Treiberlose Elektronik ersetzt LED-Schaltnetzteile

Vergleich eines herkömmlichen Schaltnetzteils mit dem Strahler, der Ansteuerelektronik integriert hat.Euro Lighting

Power-LEDs haben in den letzten Jahren einen erstaun­lichen Siegeszug als Ersatz für konventionelle Leuchtmittel beispielsweise in Glühbirnen, Halogenbirnen, Hoch- und Niederdrucklampen angetreten. Die Argumente gegen LEDs, dass sie nur kaltes, bläuliches Licht ausstrahlen, sind mittlerweile verstummt und einer sachlichen Diskussion gewichen. Das ist eine erfreuliche Entwicklung, denn die Begründungen waren oft falsch und ließen sich häufig durch Fakten wider­legen.

Heute gibt es Leuchtdioden, die ein sehr warmes Licht ab 2300 K abstrahlen und den weiten Bereich an Farbtemperaturen bis zirka 7000 K abdecken. Steuersysteme wie Dali und KNX ermöglichen sogar die Anpassung an Tageslichtverhältnisse. Die LED-Industrie hat Power-LEDs entwickelt, die in COB-Technik (Chip-on-Board) heute mühelos 20, 40 W und mehr Leistung erbringen. Damit sind fast keine Anwendungen denkbar, für die LEDs nicht geeignet sind.

Diagramm der Spannungs- und Stromsignale.Euro Lighting

Die lange Lebensdauer von 50.000 Stunden und mehr, eine Strom­ersparnis gegenüber konventionellen Leuchtmitteln bis zu 85 Prozent sowie das Fehlen schädlicher Stoffe wie Quecksilber sind nur einige der Vorteile, die für ihre Verwendung sprechen. Ein wunder Punkt sind die Preise, die einem Vergleich mit traditionellen Leuchtmitteln noch nicht standhalten können. Wenn sich Glühbirnen mit 10 W aus europäischer Fertigung unter drei Euro erwerben lassen, stellt das ein gutes Argument für den Einsatz von alten Leuchtelementen dar. Es lässt sich jedoch durch die lange Lebens­dauer von LED-Leuchtmitteln und den damit verbundenen kurzen Amortisationszeiten aufheben.

Der Schaltplan mit IC-EL01.Euro Lighting

Für flimmerfreies Licht

Dass LED-Leuchtmittel generell eine Stromversorgung benötigen, die bei höheren Leistungen zusätzlichen Platz beanspruchen und hohe Kosten verursachen, ist ein extrem störender Nebeneffekt. Schon lange gibt es Versuche hier Abhilfe zu schaffen, beispielsweise durch die Entwicklung von direkt betriebenen Wechselstrom-LEDs. Das Resultat überzeugte aber nicht, da diese LEDs ein Flackerlicht erzeugten und sich damit für den täglichen Gebrauch nicht eignen.

Eine erfolgversprechende Variante stellt Euro-Lighting nun vor. Die treiberlose AC-Technik sichert ein für das menschliche Auge flimmerfreies Licht und ist zudem noch platz- und kostensparend zu integrieren. Mit dem verwendeten IC lässt sich eine quasi treiberlose Schaltung realisieren. Die 230-V-Wechselstrom-Netzspannung wird gleichgerichtet und ohne Glättung einem IC-Direkttreiber zugeführt.

Geöffnete Retrofit mit Blick auf die entwickelte LED-Schaltung.Euro Lighting

Der Treiber taktet mit 100 bis 120 Hz und betreibt mit einem konstanten Strom und einer Spannung von 60 bis 70 VDC die Leuchtdioden. Diese Frequenzen nutzen die Trägheit des Auges aus; am Markt sind heute Fernsehgeräte mit über 200 Hz erhältlich, die flimmerfreies Licht generieren. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass Anwender Leuchtdioden der verschiedenen Hersteller mit Betriebsspannungen zwischen 2 und 70 VDC einsetzen können. Der IC benötigt in seiner Schaltung wenige Bauelemente: einige Widerstände mit 0,5 W, einen Brückengleichrichter, eine Sicherung, einen Varistor und zwei X/Y-Kondensatoren. Dadurch braucht die Schaltung wenig Platz, sodass sie sich zusammen mit den LEDs auf der Leiterplatte anordnen lässt.

Die Retrofit-Lampen mit treiberloser Elektronik sind bereits in E27, E14 und GU10 verfügbar.Euro Lighting

Der Entwickler ist damit nicht auf eine ganz bestimmte LED-Serie angewiesen, sondern kann problemlos die bereits geprüften und freigegebenen Leuchtdioden eines jeden LED-Herstellers nutzen, sofern sie eine Betriebsspannung zwischen 2 und 70 V aufweisen. Da der IC selbst eine Leistung von 2 W hat, lassen sich bei Bedarf an höherer Leistung mehrere ICs parallel schalten.

Höhere Lebensdauer

In konventionell betriebenen LED-Leuchtmitteln sind die Stromversorgungen die eigentlichen Problemkinder. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Bauelementen; dazu zählen Elektrolytkondensatoren, die die Lebensdauer beschränken. Geht man von fünf bis 10.000 Stunden aus, ist die Stromversorgung der eigentliche wunde Punkt jedes LED-Leuchtmittels.

Bei Ausfällen muss der Anwender die defekte Elektronik austauschen oder, wenn es sich etwa um Festeinbauten handelt (etwa in LED-Röhren) ist er gezwungen, das gesamte Leuchtmittel zu wechseln. Das ist schade, denn die Lebensdauer der Leuchtdioden lässt sich mit diesen Einschränkungen nur teilweise ausnutzen. Nach Angaben des Herstellers aus Nagold revolutionieren die ICs und ihre Schaltung die Schaltungstechnik bei Leuchtdioden. Die Lebensdauer des gesamten Leuchtmittels lässt sich so der Lebensdauer der Leuchtdioden anpassen.

Vorteilhaft umgesetzt

Für das flimmerfreie Licht spielt die Trägheit des menschlichen Auges eine große Rolle – ein Beispiel dafür sind alte Filme, die bei entsprechender Geschwindigkeit des Filmvorführens ein flackerloses Bild zeigen. Allerdings muss man hier einräumen, dass die entwickelte IC-Technik einer Betrachtung der Lichtquelle durch eine Kamera nicht standhält, da in dem Falle ein Flimmern sichtbar ist. Dieses altbekannte Problem tritt allerdings auch bei anderen Leuchtmitteln schon lange auf, beispielsweise in Straßenlampen mit HQL-Lampen, die unter Flackern erst langsam ihre volle Leistung erreichten, oder in Leuchtstoffröhren.

Im Prinzip handelt es sich bei dem hier vorgestellten Baustein um eine Phasen-Anschnittsteuerung mit Gleichrichtung. Sie erzeugt aus einer Sinuskurve einen gleichgerichteten, rechteckigen Impuls. Die folgende Liste fasst die Eigenschaften und Vorteile der treiberlosen AC-Technik übersichtlich zusammen:

• Die Kosten der Schaltung liegen unter fünf Euro.
• Die Schaltung enthält keine Elektrolytkondensatoren oder Bauteile wie Induktivitäten, Spulen und Drosseln, sodass sich kein Brummen oder vorzeitiges Ausfallen der Stromversorgung feststellen lässt.
• Eine Leistungsfaktorkorrektur entfällt, da der PFC (Power Factor Correction) mindestens 0,98 beträgt.
• Der Powerfaktor liegt höher als 85 Prozent; der THD-Wert (Total Harmonic Distortion) ist geringer als 16.
• Der Eigenverbrauch der Stromversorgung, der 20 Prozent der aufgenommenen Leistung betragen kann, fällt weg.
• Die Schaltung ist dimmbar.
• In den IC ist ein PTC-Sensor (positiver Temperaturkoeffizient) integriert, der dafür sorgt, dass es zu keinen Überhitzungen des ICs kommt.
• Durch externe Widerstände lässt sich die abgegebene Leistung des ICs den Erfordernissen der gesamten Schaltung anpassen.
• Beim Einschalten entsteht kein hoher Einschaltstrom, folglich auch nicht die damit gefürchteten Spannungsspitzen.
• Die positiven Eigenschaften der LED, wie die volle Abgabe der Leistung beim Einschalten, bleiben erhalten.
• Die mit dem IC realisierten Schaltungen lassen Betriebstemperaturen von -40 bis zirka +85 °C zu.
• Der IC ermöglicht einen stabilen Betrieb auch bei Überspannungen und Übertemperaturen.

Es ergeben sich für den IC vielfältige Möglichkeiten; er eignet sich für den Einsatz in Schaltungen bei LED-Röhren sowie -Leuchtflächen, Deckenstrahlern und Wandlampen. Die AC-ICs sind bereits in mehreren fertigen Produkten integriert. Dazu zählen LED-Röhren bis 1,5 m, LED-Flächenleuchten, Retrofit-Lampen und LED-Deckenstrahler. Zu den Highlights zählen die LED-High-Bay-Leuchten mit 120 W. Das Programm ergänzen Module zum Einbau in Leuchteneinheiten, wo Euro-Lighting auf Platinen mit Leuchtdioden am Rand der Schaltung realisierte.

Die Schaltungen liegen auch bei 30 MHz deutlich unter den gesetzlichen Vorschriften. Die Leuchtflächen mit integrierter Schaltung sind sowohl in beliebigen Formen als auch nach Kundenspezifikation erhältlich.

(rao)