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Grundlagen

LEDs mit höherer Spannung verbessern die Lampen-Effizienz

| Autor: Kristin Rinortner

LEDs mit höherer Spannung verbessern die Lampen-Effizienz
LEDs mit höherer Spannung verbessern die Lampen-Effizienz (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Glühlampen sollen durch LEDs ersetzt werden. Normalerweise werden 5 bis 9 LEDs in Reihe geschaltet, ein Netzteil wandlet die Netzspannung in Niedrigspannung um.

Man ist sehr daran interessiert, Glühlampen durch Leuchten zu ersetzen, die LEDs als Leuchtmittel verwenden. Normalerweise wird eine geringe Anzahl (5 bis 9) von LEDs in Reihe geschaltet, und ein Netzteil muss bei Strömen von etwa 350 bis 700 mA die Netzspannung in Niedrigspannung (typischerweise einige 10 V) umwandeln.

Bei Ermittlung der besten Art der Isolierung des Verbrauchers von der Netzspannung sind einige Abwägungen zu machen. Die Isolierung kann entweder im Netzteil oder in der Halterung der LEDs realisiert werden. In diesen Lower-Power-Designs werden LEDs im Allgemeinen galvanisch isoliert, da hierbei ein kostengünstigeres, nicht isoliertes Netzteil verwendet werden kann. Das Bild 1 zeigt einen typischen LED-basierten Lampenersatz. Das Netzteil in diesem Beispiel ist nicht isoliert. Das heißt, dass die Isolierung zum Schutz des Verbrauchers vor hohen Spannungen im Gehäuse statt im Netzteil integriert ist.

Bild 1: In einem LED-basierten Lampenersatz ist wenig Platz für ein Netzteil. Bild 1: In einem LED-basierten Lampenersatz ist wenig Platz für ein Netzteil.

Dort ist offenkundig wenig Platz für das Netzteil vorhanden, was hohe Anforderungen an den Entwurf eines solchen Gehäuses stellt. Darüber hinaus befindet sich das Netzteil im Innern des Gehäuses. Dies behindert die Kühlung und macht eine gute Effizienz zu einem Schlüsselfaktor.

Bild 2 zeigt einen nicht isolierten Schaltkreis, der LEDs aus einem 120-V-Netz betreibt. Er enthält eine Gleichrichterbrücke, die eine Abwärtsleistungsstufe speist. Der Abwärtswandler ist die umgedrehte Version, bei der sich der Leistungsschalter Q2 auf der Rückführung befindet und die Freilaufdiode D3 an die Quelle angeschlossen ist.

Bild 2: Ein Abwärtswandler ergibt einen einfachen, mit Netzspannung betriebenen LED-Treiber. Bild 2: Ein Abwärtswandler ergibt einen einfachen, mit Netzspannung betriebenen LED-Treiber.

Der Strom wird während der Einschaltzeit des Leistungsschalters über einen Quellenwiderstand geregelt. Während dieser Schaltkreis relativ effizient ist (80 bis 90 %), so weist er doch einige Nachteile auf, die den Wirkungsgrad begrenzen. Der Leistungsschalter muss im eingeschalteten Zustand den vollen Ausgangsstrom führen. Bei ausgeschaltetem Leistungsschalter fließt der Ausgangsstrom durch die Freilaufdiode. Die Spannung an den Strommesswiderständen R8 und R10 beträgt etwa 1 V.

Diese drei Spannungsabfälle sind im Vergleich zu einer LED-Spannung von 15 bis 30 V signifikant und begrenzen die Netzteileffizienz. Insbesondere tragen diese Verluste zum Temperaturanstieg in der Lampenfassung bei. Die Lichtleistung der LED verringert sich mit der Zeit und ist stark von ihrer Betriebstemperatur abhängig.

Beispielsweise nimmt die Lichtleistung einer LED über 50.000 Betriebsstunden bei 70 °C um 30 % ab, und bei 80 °C kann man mit einer Lebensdauer von lediglich 30.000 Betriebsstunden rechnen. Das Wärmeproblem wird weiter verstärkt, da die Lampen in kegelförmigen Lampenschirmen untergebracht sind, die die Wärme einschließen und eine Konvektionskühlung nicht fördern.

Hersteller von LED-Lampen haben damit begonnen, LED-Lichtquellen mit höherer Spannung zu entwickeln, indem sie mehrere LEDs auf einem gemeinsamen Substrat in Reihe schalten. Durch die höheren Spannungen lassen sich entweder die Kosten senken oder die Netzteileffizienz steigern. Mit diesen Produkten mit höheren Spannungswerten kann eine kostengünstigere Version des Netzteils einfach aus mehreren Gleichrichtern und einem Vorschaltwiderstand realisiert werden.

Bei diesem Ansatz wird zwar ein relativ guter Leistungsfaktor erzielt, jedoch ist der Wirkungsgrad gering, da ein beträchtlicher Teil der Eingangsspannung über dem Vorschaltwiderstand abfällt und dabei Verluste im Bereich von 30 bis 50 % der LED-Leistung entstehen. Dies kann eine Möglichkeit für Anwendungen mit geringerer Leistung sein, bei denen die Größe der wichtigste Faktor ist. Für höhere Leistungen ist dieser Ansatz aufgrund des geringen Wirkungsgrads jedoch ungeeignet.

Netzteile mit Aufwärtswandler oder mit Abwärtswandler?

Bild 3: Steigerung der LED-Treibereffizienz mithilfe eines Abwärtswandlers. Bild 3: Steigerung der LED-Treibereffizienz mithilfe eines Abwärtswandlers.

Bild 3 stellt eine andere Alternative mit einem Netzteil mit Aufwärtswandlung vor. Der größte Teil des Schaltkreises ist in beiden Ansätzen identisch. Die Verluste an Schalter, Diode und Strommesswiderstand sind jedoch viel geringer, sodass Wirkungsgrade im Bereich von 90 bis 95 % erzielt werden. Dieser Schaltkreis weist zudem einen guten Leistungsfaktor mit Messwerten von 97 %auf.

Bild 4 zeigt ein Foto der zwei Netzteile, die in den Schaltbildern der Bilder 1 und 2 dargestellt wurden. Auch wenn dieses Netzteil ungefähr die gleiche Ausgangsleistung erzeugt, so gibt es doch mehrere offensichtliche Unterschiede, die sich auf die Größe des Netzteils auswirken. Die Spule des Aufwärtswandlers ist deutlich kleiner, da er nicht so viel Energie speichern muss. Zudem besitzt der Aufwärtswandler einen kleineren Widerstand als der Abwärtswandler.

Bild 4: Ein Netzteil mit Aufwärtswandler ist kleiner und effizienter als eines mit Abwärtswandler. Bild 4: Ein Netzteil mit Aufwärtswandler ist kleiner und effizienter als eines mit Abwärtswandler.

Bei diesem Widerstand handelt es sich um einen Ersatzlastwiderstand (R20 in Bild 2), der verwendet wird, um zu bestimmen, wann in einem Dimmer ein Thyristor (SCR) zündet. Dies ist erforderlich, da die Dimmer über einen Triac mit Entstörkondensator verfügen, der ohne Last eine relativ hohe Spannung in das Netzteil speist. Dies verwirrt das Netzteil und führt zu fehlerhaftem Dimmverhalten.

Am Aufwärtswandler wird ein solcher Widerstand nicht benötigt, da die LEDs über die Boostinduktivität mit dem Eingang verbunden sind und eine ausreichende Last darstellt, sodass obiges Problem hier keine Rolle spielt. Die Rückseite der Platine ist nicht dargestellt, jedoch weist der Abwärtswandler (wie in den Schaltplänen zu sehen ist) mehr einfache Schaltungskomponenten auf. Der Aufwärtswandler ist verlustärmer, was bei Anwendungen mit eingeschränktem Platzangebot, wie beispielsweise LED-Ersatzlampen, von besonderer Bedeutung ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LEDs mit höheren Spannungen zur Verlängerung der Lebensdauer von einschraubbaren LED-Lampen beitragen, indem sie die Verluste und die resultierenden Temperaturanstiege reduzieren. Dies erfolgt durch Austausch des Abwärtswandlers durch einen Aufwärtswandler, was den Wirkungsgrad des Netzteils steigert. Ein Aufwärtswandler weist etwa halb so viele Verluste auf wie ein Abwärtswandler. Darüber hinaus besteht der Aufwärtswandler aus weniger Teilen, erzielt einen besseren Leistungsfaktor und ist kleiner. Zudem wird das Dimmen mit einem Triac vereinfacht.

Von Robert Kollman, Texas Instruments

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