In einer T8-Röhre oder in einer schlanken Glühlampe ist Platz ein kritischer Faktor, denn in einer solchen Anwendung stoßen sowohl die Zahl als auch die Größe der Bauelemente an enge Grenzen. Der Mangel an Fläche erschwert auch die Wärmeabfuhr, und der enge thermische Kontakt der LED mit ihrer Stromversorgung macht die Sache noch schlimmer. LED-Spannungswandler müssen hier mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, um Überhitzung und daraus resultierende thermische Ausfälle zu vermeiden.

Strenge Bestimmungen

Der LED-Spannungswandler soll einen stabilen Ausgangsstrom liefern aber auch netzseitig die strengen Bestimmungen zum Leistungsfaktor und zu den Oberwellenverzerrungen einhalten. Viele LED-Wandler arbeiten daher zweistufig. In der ersten Stufe befindet sich ein Aufwärtswandler mit Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) dem ein Konstantstromwandler nachgeschaltet ist, oft ein Sperrwandler. Der Aufwärtswandler erreicht einen maximalen Wirkungsgrad von vielleicht 95, der Konstantstromwandler etwa 90 Prozent, daraus errechnet sich ein Gesamtwirkungsgrad von 85 Prozent.

Bild 1: Einstufiger leistungsfaktorkorrigierter Konstantstrom-LED-Spannungswandler.

Bild 1: Einstufiger leistungsfaktorkorrigierter Konstantstrom-LED-Spannungswandler.Power Integrations

Für dieses Design benötigt der Entwickler eine Induktivität, zwei Leistungsschalter und zwei Controller – also eine Menge Bauteile, die in ein winziges Lampengehäuse passen müssen. Sowohl die PFC als auch der Sperrwandler arbeiten ähnlich, sie schalten den Strom an und aus und formen so Eingangs- und Ausgangsstrom. Wären beide Funktionen in einer Stufe kombiniert, dann wären weniger Bauteile notwendig; außerdem ließe sich mit einer Treiberstufe und einer Schaltstufe ein höherer Wirkungsgrad erzielen.

Bei der Schaltung in Bild 2 handelt es sich um einen einstufigen leistungsfaktorkorrigierten Konstantstromwandler, der mit dem Link-Switch-PH-IC von Power Integrations arbeitet. Der monolithische IC enthält ein 725-V-Leistungs-MOSFET mit Steuer- und Schutzschaltung.

PFC und Konstantstrom im Griff

Die Steuerschaltung verbindet eine Technik zur PFC mit einer primärseitig geregelten, ständig leitenden Leistungsstufe mit Pulsbreitenmodulation (PWM). Dieser Schaltungsansatz ist in einem IC umgesetzt, das einen Leistungs-MOSFET und die Steuerschaltung enthält. Damit lässt sich die benötigte Bauteileanzahl für den Spannungswandler verringern.

Bild 2: Einstufiger leistungsfaktorkorrigierter Konstantstromwandler mit Link-Switch-PH.

Bild 2: Einstufiger leistungsfaktorkorrigierter Konstantstromwandler mit Link-Switch-PH.Power Integrations

Mit dem Link-Switch-PH und der Schaltung in Bild 2 lässt sich bei einem Spannungswandler für eine 15-W-LED (ihre Helligkeit entspricht der einer 60-W-Glühlampe) ein Wirkungsgrad von 90 Prozent erzielen – und das mit weniger Bauteilen, als bei einer zweistufigen Schaltung. Weil der Leistungsschalter den Eingangsstrom direkt formt, ist kein Ladekondensator im Eingang mehr nötig. Der Spannungswandler braucht keine Ladeelkos, die in der relativ warmen Umgebung von LED-Lampen eine kurze Lebensdauer hätten. Bei zweistufigen Wandlern kann das zu Problemen führen.

Niedrige Kosten anstreben

Galvanisch getrennte Sperrwandler funktionieren gut, stoßen aber bei ihrem Wirkungsgrad, ihrer Baugröße und ihren Kosten schnell an ihre Grenzen. Die Schaltverluste im Transformator kosten Wirkungsgrad, und die zur Isolation nötigen Sicherheitsabstände können in einem 8-W-Wandler 15 Prozent der Leiterplattenfläche beanspruchen. Der Transformator kostet relativ viel, da die Ansprüche an die galvanische Trennung hoch sind. Daraus resultiert eine kostenintensive Konstruktion.

Auf einen Blick

Wenn eingeschränkte Fläche und hoher Wirkungsgrad Auswahlkriterien darstellen, müssen intelligente Schaltungen her. Im einstufigen leistungsfaktorkorrigierten Konstantstromwandler eignen sich die Link-Switch-PH- oder die Link-Switch-PL-IC-Familie für Anwendungen, in denen LED-Lampen eine effiziente Beleuchtung realisieren sollen.

Einfacher und eventuell günstiger ist es (für Leistungen bis zu 30 W), den Spannungswandler nicht galvanisch vom Netz zu trennen und anstatt dessen die Lampenhülle als Isolierung auszuführen. Das erlaubt den Einsatz von einfachen und effizienten Abwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Wandlern, die keine Transformatorverluste haben. Sie arbeiten mit kostengünstigen Induktivitäten. Die Link-Switch-PH- oder die Link-Switch-PL-ICs lassen sich auch als effiziente Abwärtswandler für niedrige Ausgangsspannungen konfigurieren. Sie arbeiten mit hohem Leistungsfaktor und geringen Oberwellenverzerrungen. Mit solchen Schaltungen kann man die Kostenvorteile einer hohen Integration und einer einfachen technischen Konstruktion des Abwärtswandlers realisieren.

Der Ansatz eignet sich für viele Designs, speziell bei Betrieb an Netzen im hohen Spannungsbereich zwischen 176 und 264 VAC. Der optimale Wirkungsgrad entsteht durch eine möglichst hohe Spannung an der LED-Kette. Das gilt in Netzen mit niedriger Spannung (90 bis 132 VAC). Hier zeigen Abwärtswandler eine typische Schwäche: Ist die Ausgangsspannnung für die LEDs zu hoch, überschreiten Abwärtswandler bei den Oberwellenverzerrungen das in EN-61000-3-2 (C/D) erlaubte Maß oder erreichen eine typische Grenze von 20 Prozent.

Niedrige Verzerrungswerte lassen sich erreichen, indem der erzeugte Stromverlauf möglichst dem sinusförmigen Verlauf der Spannung entspricht. Abwärtswandler lassen nur Strom zum Ausgang durch, wenn die Eingangsspannung (gleichgerichteter Sinus) höher ist als die Ausgangsspannnung. Deshalb kann in einem Teil jeder Halbwelle, wenn die Spannung von Null ansteigt oder auf Null abfällt, keine PFC erfolgen und die Oberwellenverzerrungen nehmen ab. Bei hohen Ausgangsspannungen (etwa größer als 35 VAC in Netzen mit niedriger Netzspannung) ist der Leitwinkel so klein, dass der Wandler keine Stromkurve erzeugen kann, die die Grenzen der EN-61000-3-2 C/D bezüglich der Oberwellen einhält.

Zwei Beispiele mit einem Ansatz

Bei LED-Treibern ohne galvanische Trennung kommen in Anwendungen, bei denen es auf hohen Wirkungsgrad ankommt, Abwärts-Aufwärtswandler zum Einsatz. Bei diesem Design bezieht das Gerät unabhängig von der Ausgangsspannnung ständig Leistung aus seinem Netzeingang.

Bild 3: Schaltplan eines 25-W-Abwärts-Aufwärts-Schaltwandlers für LEDs mit LNK-409-EG.

Bild 3: Schaltplan eines 25-W-Abwärts-Aufwärts-Schaltwandlers für LEDs mit LNK-409-EG.Power Integrations

Daher kann der Eingangsstrom sinusförmig sein. Zwei Beispiele verdeutlichen die Wirksamkeit des Ansatzes: Die erste Variante ist ein schmales Netzteil, das in eine T8-Röhre passen soll. Die Schaltung kann LEDs mit 100 V betreiben und erzielt einen Wirkungsgrad von 91 Prozent bei einem Leistungsfaktor über 0,9 und Oberwellenverzerrungen von unter 25 Prozent. Der galvanisch nicht getrennte 25-W-LED-Spannungswandler mit PFC (Bild 3), der nach dem Abwärts-Aufwärts-Prinzip arbeitet, liefert bei einer Eingangsspannung von 180 bis 265 VAC einen konstanten Ausgangsstrom von 100 mA bei nominellen 100 V. Die Leiterplatte des Designs (Bild 4 und Bild 5) hat kompakte Abmessungen von 19,5 mm (Breite) und 10 mm (Höhe).

Bild 4: Die Bauteile auf der Leiterplatte.

Bild 4: Die Bauteile auf der Leiterplatte.Power Integrations

Der Abwärts-Aufwärts-Wandler besteht aus U1, der Ausgangsdiode D6, den Ausgangskondensatoren C5 und C7 und den Ausgangsinduktivitäten T1 und T2, die aus Platzgründen als getrennte Spulen realisiert sind. T1 und T2 bilden die erforderliche Abwärts-Aufwärts-Induktivität; die Bias-Wicklung von T1 liefert U1 die Versorgung sowie die Rückkopplung für das Abschalten bei Last- und Überspannung.

Ohne Stromsensor

Bild 5: Der LED-Spannungswandler ist in eine T8-Röhre montiert.

Bild 5: Der LED-Spannungswandler ist in eine T8-Röhre montiert.Power Integrations

Der Link-Switch-PH-IC liefert einen genauen, konstanten Ausgangsstrom und benötigt dafür keinen Stromsensor wie einen Widerstand in Serie mit Last. R7 bis R10, Q1, C6 und D5 bilden den Spannung-Strom-Wandler, der einen zur Ausgangsspannung proportionalen Steuerstrom an den Feedback-Pin (FP) liefert. Die Diode D1 und C3 detektieren den Spitzenwert der Eingangswechselspannung. Die Spannung über C3 zusammen mit R3 und R4 geben den Eingangsstrom vor, den man in den Voltage-Monitor-Pin (V) speist. Den Strom nutzt U1, um Netzunter-und Netzüberspannung sowie den Vorwärtsstrom zu erkennen.

Die interne Steuerlogik des Link-Switch-PH-ICs liefert mit den Strömen am Feedback- und am Voltage-Monitor-Pin und dem Laststrom als Steuervariablen bei konstanter Eingangsspannung einen konstanten Ausgangsstrom über einen Bereich der LED-Ausgangsspannung im Verhältnis von 1,5:1 (Änderung der LED-Spannung um +/-25 Prozent). Die Konstantstrom-Steuerlogik korrigiert Abweichungen der Induktivitäten wie Änderungen von Ein- oder Ausgangsspannung. Die PFC im Dauerleitmodus des Link-Switch-PH zusammen mit dem Frequenzjitter sorgt für geringe Störspannung / Störstrahlung; der EMI-Filter ist daher einfach ausgeführt und so klein, dass er in das T8-Röhrengehäuse passt.

Kerzenlampen zum Leuchten bringen

Bild 6: 4,5-W-Abwärts-Aufwärts-Wandler mit LNK-458-KG.

Bild 6: 4,5-W-Abwärts-Aufwärts-Wandler mit LNK-458-KG.Power Integrations

Der zweite Ansatz fokussierte sich auf den Einsatz einer minimalen Anzahl an Bauteilen. Dabei zählten hoher Wirkungsgrad und eine geringe Baugröße, damit der Spannungswandler in die Kerzen- und B10-Lampen passt.

Der leistungsfaktorkorrigierte LED-Spannungswandler mit 4,5 W Leistung (Bild 6), (einem Abwärts-Aufwärtswandler ohne galvanische Trennung) nutzt den Link-Switch-PL-LNK-458-KG(4). Der Link-Switch-PL(5)- ähnelt dem Link-Switch-PH-IC, aber er eignet sich für Anwendungen niedriger Leistung (bis 16 W) ohne galvanische Trennung; sein Gehäuse hat vier Anschlüsse. Der Steueralgorithmus arbeitet mit direkter Erfassung des LED-Stroms und lässt sich mit minimaler äußerer Beschaltung flackerfrei über Triac dimmen. Die Schaltung (Bild 6) liefert aus einer Eingangsspannung von 85 bis 135 VAC einen Konstantstrom von 90 mA bei 42 bis 56 V. Trotz der geringen Bauelementeanzahl erreicht der Spannungswandler einen Wirkungsgrad, der über 86 Prozent liegt, einen Leistungsfaktor von über 0,95 und Oberwellenverzerrungen von unter 15 Prozent bei 115 VAC.

Optionen beim Design

Bild 7: Die bestückte Leiterplatte ist 16 mm breit und 28 mm lang.

Bild 7: Die bestückte Leiterplatte ist 16 mm breit und 28 mm lang.Power Integrations

Das Design hat Power Integration angepasst, um die Zahl der Bauteile gering zu halten und den Wirkungsgrad zu maximieren. Der Entwurf richtet sich an Anwendungen mit Netzspannungsbereich von 85 bis 135 VAC, 47 bis 63 Hz. Im Einsatz ist der Spannungswandler mit den LEDs in einem isolierten Gehäuse untergebracht. Der Ausgang ist galvanisch nicht vom Netz getrennt; daher ist ein isolierendes Gehäuse wichtig, um den Anwender zu schützen. Sollte der LED-Ausgang durch einen Defekt offen sein (also unbelastet), fährt der Spannungswandler zum Vermeiden von Überspannung am Ausgang herunter. Am Eingang der Schaltung sorgt ein 2-Pi-Filter für die Störspannungsunterdrückung. Es besteht aus den Kondensatoren C1, C2 und C3 sowie den Induktivitäten L1 und L2. Das Eingangsfilter und die Frequenzjitterfunktion des Link-Switch-PL sorgen dafür, dass die Schaltung bei der Abstrahlung die Emissionsgrenzwerte (Class B) einhält. Die begrenzte Gesamtkapazität erhöht den Leistungsfaktor.

Der Abwärts-Aufwärtswandler besteht aus U1 (Leistungsschalter und Steuerung), D2 (Freilaufdiode), C7 (Ausgangskondensator) und L3 (Induktivität). Die Diode D1 verhindert, dass sich eine negative Spannung über der Drain-Source-Strecke von U1 aufbaut, speziell in der Nähe des Nulldurchgangs der Eingangsspannung. Der Nebenschlusskondensator C4 versorgt den IC, wenn der Leistungs-MOSFET eingeschaltet ist. Die Rückkopplung des Ausgangsstroms wird als Spannungsabfall über R3 abgenommen und über einen Tiefpass (R4 und C5) geführt, um den Arbeitspunkt des Link-Switch-PL so zu halten, dass die Spannung am Feedback-Pin im eingeschwungenen Zustand durchschnittlich 290 mV beträgt. Der Arbeitspunkt beim Ausgangsstrom lässt sich durch schlichtes Anpassen der Widerstandswerte von R3 und R5 einstellen. Indem man R3 auf 12,7 Ohm und R5 auf 13 Ohm ändert, liefert die Schaltung 45 mA bei 96 V Nominalspannung.

Literatur

  • IEC-61000-3-2 Class C Harmonics
  • LNK-403-409-EG/413-419-EG Link-Switch-PH Family LED Driver IC, Single-Stage PFC, Primary-Side Constant Current Control and Triac Dimming / Non-Dimming Device Options
  • DER-278 No Electrolytic Capacitor, High Efficiency (≤90 Prozent), High Power Factor (>0,9) 15 W LED Driver Using Link-Switch-PH-LNK-407-EG. www.powerint.com April 2011
  • DER-297 4,5 W Power Factor Corrected LED Driver (Non-Isolated Buck Boost) Using Link-Switch-PL-LNK-458-KG www.powerint.com Oktober 2011