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| von Steve Sheard

LEDs bieten Designern von architektonischen und Innenraum-Beleuchtungen neue Möglichkeiten. Die kompakten Maße der LEDs erlaubt den Einbau in flexible Streifen, die sich leicht unter Schränken oder in einem Treppenhaus versteckt anordnen lassen. LEDs halten mehr als 100-mal länger als Glühlampen, wenn sie im Rahmen ihrer Auslegungsparameter betrieben und nicht überlastet werden – andernfalls sinkt die Lebensdauer rapide.

Auf einen Blick

Zur Ansteuerung von architektonischen und Innenraum-Leuchten genügen einfache, kostengünstige und robuste Hybrid-Schaltkreise. Das Design des hier beschriebenen Schaltkreises basiert auf einem einfachen Chopper und Konstantstromregler, die über den gesamten universellen Spannungsbereich von 85 bis 265 VAC bei 50 oder 60 Hz arbeiten.

Der wichtigste Betriebsparameter ist relativ einfach: Der Stromfluss durch die LEDs muss konstant sein und unter dem erlaubten Maximum bleiben. Hält die Treiberschaltung den LED-Betrieb innerhalb der Spezifikation, bleibt die Lichtleistung konstant und die Lebensdauer übertrifft 50.000 Stunden.

Für die Welt gemacht

Architektonische und Innenraum-Beleuchtungskörper werden für den weltweiten Einsatz gefertigt und müssen daher auch weltweiten Spezifikationen entsprechen. Die Leuchten müssen über den gesamten universellen Spannungsbereich von 85 bis 265 VAC bei 50 oder 60 Hz arbeiten. Herkömmliche Stromversorgungsschaltkreise, die diese universellen Anforderungen abdecken, kommen in den Märkten Computer und tragbare Geräte zum Einsatz. Diese Stromversorgungen sind für Endprodukte optimiert aber nicht gerade die beste Lösung zur Ansteuerung von LEDs.

Herkömmliche Stromversorgungen bieten einen genauen Spannungsausgang mit veränderlicher Stromhöhe. Um dennoch einen konstanten Strom im LED-Strang zu erhalten, braucht man einen in Serie geschalteten Widerstand. Dies setzt voraus, dass die Spannung über den LEDs bekannt ist und auch bei Änderungen der LED-Temperatur konstant bleibt. Leider ändert sich die LED-Durchlassspannung aber mit der Temperatur. LED-Hersteller fassen daher ihre Bausteine gemäß der Durchlassspannung zusammen (Binning). Lampenhersteller können dann Leuchtmittel herstellen, die dieser Durchlassspannung bei einer bestimmten Temperatur entsprechen.

Ein Schaltkreis, der kein LED-Binning erfordert, wäre daher wünschenswert, da er den LED-Herstellern diesen Zeitaufwand einspart und die LEDs preisgünstiger macht. LEDs weisen auch einen negativen Durchlassspannungs-zu-Temperatur-Koeffizienten auf, der den Schaltkreis in eine thermische Instabilität (Thermal Runaway) versetzen kann. Entwickler müssen daher eine Sicherheitsüberwachung in das Design mit integrieren.

Konstantstrom

Bei einer idealen Lösung zur Ansteuerung von LEDs überwacht der Schaltkreis den Strom und hält ihn konstant. Diese Schaltung wird nicht durch die LED-Durchlassspannung beeinflusst, erübrigt das Binning und beseitigt die Auswirkungen eines negativen Durchlassspannungs-zu-Temperatur-Koeffizienten. Solche Schaltkreise können komplexe Schaltregler sein oder ein einfacher Linearregler mit einer Rückkopplungsschleife. Komplexe Schaltregler eignen sich ideal für eine hohe Lichtausbeute, zum Beispiel bei Straßenbeleuchtungen, wenn der Wirkungsgrad besonders wichtig ist.

Für architektonische und Innenraum-Leuchten genügen einfache, günstige und robuste Hybrid-Schaltkreise. Deren Aufbau ist zwar nicht ganz so effizient wie der eines komplexen Schaltreglers, aber die geringen Kosten und die Einfachheit machen sie zu einer interessanten Option. Die Schaltkreise arbeiten über den gesamten universellen Spannungsbereich von 85 bis 265 VAC bei 50 oder 60 Hz.

Bild 1: Hybride Schaltung für einen einfachen, günstigen und robusten LED-Treiber.

Bild 1: Hybride Schaltung für einen einfachen, günstigen und robusten LED-Treiber.On Semiconductor

Hybrid-Lösung

Der Schaltkreis in Bild 1 besteht aus einer Brücke, einem Chopper (Zerhacker) und einem einfachen Stromregler. Die Vollbrücke aus D1, D2, D3 und D4 (1N4004) speist den Chopper-Schaltkreis. Der Schalter Q2 (NDD03N50Z) schaltet sofort durch, und der Kondensator C1 (22 µF) wird geladen.

Die beiden Widerstände R1 (330 kΩ) und R2 (390 kΩ) fungieren als Spannungsteiler. Erreicht die Spannung an der Kathode D5 (MMSZ5260BT1G) den Wert 43,5 V, leitet die Zener-Diode durch und schaltet Q1 (MPSA44) ein. Das Einschalten von Q1 zieht das Gate von Q2 auf Null und schaltet Q2 aus. Die Diode D6 (MMSZ15T1G) wurde integriert, um das Gate von Q2 zu schützen.

Bild 2: Die Spannungen an verschiedenen Bauteilen des Schaltkreises bei einer Eingangsspannung von 150 VAC.

Bild 2: Die Spannungen an verschiedenen Bauteilen des Schaltkreises bei einer Eingangsspannung von 150 VAC.On Semiconductor

Die Spannung über C1 wird zwischen 80 und 90 V gehalten. Die Ladung auf C1 speist den Konstantstromregler CCR (NSI45020AT1G) und den LED-Strang (22 LEDs in diesem Beispiel). Der CCR hält den Strom durch den LED-Strang bei 20 mA. Der Schaltkreis enthält den Widerstand R4 (10 Ω, 1 %) in Serie zu den LEDs, der zur Strommessung im LED-Strand dient (200 mV = 20 mA).

Spannungsverlauf

Der Verlauf in Bild 2 zeigt deutlich: Steigt die Spannung von der Brücke über 80 V, schaltet und begrenzt der Chopper-Schaltkreis die Spannung, die an den Regelkreis gespeist wird. Kurve 1 ist der Ausgang des Brückengleichrichters. Kurve 2 ist die Spannung über C1 (Ausgang des Chopper-Schaltkreises). Kurve 3 ist die Spannung über dem Strommesswiderstand (10 Ω, 1 %, daher gilt 200 mV = 20 mA).

Bild 3: Die Spannungen bei einer Eingangsspannung von 85 VAC.

Bild 3: Die Spannungen bei einer Eingangsspannung von 85 VAC.On Semiconductor

Der Verlauf in Bild 3 zeigt, dass noch genügend Designspielraum für eine längere Einschaltperiode für Q1 vorhanden ist, um C1 vollständig geladen zu halten. Die Eingangsspannung wurde auf 54 VAC gesenkt, bevor der Strom durch die LEDs zu sinken beginnt.

Bei der hohen Eingangsspannung von 265 VAC in Bild 4 ist die Zeit, in der Q1 eingeschaltet ist, sehr kurz. Kurve 2 zeigt jedoch, dass noch genügend Energie zum Laden von Q1 zur Verfügung steht und der Stromfluss durch die LEDs im Aus-Zyklus verharrt.

Bild 4: Die gleichen Daten bei einer Eingangsspannung von 265 VAC.

Bild 4: Die gleichen Daten bei einer Eingangsspannung von 265 VAC.On Semiconductor

Passt immer

Dieser Schaltkreis lässt sich für verschiedene LED-Anordnungen skalieren. Konstantstromregler (CCRs) stehen für Nennströme bis zu 160 mA zur Verfügung. Für höhere Ströme lassen sich CCRs parallel schalten. Die Werte für C1, R1 und R2 wurden so gewählt, dass sie der Art und Anzahl der verwendeten LEDs entsprechen.

Steve Sheard

ist Marketing Engineer bei ON Semiconductor in Phoenix, Arizona.

(lei)

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