Motoren für das Licht von morgen

Wer erinnert sich noch an die LED-Anzeigen der ersten batteriebetriebenen Multimeter vor knapp 40 Jahren? Da reichte die Leuchtkraft einer LED-Anzeige kaum für eine Messung bei Tageslicht. Wer hätte damals gedacht, dass LEDs einmal unsere Wohnzimmer, Straßen und Fabrikhallen beleuchten würden? Insbesondere da es sich um Halbleiter handelt, die so gar nicht in unser „Wechselstrom-Lichtnetz“ passen wollen. Inzwischen muss die Leuchtkraft von Multi-Chip-Arrays keine Vergleiche mehr scheuen und moderne Treibertechnologie sorgt dafür, dass aus beliebigen Gleich- und Wechselspannungen jener konstante Gleichstrom wird, den LEDs in angenehmes Licht verwandeln. Ganz wie der Motor beim Auto, der Benzin, Diesel, Gas und Strom in Mobilität umwandelt.

Buck/Boost-Technologie als Hybrid-Lösung

Die Leuchtkraft einer einzelnen LED mag für den Betrieb einer Taschenlampe ausreichend sein, aber für die Ausleuchtung eines Arbeitsplatzes oder gar eines Studios ist eine Vielzahl von LEDs erforderlich. Einfach alle parallel schalten, wie wir das von der Glühbirne her kennen, macht wenig Sinn. Denn es handelt sich bei LEDs um Halbleiter mit nichtlinearer Kennlinie, deren Schwellspannung zudem selbst bei Exemplaren einer Baureihe um mehrere Zehntel Volt differieren kann. Parallelbetrieb hätte zumindest sehr unterschiedliche Helligkeitswerte zur Folge. Bis hin zum frühen Exodus der LED mit der jeweils niedrigsten Schwelle. Werden LEDs in Serie geschaltet, werden sie vom selben Strom durchflossen und die Helligkeit ist absolut gleich. Nachteil: Wer mehr Licht will, braucht höhere Spannungen und die sind nicht immer verfügbar. Man denke beispielsweise an die Beleuchtung von Parks oder Gartenwegen. Im Idealfall kommt die Versorgungsspannung der Lampe „off the grid“ aus einem Akku, der solar oder durch ein kleines Windrad geladen wird. Nehmen wir an, es handelt sich um einen üblichen 12-V-Akku. Voll aufgeladen bringt er es zu Beginn der Nacht vielleicht auf 14 V. Zieht man 1 V für den Konstantstrom-Treiber ab, könnten gerade 4 LEDs betrieben werden. Sinkt die Akku-Spannung allerdings um nur 2 V, gehen die Lichter aus. Eine weit bessere Alternative wäre hier der Einsatz eines neuartigen Buck/Boost-Treibers, wie er von Recom in Form des RBD-12 entwickelt wurde. Dieser macht aus den nominal 12 V des Akkus eine mehr als doppelt so hohe Spannung. Diese reicht aus, eine Kette von 8 LEDs mit Konstantstrom zu versorgen, auch wenn die Spannung über Nacht bis auf 8 V sinkt.

Treiber der RBD-12-Familie arbeiten aber auch im konventionellen Buck-Betrieb an Spannungen, die deutlich höher sind als das was zur Speisung der Kette erforderlich ist (Bild 2, oben). Sie sind damit der „Hybrid der LED-Motoren“. Zunächst gibt es zwei Modelle mit 350 mA oder 500 mA Konstantstrom und einer Leistung bis 20 W. Der Wirkungsgrad erreicht in der Spitze 92 % – ein hervorragender Wert für diese recht vielseitig einsetzbaren Wandler, die ab Anfang 2012 verfügbar sein werden.

Trend zu noch höheren Spannungen

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Lichtleistung eines Leuchtmittels zu steigern: Entweder man setzt auf leistungsstärkere LEDs und erhöht den Strom von zum Beispiel 350 mA (1-W-LED) auf 700 mA (2-W-LED), oder man schaltet mehr LEDs in Reihe und arbeitet mit höherer Spannung. Bislang verfügbare Treiber stießen meist bei 36 bis 40 V an ihre Grenzen – spätestens bei 10 bis 12 LEDs pro Kette ist damit das Limit erreicht. Moderne MultiChip-Arrays arbeiten heute schon mit Spannungen um 40 V oder darüber und auf Seiten der LED-Hersteller sind bereits weit höhere Spannungen im Gespräch.

Bedingt durch die SELV-Vorschrift (Safe Extra Low Voltage) gilt für LED-Treiber zunächst ein „wirtschaftliches“ Limit von 60 V DC. Jeder höhere Wert bedeutet zusätzlichen Aufwand für Sicherheit und Schutz und damit höhere Kosten. Mit der neuen RCD-48-Familie schöpft Recom dieses Limit voll aus (Bild 2, unten). Die neuen „high voltage“-Treiber versorgen bis zu 17 LEDs pro Kette mit Konstantströmen von 350, 500, 700, 1000 und 1200 mA bei einem Eingangsspannungsbereich von 9 bis 60 V. Das leistungsstärkste Modell verfügt über ein Metallgehäuse und leistet bis zu 70 W. Alle Treiber der Familie sind wahlweise mit Pins zur Leiterplattenmontage oder bedrahtet lieferbar und sowohl analog als auch digital dimmbar. Eine eingebaute Referenzquelle ermöglicht einfaches Dimmen mittels Potentiometer und versorgt externe Sensoren oder Controller, um zusätzliche Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

Flackerfreies Triac-Dimming bis auf Null

In Haus und Büro haben wir uns daran gewöhnt, die Helligkeit der Beleuchtung zu regulieren, um für eine angenehme Atmosphäre zu sorgen. Was bei Glühbirnen anstandslos funktionierte, ist bei LED-Leuchten nicht ganz unproblematisch. Die Folge: Leistungsstärkere AC-Treiber mit aktivem PFC-Kreis lassen sich mit vorinstallierten Triacs bislang nur sehr eingeschränkt dimmen. Ursache des Problems ist meist der PFC-Kreis des Treibers, kombiniert mit der im Vergleich zur Glühbirne geringen Last der LEDs. Während die PFC-Schaltung versucht, durch eine Vielzahl von Stromimpulsen dem Netz einen annähernd sinusförmigen Strom in korrekter Phasenlage zu entnehmen, reagieren Triacs sehr empfindlich auf fremde Stromimpulse. Besonders wenn stark gedimmt werden soll – 50 % werden vom Auge noch kaum wahrgenommen – bekommen „billige“ PFC-Schaltungen Schwierigkeiten, das richtige Timing einzuhalten. Außerdem gewährleistet die niedrige Last der LEDs kein kontinuierlicher Stromfluss durch den Triac. Die Konsequenz: Kaum ist die Helligkeit merklich reduziert, sind viele Billigprodukte schon mächtig am Flackern.

Aber es gibt ein weiteres, systembedingtes Problem. Triac-Dimmer sind nur bis 10 % dimmbar, damit der Stromfluss während einer Halbwelle nie ganz abreißt. Da die Glühbirne – wie der Name schon sagt eher Heizkörper als Lichtquelle – bei 10 % Stromfluss aber kein Licht mehr produziert, genügt dies für 100 % Dimming. Nicht so bei der LED: 10 % Strom bedeutet 10 % Lichtbeute! Da unser Auge sich schnell an dunklere Verhältnisse anpasst, werden diese 10 % bei LEDs noch als ziemlich hell wahrgenommen.

Wenn wir die Legionen installierter Triacs beim Umstieg auf LED nicht austauschen wollen, muss die Treiberseite dies kompensieren. Bei Recom‘s brandneuen RACT20 ist dies in perfekter Weise gelungen: Flackerfreies LED-Dimming bis auf Null! Ganz so, wie wir das von der Glühbirne gewohnt waren. Hierzu mussten einige zusätzliche Schaltkreise entwickelt werden. Einer davon – „Dynamic PFC“ genannt – sorgt dafür, dass sich die Schaltimpulse in Breite und Zahl am Phasenwinkel der Anschnittsteuerung orientieren. Hierfür muss der Phasenwinkel präzise „gemessen“ werden, wofür ein zweiter Schaltkreis zuständig ist. Im Gegensatz hierzu filtern die meisten derzeit verfügbaren Treiber stark die angeschnittene Eingangsspannung mit Hilfe großer Elkos. Dies hat sehr negative Konsequenzen für die Lebenserwartung der Produkte, denn das in den Elkos verwendete Elektrolyt trocknet im Laufe der Zeit aus, insbesondere bei höheren Temperaturen, wie sie in der Nähe der LED-Kühlkörper auftreten. In den RACT20-Treibern kommen keine Eingangs-Elkos zum Einsatz.

Mit weiteren technischen Finessen – eine effiziente interne Stromversorgung beispielsweise reduziert die Verlustleistung und erlaubt höhere Betriebstemperaturen – sorgt diese Neuentwicklung dafür, dass sich LED-Leuchtmittel nun flackerfrei und sehr linear auf Null dimmen lassen (Bild 3).

Alle drei neuen Treiberfamilien sind gemäß EN/UL 60950 zertifiziert und mit einer Gewährleistungsfrist von 5 Jahren ausgestattet. Muster können zu attraktiven Preisen von allen führenden Distributoren geliefert werden.

(jj)