglich an die falsche Seite abgegeben. Vermutlich deshalb werden in der Praxis die Werte für den Powerfaktor oft mit jenen für den Wirkungsgrad verwechselt.

Bild 2: Vergleich zwischen einer Glühbirne und LED-Treibern mit einem Powerfaktor kleiner als 1.

Bild 2: Vergleich zwischen einer Glühbirne und LED-Treibern mit einem Powerfaktor kleiner als 1.Recom

Bild 2 vergleicht die Stromaufnahme einer 100-W-Glühbirne (rote Linie) mit einer 25-W-LED. Beide haben in etwa dieselbe Helligkeit. Die Glühbirne mit Powerfaktor 1 zieht aus einer 230-V-Versorgung konstant einen Strom von 0,45 A. Hätte der LED-Treiber ebenfalls Powerfaktor 1, würde er nur etwa 0,11 A Strom ziehen – bei Powerfaktor 0,95 unwesentlich mehr. Bei einem Powerfaktor von 0,25 würde der LED-Treiber dem Netz stolze 0,45 A entnehmen: Das ist der gleiche Wert wie bei der Glühbirne, obwohl die LED nach wie vor nur 25 W abstrahlt. Die Differenz von 75 W fließt in falscher Phasenlage zurück ins Netz.

Die Energie geht dabei zwar nicht verloren und der Blindstrom wird vom Zähler nicht erfasst. Aktive Powerfaktor-Korrektur ist für AC/DC-Treiber trotzdem ähnlich wichtig wie ein hoher Wirkungsgrad, zumal absehbar ist, dass in den nächsten Jahren Milliarden von Treibern zusätzlich ans Netz gehen werden. Dabei geht es bei PFC nicht um die Stromkosten, sondern darum, die Verschmutzung des Stromnetzes durch Oberwellen im Griff zu behalten.

Schwieriges Dimmen

Auf absehbare Zeit sind Lösungen gefragt, die sich der bestehenden Infrastruktur in Haus und Büro anpassen. Für LED-Leuchten bedeutet dies unter anderem, dass sie durch handelsübliche Triacs dimmbar sein müssen. Dies ist problematisch, denn die Phasen-An- oder Abschnittsteuerung von Dimmern und der PFC-Kreis von Treibern beeinflussen sich gegenseitig. Bislang verfügbare Treiber lassen sich deshalb nicht bis auf Null dimmen. Aber eine Funktion, die nur auf 10 bis 20 % dimmen kann, liefert bei weitem nicht das von der Glühlampe gewohnte Ergebnis.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Farbtemperatur einer gedimmten Glühlampe deutlich zu wärmeren Farbtemperaturen hinläuft, während die LED aufgrund ihrer Eigenschaft weitestgehend farbstabil bleibt. Eine LED-Leuchte wirkt bei 10 % Reststrom daher genau so hell wie eine Glühlampe bei 35 % Resthelligkeit. Das Dimmen auf einen Wert kleiner 5 % ist somit wichtig bei LED-Lösungen. Der seit März in Produktionsstückzahlen verfügbare RACT20 lässt sich flickerfrei sogar bis 0 % dimmen.

Multi-Chip-Lösungen

Bild 3: Das Thermobild zeigt die recht homogene Temperaturverteilung der Sharp-LED Mega-Zenigata.

Bild 3: Das Thermobild zeigt die recht homogene Temperaturverteilung der Sharp-LED Mega-Zenigata.Sharp

Auch bei den LEDs geht die Entwicklung rasant weiter. Haben die Hersteller anfangs mehrere einzelne LEDs mit jeweils eigenem Gehäuse und 2 oder 3 W Leistung auf einer Platine zusammengefasst, so geht der Trend jetzt hin zu Multi-Chip-Lösungen. Dabei integrieren sie eine Vielzahl kleiner LED-Dies auf einem Keramikplättchen. Das keramische Substrat verbessert das Wärmemanagement des gesamten LED-Arrays deutlich (Bild 3). Außerdem ist der Platzbedarf erheblich geringer und die gesamte Leuchtfläche ist mit einer zusammenhängenden Phosphorschicht überzogen, so dass Multi-Chip-LEDs tatsächlich als einzelne Lichtquelle wahrgenommen werden. Dies vereinfacht die Gestaltung von Optik und Reflektor.

Bild 4: Die neue Mega-Zenigata von Sharp (im Bild links) beherbergt 168 einzelne LEDs, die seriell und parallel zu einem Array verschaltet sind, das aus etwa 38 VDC mit 700 mA Konstantstrom gespeist wird.

Bild 4: Die neue Mega-Zenigata von Sharp (im Bild links) beherbergt 168 einzelne LEDs, die seriell und parallel zu einem Array verschaltet sind, das aus etwa 38 VDC mit 700 mA Konstantstrom gespeist wird.Sharp

Als Beispiel sei hier die 25-W-Mega-Zenigata von Sharp erwähnt: 168 auf einer knapp 2 cm² kleinen Leuchtfläche verteilte LEDs (Bild 4) sind bereits so als Array verdrahtet, dass dieses nur noch an Recoms speziell auf die Mega-Zenigata abgestimmten RACD30 angeklemmt werden muss. Der Treiber liefert 700 mA Konstantstrom aus bis zu 42 V am Ausgang und entlockt der LED mit 2600 lm bei 4000 °K die Leuchtkraft eines 150-W-Halogenstrahlers. Dabei ist die Lichtqualität sehr natürlich. Während Tageslicht einen CRI-Wert (Color Rendering Factor) von 100 erreicht, schafft Sharps Mega-Zenigata mit 83 einen sehr guten Wert. Sie ist damit nicht nur eine effiziente, sondern auch eine bei Lichtqualität und Farbtemperatur dem natürlichem Licht sehr nahe kommende Alternative.

In puncto Lebenserwartung steht die RACD-Serie den LED-Arrays in nichts nach. Der Treiber ist für eine Lebenserwartung von über 70.000 Stunden bei +25 °C konzipiert. Dabei handelt es sich um eine geprüfte Spezifikation und nicht um einen errechneten statistischen Wert wie die MTBF (Mean Time Between Failure), welche weitaus höher liegen würde. In der Praxis, bei etwa zehn Stunden täglichem Betrieb, entspricht dies einer Lebenserwartung von 20 Jahren. Der Treiber wird also ähnlich lange funktionieren, wie dies für LED-Arrays bei ausreichender Kühlung zu erwarten ist. Recom liefert seine Treiber daher auch mit fünf Jahren Werksgarantie aus.

Eng verzahnt

Künftig werden die Hersteller von LED-Treibern noch enger mit jenen von LED-Chips zusammenarbeiten um das Potenzial der neuen Lichtquelle voll ausschöpfen zu können. Dabei stehen zwar Energieersparnis und hohe Lebenserwartung im Vordergrund, aber die Qualität des Lichts entscheidend darüber, was wir sehen und wie wir dabei empfinden.

Da LED-Licht innerhalb weniger Jahre weltweit Milliarden neuer Treiber ans Netz bringen wird, die allesamt Oberwellen und Blindströme generieren werden, ist es wichtig, bei der Auswahl von Treibern neben einem hohen Wirkungsgrad insbesondere auch auf guten Powerfaktor zu achten. Werte nahe 95 % dürfen durchaus als Richtwerte für die Zukunft gelten, auch wenn einschlägige Institutionen das noch nicht zwingend vorschreiben.