So einfach es scheint, so komplex ist sie dann doch: Die Suche nach dem besten LED-Netzteil für ein bestehendes oder neues Leuchtendesign.

Die erste Entscheidung: Konstantstrom oder Konstantspannung?

Eckdaten

In diesem Beitrag werden die wichtigsten Kriterien bei der Auswahl des passenden LED-Netzteils für eine Leuchte behandelt. Ein Schwerpunkt wird dabei auf die Auslegung des korrekten Ausgangsspannungsbereiches bei Constant-Current-Treibern gelegt. Aufgrund der technischen Entwicklung werden die Vorzüge neuer Constant-Power-Netzteile im Vergleich zu den bisherigen Constant-Current-Treibern ausgearbeitet.

Wenn auf der LED-Platine etwa Widerstände oder LED-Treiberbausteine den Strom begrenzen (Bild 1), ist ein Netzteil mit Konstant-Spannungsausgang (Constant Voltage / CV) notwendig. Soll die Anwendung zudem noch dimmbar sein, kommen Netzteile mit einem PWM-Ausgang ins Spiel. Bei einem PWM-Netzteil wird die Konstantspannung sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Je nach Ein-/Aus-Verhältnis entsteht in unserem Auge eine hellere oder dunklere Beleuchtung. Bei der Auswahl der PWM-Frequenz sollten Entwickler darauf achten, dass sie das Auge sowie das Körperempfinden nicht zu sehr stört. Auch auf die Wechselbeziehung mit Fotokameras ist zu achten. Mean Well bietet die PMW Serie mit einer ausreichend hohen Schaltfrequenz von 1,47 kHz an.
Damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Leuchte erreicht wird, greift der Hersteller heute in der Regel zu hochwertigen Konstantstrom-Netzteilen. Der Leistungsverlust aufgrund der Widerstandslast als Strombegrenzung entfällt somit. Das Netzteil regelt den Konstantstrom.

LED-Treiberspannungsbereich bestimmen

Die Auswahl eines LED-Treibers mit einem geeigneten Spannungsbetriebsbereich (Konstantstrombereich) mag recht einfach aussehen, es gibt jedoch einige Punkte, die berücksichtigt werden müssen. Gerade bei dieser Auswahl unterlaufen sehr oft noch Fehler.

Was es zu beachten gilt:

  • LED-Durchlassspannungen sind von Chip zu Chip unterschiedlich.
  • Die LED-Spannung ändert sich, wenn die Sperrschichttemperatur steigt oder fällt. Da eine korrekte Funktion des Treibers für die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Leuchte von entscheidender Bedeutung ist, lohnt es sich, die Details von Faktoren, die die LED-Spannung beeinflussen, genauer zu untersuchen.

LED-Durchlassspannungen

Schaltdiagramm für LED-Netzteile

Bild 1: Schaltdiagramm für LED-Netzteile von Mean Well. Mean Well

Um das Ziel der optischen Anforderungen zu erreichen, müssen Entwickler zunächst Art und Menge der LED sowie deren Ansteuerstrom festlegen. Es ergibt sich eine bestimmte Anzahl von LEDs und die erste Schätzung der LED-Arbeitsspannung lässt sich dann vornehmen. Die erfolgt durch das Multiplizieren der Anzahl der LEDs in einem String mit der typischen Durchlassspannung (Vforward) dieser LED (Formel 1):

Vforward_total = Vforward × Num / String

Um den genauen Bereich festlegen zu können, müssen Entwickler noch die folgenden Punkte berücksichtigen:

1) V-I-Charakteristik

2) Produktionsschwankungen

3) Temperaturkoeffizienten

LED-V/I-Eigenschaften

Bild 2: Beispielhafter Spannungsverlauf von Treibern in LED-Anwendungen.

Bild 2: Beispielhafter Spannungsverlauf von Treibern in LED-Anwendungen. Emtron

Bei einer idealen LED ändert sich die Durchlassspannung nicht, wenn der Strom ansteigt. In der Realität allerdings ändert sich die Durchlassspannung mit dem Strom, und es ist wichtig, die LED-Spannung basierend auf dem tatsächlich vom Entwickler festgelegten Strom zu überprüfen, anstatt sich auf die Standardtestbedingung aus dem Datenblatt zu beziehen.

Im folgenden Beispiel (Bild 2) beträgt die typische Spannung der LED 3,2 V. Wenn die LED nicht bei 350 mA, sondern bei 1 A verwendet wird, beträgt die tatsächliche typische LED-Spannung anstelle von 3,2 V nun 3,8 V. Dieser Unterschied von 0,6 V kann bei der Reihenschaltung vieler LEDs zu einem ganz anderen Ergebnis führen. Darüber hinaus kann sich die Situation noch verschlechtern, wenn der LED-Treiber einen hohen Welligkeitsstrom aufweist, der zu einem Spitzenstrom von mehr als 1 A führen würde und somit die Spitzenspannung von 3,8 V überschreiten würde.

LED-Produktionstoleranz

LED-Durchlassspannungen an jedem LED-Chip variieren aufgrund der Prozessdrift. Dieses Beispiel geht von einer Produktion mit einer engen Toleranz aus, was zu einer Normalverteilung führt. Aufgrund der Spannungstoleranz bei der Produktion ergibt sich ein Unterschied zwischen der typischen Durchlassspannung und der tatsächlich zu erwartenden Durchlassspannung.
Obwohl das absolute Maximum beziehungsweise Minimum statistisch gesehen in der Regel ±10 Prozent beträgt, ist es statistisch gesehen umso wahrscheinlicher, dass sich die kombinierte Durchlassspannung um den typischen Spannungswert einstellt, je mehr LEDs in Reihe geschaltet sind. Hier empfiehlt es sich, einen gewissen Spannungsspielraum zu schaffen. Ein Abstand von 10 Prozent zur typischen Spannung gilt als sicher.

LED-Durchlassspannung in Abhängigkeit von der Temperatur

Bild 3: Temperatur vs. Durchlassspannung – bei steigender Temperatur nimmt die Durchlassspannung  Emtron

Bild 3: Temperatur vs. Durchlassspannung – bei steigender Temperatur nimmt die Durchlassspannung ab. Emtron

Die LED-Durchlassspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Dies bedeutet, je höher die Temperatur ist, desto niedriger ist die Durchlassspannung. Da eine LED ein selbsterhitzendes Element ist und die Leuchte ordnungsgemäß thermisch ausgelegt ist, sind die Dauerarbeitstemperatur und die LED-Betriebsspannung normalerweise recht stabil. Der schlimmste Fall tritt auf, wenn die Leuchte bei niedriger Temperatur eingeschaltet wird.

Um den zusätzlichen Spannungsbedarf bei niedriger Temperatur abzuschätzen, liefert die LED-Spezifikation eine typische V-T-Kurve gemäß der Standardtestbedingungen. Viele Hersteller bieten auch ein Software-Tool zur Überprüfung der Spannung anhand variabler Parameter wie Sperrschichttemperatur (Tj), Ansteuerstrom usw. an.

Es kann einen enormen Unterschied im Spannungsbedarf aufgrund niedriger Temperatur und im Spannungsbedarf aufgrund von Produktionstoleranz oder Stromdifferenz geben. Bei niedriger Temperatur ist der Spannungsbedarf nur vorübergehend, und daher müssen Entwickler diesen erhöhten Spannungswert nicht für einen Dauerbetrieb auslegen.

Auf dem Markt gibt es einige LED-Treiber, die mit einer spannungsadaptiven Funktion ausgestattet sind, um den kurzfristigen Spannungsbedarf zu liefern. Der HLG-480H-C von Mean Well verfügt beispielsweise über diese Funktion, mit der sich der Ausgangsstrom automatisch reduzieren lässt, um eine höhere Ausgangsspannung ausgeben zu können. Die Gesamtausgangsleistung wird dabei nicht überschritten. Wenn Anwender die Leuchte einschalten und sie sich allmählich erwärmt, fällt die Spannung und auch der Strom auf seinen festgelegten Wert zurück. Das LED-Netzteil HLG-480H-C1400, das bei 171 bis 343 V arbeitet, kann vorübergehend 412 V leisten, um Leuchten bei sehr niedriger Temperatur starten zu können.

Beispiel

Bild 4: Auszug aus dem Datenblatt des HLG-480H-C2100.

Bild 4: Auszug aus dem Datenblatt des HLG-480H-C2100. Emtron

Bei einer Leuchte kommen 100 LEDs wie in Bild 3 zum Einsatz. Der Ansteuerstrom beträgt 1,05 A. Insgesamt gibt es 2 Strings mit 50 LEDs. Die niedrigste Betriebstemperatur gemäß Lampenspezifikation soll 0 °C betragen.

Entwickler können den Spannungsbereich selbst ermitteln. Zunächst sollte der Entwickler das LED-Datenblatt überprüfen und dann die folgenden Schritte ausführen:

  • LED-V-I-Kurve: Spannung auf der Kurve entsprechend dem Sollstrom ermitteln. Gemäß Bild 2 beträgt die typische Durchlassspannung der LED bei 1,05 A/3,8 V.
  • Spannung mit der Anzahl der LEDs in einem String multiplizieren: 3,8 (V) × 50 (Stk.) = 190 V.
  • Produktionstoleranz: Verhältnis der maximalen zur typischen Spannung

3,48 (V) / 3,2 (V) = 108,75 %

190 (V) × 108,75% = 206,6 (V)

Fazit:

Bild 5: V-I-Kurve einer LED Emtron

Bild 5: V-I-Kurve einer LED. Emtron

Die typische LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 190V

Worst Case: LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 207 V

  • Temperaturkoeffizienten zur Bewertung der Startspannung im Worst Case berücksichtigen: Die Spannung bei 0 °C beträgt 3,6 V, bei 85 °C 3,2 V (Bild 3).  Angenommen, die LED-Leuchte arbeitet normalerweise bei Tj 85 °C.

3,6 (V, Tj = 0) / 3,2 (V, Tj = 85) = 1,125 <1,2

Beim Kaltstart:

Die typische LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 190 V x 1,2 = 228 V.

Worst Case: die LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 207 V x 1,2 = 248,4 V.

Vorgeschlagenes Modell: HLG-480H-C2100 (Bild 4)

Die LED-Leuchte benötigt typische 190 V und 2,1 A (399 W), im schlimmsten Fall 207 V (435 W). Dies liegt innerhalb der HLG-480H-C2100 Spezifikation. Ferner weist das HLG-480H eine geringe Stromwelligkeit auf, sodass sich der Einfluss der Welligkeit auf die LED-Spannungsänderung ignorieren lässt. Bei kalter Temperatur kann der Spannungsbedarf vorübergehend über 249 V liegen, was nicht im normalen Konstantstrombereich liegt. Diese Situation tritt jedoch selten auf und kann durch die umgebungsadaptive Funktion des HLG-480H-C2100 abgedeckt werden, die maximal 275 V bei einem reduzierten Stromwert liefert.

LED-Netzteil mit Constant Current oder Constant Voltage Design?

Bild 6: I-V Kurve des XLG-75-H

Bild 6: I-V-Kurve des XLG-75-H. Emtron

Aber warum LEDs überhaupt mit Konstantstrom betreiben? Wie in Bild 4 gezeigt, ändert sich der Strom durch die LED entsprechend um 16 Prozent, wenn sich die LED-Durchlassspannung der LED um etwa 2,5 Prozent ändert. Zudem beeinflusst die Sperrschichttemperatur die Durchlassspannung der LED leicht. Die Änderung der hohen und niedrigen Temperatur kann zu einer Spannungsänderung von bis zu 20 Prozent oder mehr führen. Die Helligkeit der LED ist proportional zum Durchlassstrom der LED. Wenn der Strom im großen Maßstab variiert, ändert sich die Helligkeit. Daher muss die Ansteuerung der LED mit einer Konstanstromquelle erfolgen.

Was ist der Vorteil LED-Treiber mit Konstantleistung zu betreiben?

Bei LED-Netzteilen mit Konstantleistung ist ein Microcontroller notwendig, der für die Berechnung zwischen Rückkopplungssignalen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms verantwortlich ist. Die Herstellung eines LED-Treibers mit konstanter Leistung ist preislich und auch designtechnisch aufwendiger.
Die gesamte XLG-Serie ist mit einer Konstantleistungs-Topologie ausgestattet. Ein einziges Netzteil bietet ein sehr breites Spektrum an Ausgangsspannungen und -strömen (Bild 5), wodurch sich die Anzahl der notwendigen Modelle für die Lagerhaltung stark verringert.

Konstantstrom „ELG-75-48“ und Konstantleistung „XLG-75-H“

Die Leistung des Konstantstrom-Netzteils ELG-75-48 liegt bei 48 V / 1,56 A. Wenn eine LED-Spannung viel niedriger als 48 V ist, lässt sich dieser Wert einstellen. Der Ausgangsstrom lässt sich aber nicht über den maximalen Wert erhöhen. Die Folge ist eine Verringerung der Ausgangsleistung in Bezug auf die Nennleistung. Mit dem XLG-75-H mit Konstantleistung lässt sich dieses Problem vermeidet.
Das XLG-75-H liefert die volle Leistung im Spannungsbereich zwischen 36 V und 58 V. Der Anwender stellt den gewünschten Ausgangsstrom ein und kann die volle Ausgangsleistung für seine LED-Leuchte nutzen.

Kühlung und Lebensdauer

Sobald alle elektrischen Werte feststehen, kommt es auf den richtigen Einbauort in der Leuchte an. Die Lebensdauer ist abhängig von der Gehäusetemperatur Tc. Das Netzteil sollte möglichst weit entfernt von der Wärmequelle montiert werden. Je niedriger der Temperaturwert des Tc Punktes ist, desto höher ist die Lebensdauer des Netzteils.

Je nach späterer Einsatzregion sind bei dem Netzteil die nationale Betriebsspannung und Netz-Frequenz sowie die notwendigen Zulassungen zu berücksichtigen. Soll die Leuchte in einem bereits bestehenden System wie DALI oder KNX integriert werden, bietet sich ein LED-Netzteil mit einer DALI oder auch KNX-Schnittstelle an.