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Eine zweistufige Leistungswandlung ist der gebräuchlichste Ansatz bei Beleuchtungslösungen im mittleren Leistungsbereich. (Bild: ON Semiconductor)

Rund 25 %, der in einem Gebäude verbrauchten Energie geht auf das Konto der Beleuchtung. Glühlampen sind äußerst ineffizient und Strom wird immer teurer. Wir verschwenden also einen erheblichen Teil der weltweiten Ressourcen und zahlen dafür einen hohen Preis. Aus diesem Grund versuchen Behörden die Beleuchtung mit neuen Energieeffizienzvorschriften zu regulieren und den Einsatz neuer Technologien wie LEDs zu forcieren, mit der Möglichkeit, bis zu 40 % der für Beleuchtung verbrauchten Energie einzusparen.

Verstärkte staatliche Regulierung und die Forderung nach effizienteren Beleuchtungslösungen erfordern neue Technologien und erhöhen die Herausforderungen für Entwickler von Beleuchtungstechnik.

Stromverbrauch im Standby-Modus

Organisationen wie Energy Star und die Europäische Kommission konzentrieren sich nicht nur auf die Effizienz elektronischer Geräte (einschließlich Beleuchtung), sondern auch auf ihren Stromverbrauch im Standby-Modus, der im Laufe der Zeit einen bedeutenden Energieverbrauch darstellen kann. Bei intelligenten Beleuchtungslösungen ist die Herausforderung etwas höher. Hier muss die Stromversorgung „eingeschaltet“ bleiben, um auf ein Signal seitens der Steuerung reagieren zu können. Es wird also ständig Strom verbraucht. Derzeit erlauben die Energy-Star-Vorschriften eine Stromaufnahme von 0,5 W im Standby-Betrieb, aber die California Energy Commission (CEC) plant, diesen Wert bis 2019 auf 0,2 W zu reduzieren.

Das Dimmen hat sich seit dem Übergang der Beleuchtung von der Glühlampe auf die LED stark verändert. Einfaches Widerstands- oder Triac-basiertes Dimmen wird durch komplexere Pulsweitenmodulationstechniken (PWM) ersetzt, die einen anderen Ansatz bei der Entwicklung erfordern.

LEDs werden mit einer niedrigen Spannung betrieben – im Gegensatz zu Glühbirnen, die direkt am Stromnetz betrieben werden. Daher ist eine Stromversorgung erforderlich, um den LEDs, abhängig von der Anwendung, entweder eine konstante Spannung (CV) oder einen konstanten Strom (CC) zuzuführen. Die Netzteile haben einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtleistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Beleuchtung und stehen daher genauso auf dem Prüfstand wie die LEDs selbst.

Der Markt bietet heute viele verschiedene LED-Beleuchtungen mit einer Leistung von wenigen bis zu mehreren hundert Watt – mit verschiedenen Ansätzen für die Gestaltung der Stromversorgung. Bei niedrigeren Leistungspegeln (<10 W) ist eine einstufige Leistungswandlung die beliebteste Lösung.

LED-Leuchten kommen immer häufiger zum Einsatz und die LEDs und damit auch die Stromversorgungen werden auf einem immer kleineren Raum gepackt. Dabei muss die Effizienz erhöht werden, damit sich die Abwärme minimiert und die Beleuchtung auf kleinem, oft versiegeltem Raum zuverlässig installiert werden kann.

Ein wesentlicher Faktor für das schnelle Wachstum der LED-Beleuchtungen waren die sinkenden Preise für LEDs selbst. Dies führt dazu, dass von LED-Netzteilen erwartet wird, bei weniger Platzbedarf eine höhere Leistung bereitzustellen und ebenfalls kostengünstiger zu werden. Entwickler müssen daher auf eine geringere Anzahl von Bauelementen und niedrigere Gesamtkosten setzen.

Thema der nächsten Seite: Leistungswandlung bei LED-Beleuchtungen

Bild 2: Der FL7740 ist ein einstufiger Regler mit primärseitiger Reglung für Beleuchtungsanwendungen. ON Semiconductor

Der FL7740 ist ein einstufiger Regler mit primärseitiger Reglung für Beleuchtungsanwendungen. ON Semiconductor

Ein schnell wachsender Bereich ist das Leistungsspektrum von 25 bis 100 W, das auf Büros, Fertigungsstätten und Häuser abgestimmt ist. Ein zweistufiger Ansatz ist hier die gebräuchlichste Lösung. In vielen Anwendungen wird die Stromversorgung in Form einer Flyback-Architektur (Sperrwandler) mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), gefolgt von einem DC/DC-Abwärtswandler (Buck-Wandler) ausgeführt.

Dieser Ansatz ist gerade dann von Interesse, wenn Dimmen erforderlich ist. Er ermöglicht auch ein einfaches Abschalten der LEDs in den Standby-Modus und die simple Steuerung mehrerer LED-Stränge bei komplexeren Beleuchtungslösungen.

ON Semiconductor hat kürzlich eine integrierte Lösung für diese Anwendung vorgestellt, mit der sich eine sehr leistungsfähige LED-Beleuchtungsstromversorgung mit zwei ICs und einigen externen Bauelementen entwickeln lässt.

Der FL7740 ist ein einstufiger CV-PSR-Regler (primärseitige Regelung), der eine CV-Regelung (±3 %) mit integrierter Dynamik (einschließlich schneller Ansprechzeit) bereitstellt, die ein Überschwingen und Unterschwingen aufgrund von Netz- und Lasttransienten auf weniger als 10 % der Ausgangsspannung minimiert.

Universeller, weiter AC-Eingang

Der Controller akzeptiert einen universellen, weiten AC-Eingang von 80 bis 382 VAC und ist damit für den Netzbetrieb weltweit geeignet. Er liefert eine Leistung von bis zu 100 W und verbraucht im Standby-Modus nur 0,15 W. Zudem übertrifft er alle regulatorischen Anforderungen und ermöglicht den „Always-on-Betrieb“, der für intelligente Lichtlösungen unerlässlich ist.

Bild 3: Der FL7760 ist ein Abwärtsregler mit breitem Eingangsspannungs- und Dimmbereich. ON Semiconductor

Der FL7760 ist ein Abwärtsregler mit breitem Eingangsspannungs- und Dimmbereich. ON Semiconductor

Die integrierte PFC-Stufe erreicht einen Leistungsfaktor von >0,9 bei Volllast mit <10 % THD. Bei halber Last bleibt der Leistungsfaktor bei 0,9 – vorausgesetzt, der wählbare Leistungsfaktor-Optimierer wird verwendet. Dies stellt sicher, dass Eingangsstörungen über einen weiten Lastbereich auf ein Minimum reduziert werden. Der FL7740 eignet sich somit für eine Vielzahl von Anwendungen.

Der Controller bietet eine Reihe von Schutzfunktionen, die für den sicheren Betrieb von Beleuchtungssystemen unerlässlich sind. Dazu gehören Überlastschutz, Kurzschlussschutz der Ausgangsdiode, Schutz des Messwiderstands gegen Kurzschluss und offenen Schaltkreis sowie VDD– sowie VS-Überspannungsschutz.

Der Abwärts-/Buck-Regler FL7760 arbeitet im Continuous-Current-Modus (CCM) und stellt die zweite Stufe der Leistungswandlung bereit. Dieser Baustein arbeitet mit einem breiten Eingangsbereich (8 bis 60 V) und unterstützt sowohl Analog- als auch PWM-Dimmen über einen weiten Bereich, während er nur 150 μA verbraucht.

Analoger Dimmbereich zwischen 5 bis 100 %

Entscheidend ist, dass PWM-Dimmen mit dem FL7760 den gesamten Leistungsbereich von 1 bis 100 % abdeckt – obwohl unter bestimmten Betriebsbedingungen sowohl unerwünschtes Flimmern als auch hörbare Geräusche als Ergebnis der PWM-Betriebsfrequenzen auftreten können. Der analoge Dimmbereich liegt bei 5 bis 100 %, was erheblich besser ist als bei herkömmlichen Techniken, die im Allgemeinen nur 15 bis 100 % erreichen. Analoges Dimmen wird im Allgemeinen bevorzugt, da es nicht die Probleme der PWM aufweist. Der FL7760 macht dies erstmals zu einer realisierbaren Option.

Ein wesentlicher Vorteil für das Dimmen unterhalb der analogen Schwelle von 5 % ist die Fähigkeit des FL7760, analoges und PWM-Dimmen zu kombinieren, um somit gemischtes Dimmen zu ermöglichen, das beide Ansätze nahtlos kombiniert und dadurch die volle Dimmbarkeit ohne Flicker und hörbare Geräusche ermöglicht.

Wie der FL7740 bietet auch der FL7760 eine Reihe von Schutzfunktionen, einschließlich thermische Abschaltung und Überstromschutz.

James Lee

Lighting Segment Marketing, On Semiconductor

(ah)

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