Entwickler waren schon immer auf der Suche nach einer Lösung für den Betrieb von Leuchtdioden im unteren Spannungsbereich und mit Gleichstrom, die ohne die übliche Stromversorgung auskommt. So tauchten vor mehreren Jahren unter dem Namen Acriche erste Muster einer LED auf, deren Betrieb mit AC direkt erfolgte. Letztendlich aber waren die Entwickler aufgrund diverser Eigenschaften nicht vollends zufrieden und die Produkte verschwanden deshalb wieder vom Markt.

Direkt mit Wechselstrom auf die Schaltung

Die Wende trat erst ein, als ein koreanischer Hersteller einen neuartigen Chip auf den Markt brachte, der bereits seit 2012 zum Patent angemeldet war. Mit dessen Hilfe ließ sich eine Treiberschaltung für LED-Applikationen ohne großen Aufwand entwickeln, sodass eine konventionelle Stromversorgung überflüssig war. Die Besonderheit dieser Schaltung besteht darin, dass man ohne Elektrolytkondensatoren, Trafo, Induktivität und so weiter direkt mit 230 V Wechselstrom auf die Schaltung gehen kann.

Bild 1: LED-Ansteuerung von Eurolighting mit Mehrchip-Lösung, dazu im Vergleich eine Wettbewerbsschaltung mit nur einem IC-Chip.

Bild 1: LED-Ansteuerung von Eurolighting mit Mehrchip-Lösung, dazu im Vergleich eine Wettbewerbsschaltung mit nur einem IC-Chip. Eurolighting

Die 230-VAC-Netzwechselspannung wird gleichgerichtet und ohne Glättung einem Wechselspannungsdirekttreiber zugeführt. Dabei taktet der Treiber mit 100 bis 120 Hz und betreibt die Leuchtdioden mit einem konstanten Strom sowie einer Spannung zwischen 60 und 70 VDC. Der Vorteil besteht darin, dass sich für Spannungen zwischen 2 und 70 VDC spezifizierte Leuchtdioden vieler unterschiedlicher Hersteller direkt ansteuern lassen. Mit dieser Besonderheit lässt sich die Schaltung durch die Verwendung weiterer Chip-ICs und Parallelschaltung auf 100 W oder mehr Leistung erweitern. Ein zusätzlicher Vorteil besteht im kontinuierlichen Leuchten aller LEDs beim Dimmen.

Dimmen nur eingeschränkt möglich

Parallel dazu entwickelten mehrere Firmen in den USA, Taiwan und Korea Chips mit ähnlichen Schaltungsmöglichkeiten, die aber nach anderen Schaltungsprinzipien funktionieren. Alle sehen einen zentralen Chip vor. Der eignet sich zusammen mit einer aus wenigen Bauteilen bestehenden peripheren Elektronik zwar für direkt betriebene AC-Schaltungen, ermöglicht allerdings nur ein sequenzielles Leuchten der LED-Gruppen. Das bedeutet, beim Dimmen erreicht zuerst die erste Gruppe, dann eine zweite und schließlich die gesamte Lampe die volle Leistung. Damit ist die Dimmfähigkeit nur eingeschränkt möglich.

Erste Anwendungsgebiete waren mit LEDs ausgestattete Glühbirnen. Denn hier gab es durch den Einsatz von Trafo, Induktivitäten und anderen sperrigen Bauelementen erhebliche Platzprobleme im Sockel der Glühlampen. Die Kunden haben von dieser technischen Neuerung allerdings kaum etwas mitbekommen, denn die Lampen sahen alle mehr oder weniger gleich aus. Sie unterschieden sich nur in einer glatten Oberfläche des Sockels oder einer gerippten Oberfläche zur besseren Wärmeabfuhr. Mehrere Firmen haben daraufhin eine breite Palette an Leuchten auf den Markt gebracht, beispielsweise Deckenleuchten, Wand- und Standleuchten. Sie lagen im Bereich von etwa 4 bis 120 W bei Highbay-Leuchten.

Bild 2: Bei Eurolighting sind die IC-Chips in Die-Bauform direkt auf die Leiterplatte gebonded, die gesamte Schaltung lässt sich am Rand der Platine unterbringen.

Bild 2: Bei Eurolighting sind die IC-Chips in Die-Bauform direkt auf die Leiterplatte gebonded, die gesamte Schaltung lässt sich am Rand der Platine unterbringen. Eurolighting

Bedenken am deutschen Markt

In Deutschland hat sich die Einführung der neuen AC-Technik nur langsam und zögerlich entwickelt. Ein Hauptgrund ist die Direkteinspeisung von Wechselstrom mit 230 V sowie die in Deutschland bestehenden Vorschriften bezüglich Schutzkleinspannung, EMV-Verhalten und anderer sicherheitstechnischer Vorschriften. Die Bedenken hinsichtlich eines Direktbetriebs von Lampen mit 230 VAC sind nach wie vor nur langsam auszuräumen, obwohl sie sich durch einfache Maßnahmen zum Schutz des Betreibers sehr leicht zerstreuen lassen.

Auch die Hersteller von LED-Chips haben wegen der kleineren LED-Körper, der höheren Leistung und schließlich aufgrund der COB-Technik das Augenmerk der Entwickler vor allem auf diese Neuentwicklungen bei Leuchtdioden gelenkt. Die Leistungen der LED-Chips sind von etwa 60 bis 80 lm/W auf 160 lm/W gestiegen, dabei erreichte der Farbwiedergabeindex (Ra) beeindruckende 98. Das Thema Stromversorgung fand dabei wenig Beachtung.

Ein weiteres Bedenken war das Flackern des LED-Lichtes, was bei AC-Chips mit sequenziellem Leuchten nicht optimal gelöst schien. Eine Ausnahme stellte der neue von Eurolighting vertriebene Chip dar: Durch die Erhöhung der Netzfrequenz von 50/60 Hertz auf 100 bis 110 Hertz ist das Flackern für das menschliche Auge praktisch unsichtbar; nur empfindliche Messinstrumente können ein Flackern erkennen.

Eckdaten

Bereits vor drei Jahren hat man bei Eurolighting die Vorteile eines neuen LED-Treiber-IC erkannt, das nicht als zentraler Chip zum Einsatz kommt. Denn die Schaltung stützt sich auf die Verwendung mehrerer Chips und lässt sich dadurch in der Leistung beliebig auf 100 W oder mehr ausbauen. Zielstrebig hat man deshalb den Vertrieb von LED-Modulen mit dieser AC-Treibertechnik vorangetrieben.

Treiberschaltung mit mehreren Chips

Die AC-Treiberschaltung von Eurolighting bietet außerdem weitere Vorteile. Dazu zählt die Dimmfähigkeit auf etwa 10 % der Leistung der Lampe. Hier ist darauf hinzuweisen, dass Dimmer meist für Glühbirnen mit Glühwendeln vorgesehen sind und sich deshalb nicht alle für Leuchtdioden eignen. Üblicherweise lässt sich eine sequenzielle Schaltung nur mit dem zentralen Chip realisieren, also jeweils eine Gruppe von Leuchtdioden entsprechend des Dimmens ab- oder zuschalten. Erst bei voller Leistung leuchten alle Leuchtdioden gleichmäßig. Dies führt jedoch zu einer unterschiedlichen Belastung und Lebensdauer der LED-Gruppen. Die neue Treiberschaltung indes verwendet mehrere Chips und lässt sich dadurch in der Leistung beliebig auf 100 W oder mehr ausbauen.

Bild 3: Eurolighting entwickelt derzeit ein Modul, bei dem sich die Lötpunkte am Rand befinden.

Bild 3: Eurolighting entwickelt derzeit ein Modul, bei dem sich die Lötpunkte am Rand befinden. Eurolighting

Nach intensiven Forschungen hat der IC-Hersteller eine sehr elegante Lösung gefunden: Die Chips werden in Die-Bauform direkt auf die Leiterplatte gebonded. So ist nicht nur ein optimaler Wärmeübergang gewährleistet, sondern die gesamte Schaltung lässt sich am Rand der Platine unterbringen. Darüber hinaus sind die ICs aus Sicherheitsgründen mit Epoxy abgedeckt. In der Mitte der Module befinden sich dann die Leuchtdioden sowie die Zuleitung zur Schaltung. Derzeit ist ein Modul in der Entwicklung, bei dem sich die Lötpunkte am Rande des Moduls befinden.

Umdenken bei der Schaltung

Heute hat das Unternehmen neun verschiedene Module in Baugrößen zwischen 30 und 70 mm und mit Leistungen von 5 bis 40 W im Angebot. Zudem war schnell klar, dass Kunden neben den Standardmodulen auch individuelle Lösungen anfragen. So entstanden auf Kundenwunsch bereits LED-Module in Stabform, rechteckige Module sowie große Module in runder Bauform bis 400 mm Durchmesser.

Bild 4: Individuelle Modullösungen sind unter anderem auch in rechteckiger Bauform und bis 400 mm Durchmesser möglich.

Bild 4: Individuelle Modullösungen sind unter anderem auch in rechteckiger Bauform und bis 400 mm Durchmesser möglich. Eurolighting

Die Beschaltung der ICs und der LED-Chips erfolgt nicht wie bei konventionellen Stromversorgungen üblich, wo alle Bauteile an einem Strang liegen. Die neuen IC-Chips erfordern ein völliges Umdenken. Die Schaltung ist in vier, sechs oder acht Stränge aufgeteilt, wobei pro Strang maximal 70 VDC anliegen. Dies erfordert die Verwendung mehrerer ICs, mit folgendem Vorteil: Die Wärmeentwicklung konzentriert sich nicht wie bei anderen Produkten auf einen Punkt, sondern verteilt sich gleichmäßig auf die gesamte Schaltung. Es ist also ein komplett neues Layout der bisherigen Schaltung nötig, die vielleicht beim Kunden vorliegt. Auch das EMV-Verhalten hat sich durch Zuschalten soweit verbessert, dass die Messergebnisse über den gesamten Bereich weit unter den vorgeschriebenen Werten liegen.

Bild 5: Die Schaltung der neuen IC-Chips ist in vier, sechs oder acht Stränge aufgeteilt, pro Strang liegen maximal 70 VDC an.

Bild 5: Die Schaltung der neuen IC-Chips ist in vier, sechs oder acht Stränge aufgeteilt, pro Strang liegen maximal 70 VDC an. Eurolighting

Chance für neuartige Produkte

Der Chip ermöglicht AC-Treiberschaltungen, die zur Entwicklung neuartiger Produkte geführt haben. Angefangen von normalen Lampen über Module zum Einsatz in Straßenleuchten bis hin zu LED-Straßenlampen als Retrofit. Letztere eignen sich als Ersatz für die bekannten NAV- und HQL-Birnen im Bereich von 20 bis 40 W und sind unter dem Namen Cornbulb bekannt.

Cornbulbs verfügen über eine eigene Treiberschaltung. Da Straßenleuchten aber durch den Einsatz von NAV- und HQL-Birnen eine eigene Stromversorgung besitzen, musste diese beim Umrüsten auf LED-Cornbulbs bisher ausgebaut oder überbrückt werden. Dadurch wiederum ergaben sich Probleme mit der Herstellerhaftung für die Lampengehäuse. Auch hierfür hat Eurolighting eine Lösung gefunden: Eine zum Patent angemeldete Einschaltstrombegrenzung ermöglicht ein einfaches Wechseln der Leuchtmittel. Der Ausbau der in der Straßenlampe befindlichen konventionellen Stromversorgung ist nicht mehr notwendig.

Leuchtstoffröhren und LED-Streifen

Bild 6: Die AC-Treiberschaltung kommt auch in LED-Cornbulbs zum Einsatz, die als Ersatz für NAV- und HQL-Birnen im Bereich von 20 bis 40 W gelten.

Bild 6: Die AC-Treiberschaltung kommt auch in LED-Cornbulbs zum Einsatz, die als Ersatz für NAV- und HQL-Birnen im Bereich von 20 bis 40 W gelten. Eurolighting

Basierend auf dieser Entwicklung werden nun auch T8-Röhren gefertigt. Diese lassen sich ebenfalls ohne jegliche mechanische und elektrische Änderungen an der Schaltung der vorhandenen Leuchtstoffröhren einsetzen und eignen sich damit für KVG, EVG und VVG. Ein weiteres innovatives Produkt sind LED-Streifen bis zirka 60 cm Länge, die eine Leistung von bis zu 30 W haben können und sich aneinanderreihen lassen. So sind Leuchteinheiten bis zu vier Meter ohne weiteres möglich. Das vereinfacht die Installation enorm, besonders auch bei großflächigen Beleuchtungen in Hallen oder Lagerräumen.

Auch für den Einsatz im Außenbereich hat man sich etwas einfallen lassen, und zwar in Form eines speziellen Schutzlackes. Versuche haben bereits die Beständigkeit und Funktionstüchtigkeit des Schutzlackes auch im Wasser bestätigt. Daraus resultieren ebenfalls weitere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise für die Beleuchtung von Schiffen.