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Linear Technology

Der ständige Preisverfall und die ebenso kontinuierliche Steigerung der Lichtausbeute von LEDs, die mittlerweile nahe am physikalischen Limit von rund 350 lm/W liegt, machen sie zu energiesparenden Alternativen für andere Leuchtmittel. Allerdings stellt der Betrieb von LEDs am Wechselspannungsnetz hohe Anforderungen an den LED-Treiber. So benötigen die LEDs einen begrenzten Gleichstrom, und außerdem sind ein hoher Leistungsfaktor, hoher Wirkungsgrad, galvanische Trennung sowie Dimmbarkeit mit Triacs gefragt. Ein neuer LED-Treiber vereint die dafür notwendigen Funktionen in sich und erlaubt so einen vereinfachten LED-Betrieb direkt am Stromnetz.

Eck-Daten

Der LT3799 ist eine vollständige Offline-LED-Treiberlösung, die Standard-Dimmvorgänge per Triac, eine aktive Leistungsfaktor-Anpassung und einen exakt geregelten LED-Strom ohne Optokoppler bereitstellt. Das IC vereinfacht den Aufbau und verkleinert den Raumbedarf für LED-Treiber-Lösungen, die direkt am Wechselstromnetz betrieben werden können, deutlich.

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Linear Technology

Um die Anforderungen von LED-Beleuchtungen zu erfüllen, die direkt am Wechselstromnetz (offline) betrieben werden können, nutzten LED-Treiber bisher viele diskrete externe Komponenten, was zu komplexen und komplizierten Lösungen führte. Zu diesen Anforderungen zählen ein hoher Leistungsfaktor, ein hoher Wirkungsgrad, galvanische Trennung und Dimmbarkeit mithilfe von Triacs. Der LT3799 von Linear Technology geht diese Aspekte in punkto Komplexität, Raumbedarf und Leistungsfähigkeit an, da er alle erforderlichen Funktionen für die LED-Beleuchtung direkt am Wechselstromnetz in sich vereint.

Bild 1: Mit diesem per Triac dimmbaren 20-W-LED-Treiber, in dem der LT3799 zum Einsatz kommt, ist der Betrieb von LED-Beleuchtungen direkt am normalen Stromnetz möglich.

Bild 1: Mit diesem per Triac dimmbaren 20-W-LED-Treiber, in dem der LT3799 zum Einsatz kommt, ist der Betrieb von LED-Beleuchtungen direkt am normalen Stromnetz möglich. Linear Technology

Der LT3799 steuert einen isolierten Sperrwandler im Boundary-Modus (Critical-Conduction-Mode, CCM), der sich besonders für LED-Anwendungen eignet, die eine LED-Leistung zwischen 4 W und über 100 W erfordern. Seine neuartige Strommessmethode liefert einen exakt geregelten Ausgangsstrom an die Sekundärseite, ohne einen Optokoppler verwenden zu müssen. Seine spezielle Ableitschaltung macht den LED-Treiber ohne zusätzliche Komponenten kompatibel zu Triac-Dimmern. Auch ein Unterbrechungs- und Kurzschlussschutz sind vorhanden.

Betrieb ohne Optokoppler

Bild 1 zeigt eine vollständige LED-Treiberlösung. Der LT3799 misst den Ausgangsstrom über die Signalform des Schaltstroms auf der Primärseite. In einem Sperrwandler, der im Boundary-Modus arbeitet, gilt für den Ausgangsstrom die Gleichung:

IOUT = 0,5 • IPK • N • (1 – D)

IPK ist dabei der Spitzenschaltstrom, N das Wicklungsverhältnis von der Primär- zur Sekundärseite und D der Arbeitstakt. Das IC regelt den Ausgangsstrom, indem es den Spitzenschaltstrom und den Arbeitstakt mit einer neuartigen Rückkopplungsmethode einstellt.

Bild 2: Gate-Signal und VIN des MOSFET zeigen, dass der Leckstrom abgeleitet wird und der LT3799 die Eingangsspannung auf 0 hält.

Bild 2: Gate-Signal und VIN des MOSFET zeigen, dass der Leckstrom abgeleitet wird und der LT3799 die Eingangsspannung auf 0 hält.Linear Technology

Im Gegensatz zu anderen Messmethoden auf der Primärseite, die die Eingangsleistung kennen müssen und Informationen über die Ausgangsspannung benötigen, sorgt diese neue Methode für eine wesentlich bessere Regelung des Ausgangsstroms, da ihre Genauigkeit nur wenig vom Widerstand der Trafowicklungen, dem Schaltwiderstand RDS(ON), der Dioden-Vorwärtsspannung und dem Spannungsabfall an den LED-Leitungen abhängt.

Hoher Leistungsfaktor, wenig Oberwellen

Weil der Netzstrom zwangsweise der angelegten sinusförmigen Spannung folgen muss, erreicht der LT3799 einen Leistungsfaktor von 1 und entspricht der Norm IEC1000-3-2, Klasse C für Harmonische in Beleuchtungseinrichtungen. Einen Leistungsfaktor von 1 erreicht das System, wenn der gezogene Strom proportional zur Eingangsspannung ist. Der LT3799 moduliert den Spitzenschaltstrom mit einem skalierten Wert der Eingangsspannung. Diese Technik erzielt Leistungsfaktoren von 0,97 oder höher. Eine Rückkopplungsschleife mit kleiner Bandbreite regelt den Ausgangsstrom, ohne den Eingangsstrom zu beeinflussen.

Bild 3: Betrieb bei offenem Ausgang (ohne Kurzschluss).

Bild 3: Betrieb bei offenem Ausgang (ohne Kurzschluss).Linear Technology

Kompatibel zu Triac-Dimmer

Selbst im Aus-Zustand ist ein Triac-Dimmer nie ganz ausgeschaltet, weil es einen beträchtlichen Leckstrom gibt, der durch sein internes Filter zum LED-Treiber fließt. Dieser Strom lädt den Eingangskondensator des LED-Treibers auf, was zu zufälligem Schalten und Flackern der LED führt. Frühere Lösungen fügten Ableitschaltungen hinzu, die einen großen und teuren Hochspannungs-MOSFET enthielten. Bei Nutzung des LT3799 sind dieser MOSFET oder andere externe Komponenten nicht mehr erforderlich, weil der LT3799 die Primärwicklung des Trafos und den Hauptschalter als Ableitschaltung nutzt. Gemäß Bild 2 ist das Gate-Signal des MOSFETs auf high und der MOSFET eingeschaltet, wenn der Triac ausgeschaltet ist, was den Leckstrom ableitet und die Eingangsspannung auf 0 V hält. Sobald der Triac einschaltet, wechselt der MOSFET zurück und wird wieder ein normales Leistung lieferndes Bauteil.

Bild 4: Bei einem Kurzschluss am Ausgang geht die Schaltung unmittelbar in den HiCCup-Modus über.

Bild 4: Bei einem Kurzschluss am Ausgang geht die Schaltung unmittelbar in den HiCCup-Modus über.Linear Technology

Unterbrechungs- und Kurzschlussschutz der LED

Die LED-Spannung wird kontinuierlich mit der dritten Wicklung des Trafos überwacht. Die Spannung dieser dritten Wicklung ist proportional zur Ausgangsspannung wenn der Hauptschalter ausgeschaltet ist und die Ausgangsdiode Strom führt. Bei Auftreten einer Überspannung oder bei einer unterbrochenen LED schaltet der Hauptschalter ab, und der Kondensator am CT-Pin entlädt sich. Die Schaltung geht dann in den Hiccup-Modus über (Bild 4).

CRTL-Pins und analoges Dimmen

Der Ausgang des LT3799 lässt sich über mehrere CTRL-Pins einstellen. Der Ausgangsstrom würde beispielsweise einer Steuergleichspannung folgen, die an einen beliebigen CRTL-Pin für das analoge Dimmen angelegt ist. Schutzfunktionen für Übertemperatur und Brown-out sind mit diesen CRTL-Pins ebenfalls direkt implementierbar.