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Der LT3799 treibt LEDs in vielen Situationen.
Mit wenigen Zusatzbauteilen erreicht der Treiber über 5 Prozent Genauigkeit.

Die Vorteile von LEDs mit hoher Leuchtstärke (high brightness) – allen voran Energieeinsparung und Langlebigkeit – treiben die Entwicklung von sehr vielen Beleuchtungsapplikationen voran. Entsprechend stark steigen die Wachstumsraten von LEDs. Ende 2010 erreichte das Marktvolumen von leuchtstarken LEDs 8,2 Milliarden US-Dollar und soll laut Marktforscher Strategies Unlimited bis 2015 mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von rund 30 Prozent auf 20,2 Milliarden Dollar anwachsen. Verglichen mit Glühlampen benötigen LEDs nur etwa 20 Prozent der elektrischen Energie, um die gleiche Leuchtstärke in Lumen zu generieren. Tabelle 1 zeigt etliche weitere Vorteile; außerdem erlauben LEDs sehr flache neue Lampenformen.

Tabelle 1: Vergleich von LEDs, CFL- und Glühlampen.

Tabelle 1: Vergleich von LEDs, CFL- und Glühlampen.Linear Technology

Die Einsatzgebiete dieser neuen LED-Beleuchtungsapplikationen reichen von in normale Fassungen einschraubbaren 4-W-Lampen für den Ersatz von Glühlampen über 100-W-Lampen für die Straßenbeleuchtung bis hin zu kommerziellen hoch angebrachten Beleuchtungen, wie Flutlicht, die Hunderte an Watt erfordern. Die meisten dieser LED-Beleuchtungen müssen an bestehenden Netzstromquellen (offline) arbeiten, üblicherweise zwischen 90 VAC und 265 VAC.

LEDs wirksam am Stromnetz zu betreiben, stellt einige Designherausforderungen für die Treiber-ICs. Die LED-Treiberbausteine müssen nicht nur einen maximalen Wirkungsgrad bieten, um Energieeinsparungen zu realisieren, sondern sie müssen aus Sicherheitsgründen auch eine elektrische Isolation aufweisen sowie eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und geringe harmonische Verzerrungen (Klirrfaktor). Außerdem müssen sie in vielen Anwendungen in Wohnräumen mit bereits vorhandenen Triac-Dimmern dimmbar sein. Und schließlich muss der Raumbedarf der gesamten Lösung sehr kompakt sein, um in die bestehenden Fassungen zu passen. Bei all den Herausforderungen muss das Produkt preiswert bleiben, damit sowohl kommerzielle als auch private Nutzer einen Übergang erwägen. LED-Treiber-ICs, die alle diese Anforderungen erfüllen können, sind deshalb extrem wichtig für den verstärkten Einsatz von LED-Beleuchtungen.

LEDs in Betrieben und Privatwohnung

In den vergangenen Jahren waren LEDs zur Bildschirm-Hinterleuchtung die Wachstumstreiber. Jetzt kommen allgemeine LED-Beleuchtungsanwendungen in kommerziellen Märkten sowie im Heimbereich hinzu. Das Marktforschungsunternehmen LED inside berichtet: „2010 sahen wir das phänomenale Wachstum in den leuchtstarken LED-Beleuchtungssystemen für den kommerziellen Einsatz begründet. Der Einsatz von LED-Beleuchtungen ist für die meisten Konsumenten aber immer noch zu teuer, um sie in ihren Wohnungen einzusetzen. Unterstützt von ihren langfristigen Vorteilen, Energieeinsparung und Umweltfreundlichkeit und von relevanten Steuerersparnissen, wird es eine deutliche Steigerung im kommerziellen Bereich geben, etwa auf Parkplätzen, in Büroräumen, Fabriken und Kaufhäusern. LED-Lampen können nicht nur Hochdruck-Natriumdampflampen, Halogenlampen und Glühlampen ersetzen, sondern in einigen Bereichen auch CFLs und Neonröhren.“ LED inside erklärt weiterhin: „2012 wird das Schlüsseljahr für den Einsatz von LEDs im Haushalt sein. Die Marktdurchdringung von LED-Lichtquellen wurde in 2010 auf 3,7 Prozent und die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate zwischen 2009 und 2013 wird auf 32 Prozent geschätzt.“

Kommerzielle Anwender setzen viel schneller auf LEDs, da die Beleuchtung in betrieblichen Gebäuden zwischen 25 und 40 Prozent der gesamten benötigten Energiemenge beträgt. Einsparungen beim Licht zahlen sich schnell wieder aus. Zweitens reduziert die lange Lebensdauer der LED-Leuchten die Kosten für den Austausch der Lampen drastisch. Dieses Austauschen kostet nicht nur den Preis für die Lampe selbst, sondern auch Arbeitskosten. In manchen Applikationen, etwa Beleuchtung mit sehr hoch angebrachten Lampen (high bay lighting), sind die Arbeitskosten enorm. Der allgemeine Einsatz von LEDs im Haushalt ist hingegen noch zu teuer. Da in den nächsten Jahren jedoch die Preise für LEDs sinken werden, wird auch der Markt für LEDs in häuslichen Anwendungen wachsen. Die meisten Analysten erwarten, dass dieses Marktsegment in 2011 noch moderat zunehmen wird, dieses Wachstum wird sich jedoch ab 2012 deutlich beschleunigen.

LED-Berechnungen

Eine 60-W-Glühlampe liefert ungefähr 800 Lumen, was ungefähr 13,3 Lumen/Watt entspricht (lm/W). Die derzeitige Leuchtstärke für handelsübliche Produkte reicht von 50 lm/W bis 170 lm/W und wird künftig von 200 lm/W bis 230 lm/W reichen. Die maximale theoretische Leuchtstärke beträgt zirka 250 lm/W.

Um eine LED mit 100 lm/W ebenfalls mit 800 Lumen strahlen zu lassen, ist für die LED selbst eine Leistung von 800 lm/100 lm/W = 8 W nötig. Der Wirkungsgrad von der AC/DC-LED-Treiberelektronik beträgt typischerweise 85 Prozent für einen Hochleistungs-LED-Treiber. Deshalb steigt die insgesamt erforderliche Netzleistung auf 8 W/0,85 = 9,4 W, die Energieeinsparung gegenüber einer Glühlampe beträgt also 84 Prozent. Mit einem konservativeren Wert von 65 lm/W bleibt immer noch eine Netto-Energieeinsparung von 75 Prozent. Bei künftigen LEDs mit 200 lm/W springt die Energieeinsparung auf 92 Prozent. Um die Anforderungen an die derzeitigen Energy-Star-Umweltforderungen zu erfüllen, genügen 75 Prozent Energieeinsparung im Vergleich zu Standard-Glühlampen.

LEDs an Netzstromversorgungen betreiben

LEDs an einer Netzstromversorgung zu betreiben, stellt hohe Anforderungen an die Treiber-ICs. Da LEDs eine gut geregelte Konstantstromquelle benötigen, um eine konstante Leuchtstärke zu liefern, erfordert ihr Betrieb an der Netzwechselspannung einige spezielle Techniken mit besonders anspruchsvollen Designbedürfnissen. Abhängig davon, wo man sich auf der Welt befindet, wird die Netzspannung zwischen 90 VAC und 265 VAC mit Frequenzen zischen 50 Hz und 60 Hz variieren. Eine LED-Lampe für einen globalen Markt sollte idealerweise ein Schaltungsdesign aufweisen, mit dem sie sich ohne Modifikationen überall auf der Weltt einsetzen lässt. Der LED-Treiber-IC muss dazu einen großen Bereich an Eingangsspannungen und Netzfrequenzen handhaben.

Weiterhin erfordern viele Netz-LED-Applikationen eine elektrische Isolierung der LED von der Treiberschaltung. Verschiedene Regulierungsbehörden fordern dies aus Sicherheitsgründen. Die galvanische Trennung wird allgemein von einer isolierten Flyback-LED-Treiber-Topologie geboten, die einen Trafo nutzt, um die Primär- und Sekundärbereiche der Treiberschaltung voneinander zu trennen.

Trotz alledem soll der LED-Treiber-IC den höchst möglichen Wirkungsgrad besitzen, mindestens 80 Prozent. Außerdem muss der LED-Treiber effektiv mit Triac-Dimmern zusammen arbeiten. Diese Dimmer arbeiten einwandfrei mit Glühlampen und Halogenlampen, die beides ideale Widerstandslasten sind. Die LED-Treiberschaltung ist jedoch nichtlinear und damit keine reine Widerstandslast. Ihr Eingangsbrückengleichrichter zieht üblicherweise Stromspitzen hoher Intensität, wenn die Eingangswechselspannung an ihren jeweiligen positiven und negativen Maxima ist. Deshalb muss die LED-Treiberschaltung eine reine Widerstandslast nachahmen und sicherstellen, dass die LED trotz Triac-Dimmung ohne erkennbares Flackern startet und leuchtet.

Ohne PFC geht nichts

Die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist ebenfalls eine wichtige Spezifikation für die LED-Beleuchtung. Einfach gesagt, ein Leistungskorrekturfaktor von 1 ist erreicht, wenn der gezogene Strom proportional und in Phase mit der Eingangsspannung ist. Weil eine Glühlampe eine perfekte Widerstandslast ist, bleiben der Eingangsstrom und die Spannung in Phase und die PFC beträgt 1.

Die PFC ist besonders wichtig, da sie sich auf die Menge des elektrischen Stroms bezieht, die vom lokalen Stromlieferanten bezogen wird. In einem elektrischen Stromversorgungssystem zieht für dieselbe Menge nutzbarer Energie eine Last mit einem kleineren Leistungsfaktor mehr Strom als eine Last mit einem hohen Leistungsfaktor. Die höheren erforderlichen Ströme steigern den Energieverlust im Verteilungssystem, was wiederum größere Leistungen und zusätzliches Übertragungsequipment erforderlich macht. Wegen der Kosten für Equipment und verschwendeter Energie berechnen die Versorgungsunternehmen höhere Preise für industrielle und kommerzielle Nutzer, dort wo ein kleiner Leistungsfaktor vorhanden ist. Internationale Standards werden immer noch für LED-Applikationen entwickelt, aber die meisten Experten glauben, dass ein PFC > 0,90 für LED-Anwendungen erforderlich ist.

Auf einen Blick

LEDs sind auf dem Vormarsch, zum Beispiel als Retrofit-Lösung. Doch bis eine LED-Lampe in die Fassung einer herkömmlichen Glühbirne passt, sich ohne Flackern vom Triac dimmen lässt, das Netz nicht stört, viel länger hält und deutlich weniger Energie braucht als das Original, müssen die Entwickler eine Menge Hürden nehmen. Trotzdem darf die Lösung nicht teuer sein. Eine entscheidende Komponente hierfür ist der LED-Treiber. Mit dem LT3799 hat Linear Technology einen passenden Baustein entwickelt.

Weil eine LED-Treiberschaltung, die ein Array an Dioden, Trafos und Kondensatoren enthält, nicht wie eine reine Widerstandslast arbeitet, kann sie einen PFC bis hinunter zu nur 0,5 aufweisen. Um den PFC auf über 0,9 zu steigern, muss entweder eine aktive oder passive PFC-Schaltung in die LED-Treiberschaltung integriert werden. Eine hohe PFC ist besonders wichtig für Anwendungen, in denen mehrere hundert 50-W-LED-Lampen benutzt werden. Hier ist ein LED-Treiberdesign mit einem hohen PFC (> 0,95) besonders vorteilhaft.

Zusätzlich zu einem hohen PFC ist es auch wichtig, dass der Klirrfaktor in LED-Beleuchtungen minimiert wird. Die International Electrotechnical Commision hat dazu die Spezifikation IEC 61000-3-2, Class C für den Klirrfaktor von Beleuchtungsausrüstungen definiert, um sicher zu stellen, dass neue LED-Beleuchtungen diese Anforderungen auch erfüllen.

Nur nicht flackern

Nur mit einer akkuraten LED-Stromregelung über einen weiten Bereich von Leitungsspannungen, Ausgangsspannung und Temperatur bleiben die Variationen der LED-Helligkeit unbemerkbar für das menschliche Auge. Um die längste Betriebszeit zu erzielen, darf man die LED nicht mit einem Strom über ihren maximalen Werten betreiben. Die LED-Stromregelung in isolierten Flyback-Applikationen ist nicht immer gut geeignet und erfordert einen Optokoppler, um die benötigte Rückkoppelschleife zu komplettieren, oder man fügt eine zusätzliche Wandlungsstufe hinzu. Beide Methoden steigern jedoch die Komplexität und verringern die Zuverlässigkeit des Designs. Glücklicherweise enthalten einige LED-Treiberdesigns neue Designtechniken, die eine exakte LED-Stromregelung auch ohne diese zusätzlichen Komponenten ermöglichen.

Bild 1: Isolierte Flyback-LED-Controllerschaltung mit universellem Eingang, PFC und Triac-Dimmung unter Verwendung des LT3799.

Bild 1: Isolierte Flyback-LED-Controllerschaltung mit universellem Eingang, PFC und Triac-Dimmung unter Verwendung des LT3799.Linear Technology

Neben den Kosten und der Energieeffizienz sind auch die Ausmaße der LED-Beleuchtung entscheidend. Bei direkt in bestehende Fassungen einschraubbaren Ersatzlampen muss die gesamte Lösung in dieselbe Form und das Volumen der originalen Glühlampe passen. Da LEDs aber einen Kühlkörper und eine Treiberschaltung benötigen, kann das eine Herausforderung darstellen. Um so wichtiger sind hoch integrierte LED-Treiberschaltungen.

Rundum-Lösung von Linear Technology

Der LT3799 von Linear Technology meistert alle genannten Herausforderungen beim Netzbetrieb von LEDs. Der isolierte Flyback-LED-Controller mit aktiver PFC wurde speziell dafür entwickelt, LEDs an einem universellen Eingangsspannungsbereich von 90 VAC bis 265 VAC zu betreiben. Er benutzt einen lückenlosen dreieckförmigen Stromverlauf (critical conduction mode), der die Ausmaße des externen Trafos minimiert. Er eignet sich zum Betreiben vieler LED-Anwendungen, angefangen bei 4 W Leistung bis zu einigen Hundert Watt.

Bild 2: Der Wirkungsgrad des LT3799 über den gesamten universellen Eingangsspannungsbereich.

Bild 2: Der Wirkungsgrad des LT3799 über den gesamten universellen Eingangsspannungsbereich.Linear Technology

Bild 1 zeigt die gesamte Schaltung, die nötig ist, um bis zu 20 W zu treiben. Diese kompakte Schaltung (30 mm mal 75 mm mit einer Höhe von 30 mm) ist Triac-dimmbar und liefert bis zu 1 A LED-Strom aus einem universellen Eingangsspannungsbereich zwischen 90 VAC und 265 VAC bei einem Wirkungsgrad von über 86 Prozent (Bild 2). Mit ein paar kleinen Änderungen der externen Komponenten kann diese Schaltung weiter auf 120-, 240- und selbst 377-VAC-Applikationen oder praktisch jeden anderen üblichen Wechselstromeingang optimiert werden. Der LT3799 nutzt ein einstufiges Design mit der gesamten LED-Treiberschaltung (mit EMI-Filter), das nur 40 externe Komponenten benötigt.

Bild 3: Wellenform von Eingangsspannung und Eingangsstrom beim LT3799 mit aktiver PFC.

Bild 3: Wellenform von Eingangsspannung und Eingangsstrom beim LT3799 mit aktiver PFC.Linear Technology

Der LT3799 hat spezielle interne Schaltungen, die eine aktive PFC von bis zu 0,98 erreicht, womit sehr leicht die Bestimmungen des industriellen U.S. Department of Energy (DOE) erreicht werden und auch die Bestimmungen der IEC 61000-3-2 Class C Lighting Equipment Harmonics (Bild 3).

Zusätzlich bietet der LT3799 eine LED-Stromregelung über Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Temperatur. Bild 4 zeigt, dass der LED-Strom innerhalb +5 % der Regelung bleibt, wenn der Eingang zwischen 90 VAC und 150 VAC variiert, was für die meisten Beleuchtungsanwendungen in den USA erforderlich ist. Anstelle eines Optokopplers hat der LT3799 eine spezielle Strommessschaltung, um einen gut geregelten Strom auf der Sekundärseite zu liefern. Dies reduziert nicht nur Kosten, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit.

Bild 4: Die LED-Stromregelung des LT3799, aufgetragen gegen den Eingangsstrom (AC).

Bild 4: Die LED-Stromregelung des LT3799, aufgetragen gegen den Eingangsstrom (AC).Linear Technology

Beim Betrieb an Standard-Triac-Dimmern ist keinerlei Flackern erkennbar. Integrierte Schutzfunktionen bei unterbrochenen oder kurzgeschlossenen LEDs sichern eine langfristige Zuverlässigkeit für eine Vielzahl von LED-Applikationen. Schließlich bietet das thermisch verbesserte MSOP-16-Gehäuse eine sehr kompakte LED-Treiberschaltung.

Revolutionshelfer

Der immer stärkere Einsatz von allgemeinen LED-Beleuchtungsapplikationen am Netz geht einher mit Forderungen nach höherer Leistung und besserem Kosten/Nutzenverhältnis. Um diese zu erfüllen, sind neue LED-Treiberschaltungen nötig. Die brauchen eine galvanische Trennung, einen hohen Wirkungsgrad, PFC und die Fähigkeit des Triac-Dimmens. Zusätzlich müssen sie einen gut geregelten LED-Strom generieren, um eine gleichmäßige Helligkeit zu gewährleisten, unabhängig von Änderungen der Eingangsspannung oder der LED-Vorwärtsspannung. Vielfältige Schutzfunktionen steigern zudem die Systemzuverlässigkeit. Diese LED-Treiberschaltungen müssen auch noch eine sehr kompakte und kostengünstige Lösung ergeben. Der LT3799 ist genau für diese Situation entwickelt worden.