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Grundlagen Power-Tipp, Teil 70: Irrtümer über AC-Treiber – und was an ihnen dran ist

| Autor / Redakteur: Joe de Nicholas, Design Manager bei Texas Instruments in Colorado / Kristin Rinortner

Was ist die kostengünstigste Möglichkeit zur Herstellung eines LED-Treibers, der einen geringen Rippelstrom aufweist und sich mit Phasenanschnitt-Schaltungen dimmen lässt?

Power-Tipp, Teil 70
Power-Tipp, Teil 70
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Wie sich zeigt, ist hier eben nicht ein Schaltregler die Lösung, sondern ein Linearregler mit einer dynamischen Last. Nachfolgend wird eine der häufigsten Fragen beantwortet, die im Zusammenhang mit linearen Offline-LED-Treiberlösungen gestellt werden. Weitere Irrtümer werden in den folgenden Power-Tipps dargestellt.

Was kann Beleuchtungs-Designer zum Einsatz von Elkos veranlassen?

Kein anderes Bauelement kann bezogen auf das Volumen und den Preis so viel Energie speichern wie ein Elko. Außerdem können Elkos durchaus zuverlässig sein, wenn man bei der Auswahl und der Beschaffung Sorgfalt walten lässt und während der Produktions- und Montageabläufe pfleglich mit ihnen umgeht. Die Annahme, dass Elkos die unzuverlässigsten Bauelemente in einer LED-Treiberschaltung sind, ist schlichtweg falsch, denn schließlich gibt es zwischen vier und sechs weitere Bausteine, bei denen Zuverlässigkeitsprobleme wesentlich wahrscheinlicher sind als bei einem Elko. Die Lebensdauer eines Elkos wird in der Regel bis zu dem Zeitpunkt gemessen, zu dem entweder die Kapazität auf die Hälfte zurückgegangen ist oder sich der effektive Serienwiderstand (ESR) verdoppelt hat.

Meist ist die Verdoppelung des ESR das Kriterium. Die meisten Probleme mit Elkos treten bei billigen Sperrwandlern auf, die wenig langlebige und oft für 85 °C spezifizierte Elkos mit einem hohen Rippelstrom konfrontieren. Will man die tatsächliche Nenn-Lebensdauer eines Elkos herausfinden, sind einige Nachforschungen und Berechnungen erforderlich.

Es ist durchaus nicht schwierig, eine Beleuchtungs-Schaltung zu entwickeln, die 50.000 Stunden hält, solange sie unter 85 °C bleibt. Werden drei Elkos verwendet, verringert sich außerdem keineswegs die Lebensdauer auf ein Drittel. Wir haben es hier nämlich mit einem Verschleißmechanismus zu tun, sodass sich die Lebensdauer in Wirklichkeit nicht verändert.

Das schwächste Glied unter den Elkos in Sperr- oder Aufwärtswandlern für Beleuchtungs-Designs findet sich im Allgemeinen in der Bias-Versorgung. Elkos mit geringem Durchmesser erreichen nämlich meist eine wesentlich geringere Lebensdauer. Wichtig ist, dass Elkos am Ende ihrer Lebensdauer nicht platzen. Solange eine Schaltung nämlich so ausgelegt ist, dass sie mit dem Kapazitätsrückgang und der Widerstandszunahme zurechtkommt, dürfte alles gut sein.

Alle einstufigen, mit Leistungsfaktor-Korrektur (Power Factor Correction – PFC) ausgestatteten LED-Stromversorgungen benötigen Elkos zur Minderung der Welligkeit. Unabhängig davon, ob es sich um eine geschaltete Stromversorgung handelt oder nicht, muss in jedem Fall die mit dem Doppelten der Netzfrequenz schwingende Welligkeit eingedämmt werden. Sicher gibt es bestimmte Topologien, die diesen Rippel besser reduzieren können als andere. Tatsache ist aber, dass der Markt bei Leuchtmitteln zum Ersatz von Glühlampen nach extrem kostengünstigen Lösungen verlangt. Wie soll man ohne Elektrolytkondensatoren einen einstufigen LED-Treiber mit PFC und geringer Welligkeit für unter 1,50 US-Dollar implementieren, wie es der Markt erwartet?

Angesichts der Notwendigkeit eines Energiespeichers in einstufigen PFC-Designs zeigt sich, dass die im TPS92411 umgesetzte Floating-Switch-Architektur von TI hinsichtlich ihrer Speicher-Anforderungen identisch mit anderen einstufigen Designs ist.