13.02.2011

Treiberl√∂sung f√ľr LED-Stra√üenleuchten




 

Autor: Christopher Richardson, National Semiconductor


Der vorliegende Beitrag widmet sich den Anforderungen von LED-Stra√üenleuchten und stellt eine praxistaugliche Treiberl√∂sung zur Ansteuerung von 100 Hochleistungs-LEDs vor. Die modulare Struktur dieser L√∂sung sorgt f√ľr viel Flexibilit√§t beim Design und bietet den zus√§tzlichen Vorteil eines gro√üen Versorgungsspannungsbereichs. Gemeinsam sorgen diese Eigenschaften daf√ľr, dass das Konzept unterschiedlichen Designs gerecht werden kann.

 

Ob es sich nun um Blitzger√§te, Ersatz-Leuchtmittel f√ľr MR-16-Gl√ľhlampen, Notbeleuchtungen oder andere Anwendungen handelt ‚Äď es gibt kaum eine Anwendung f√ľr wei√üe Leuchten geringer Leistung, die nicht schon von der LED-Technik erobert worden w√§re. Und nun r√ľsten sich die Beleuchtungs-Designer daf√ľr, immer mehr wei√üe Lichtquellen mit immer h√∂herer Leistung auf diese ‚ÄöSolid State‚Äė-Leuchtmittel umzustellen. Stra√üenleuchten d√ľrften der n√§chste wahrscheinliche Kandidat f√ľr diese umfangreiche Umr√ľstung sein, obwohl sie erheblich gr√∂√üere Herausforderungen bergen als Blitzger√§te und andere Applikationen geringer Leistung. Die LED-Technik in Stra√üenleuchten einzusetzen, ist einerseits h√∂chst attraktiv, weil LEDs eine lange Lebensdauer erreichen, eine hohe Lichtqualit√§t bieten und weder Blei noch Quecksilber enthalten. Andererseits kommen nur die allerbesten LED-L√∂sungen auf den Wirkungsgrad von Hochdruck-Natriumdampf oder Metalldampflampen. Rechnet man dann noch die Verluste an Lumen pro Watt ein, die durch die Leistungsumwandlung und die Optik entstehen, erscheinen die Solid State-Leuchtmittel auf einmal nicht mehr in so hellem Licht. Allerdings bringen die LEDs einen gravierenden Vorteil mit: sie lassen sich mit sehr hoher Frequenz ein und ausschalten, ohne Schaden zu nehmen. Genau dies schafft die Grundlage f√ľr intelligentere Stra√üenbeleuchtungen, denn Stra√üenleuchten, die je nach Bedarf gedimmt oder ganz abgeschaltet werden k√∂nnen, sparen Geld und Energie und schonen damit die Budgets und die Umwelt.

 

Design-Anforderungen

 

Die Umstellung auf LED-Stra√üenbeleuchtung wird nicht √ľber Nacht erfolgen. Dazu sind noch zu viele ernst zu nehmende technische Hindernisse zu √ľberwinden. Zun√§chst ist zu ber√ľcksichtigen, dass Stra√üenleuchten abgesehen von wenigen Ausnahmen (z. B. bei Versorgung durch Solarzellen) am Wechselstromnetz mit einer Spannung von 230 V oder 120 V betrieben werden. F√ľr Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen (High Intensity Discharge ‚Äď HID) gibt es eine gro√üe Auswahl an Vorschaltger√§ten f√ľr den Netzbetrieb, die jedoch einfach aufgebaut sind, weil die Zahl der Einzel-Leuchtmittel gering ist. Selten kommen mehr als vier Leuchtstoffr√∂hren in einer Leuchte zum Einsatz, und bei HID-Lampen ist es in den allermeisten F√§llen nur ein einziges Leuchtmittel. V√∂llig anders sind die Verh√§ltnisse bei den LEDs, denn selbst ‚ÄöPower‚Äė-LEDs nehmen nur zwischen 0,5 und 5 Watt auf. Von einigen Ausnahmef√§llen abgesehen, sind deshalb h√§ufig 100 oder sogar mehr 1-W-LEDs erforderlich, um den f√ľr eine Stra√üenleuchte n√∂tigen Lichtstrom von mehreren tausend Lumen zu erzeugen.

 

LEDs werden √ľber den Strom angesteuert, und an einer wei√üen LED mit 1 W Leistung f√§llt bei 350 mA eine Vorw√§rtsspannung VF von 3,0 V bis 4,0 V ab. Eine LED ist im Prinzip eine Diode mit PN-Sperrschicht und einem sehr geringen dynamischen Widerstand. Legt man an eine Diode eine Spannung, die deutlich gr√∂√üer ist als VF, so flie√üt ein unkontrolliert hoher Strom. Direkt an die Netzspannung angeschlossen, w√ľrde eine LED augenblicklich und auf spektakul√§re Weise ausfallen. Ben√∂tigt wird also ein so genannter Treiber. Dabei handelt es sich um eine Schaltung, die aus der Netzspannung einen konstanten Strom generiert. Schlie√ülich sind die Verh√§ltnisse bei einer Stra√üenleuchte anders als bei einem Blitzger√§t, das vom Verbraucher entsorgt werden d√ľrfte, lange bevor die LED das Ende ihrer Lebensdauer erreicht. Bei Stra√üenleuchten stehen die Langzeit-Zuverl√§ssigkeit und die Produktlebensdauer ganz oben auf der Priorit√§tenliste, so dass LEDs hier eigentlich geeignet sein d√ľrften, zumal sie stets als die langlebigsten kommerziellen Leuchtmittel propagiert werden. Wenn eine LED-Leuchte aber tats√§chlich einige zehntausend Stunden halten soll, muss auch die Treiberschaltung f√ľr diese lange Einsatzdauer ausgelegt werden. Hierf√ľr muss auf alle Aspekte der elektrischen Ansteuerung genau geachtet werden ‚Äď von der Festlegung der Systemarchitektur bis zur Auswahl der einzelnen Bauelemente f√ľr die Schaltung.

 

Höhe der DC-Busspannung

 

Eine M√∂glichkeit, 100 LEDs zu betreiben, w√§re die Anordnung in einer einzigen seriellen Kette, wie sie Bild 1 zeigt. Damit w√§re auf jeden Fall sichergestellt, dass in allen LEDs der gleiche Strom flie√üt. Da au√üerdem die Lichtabgabe proportional zum Strom ist, w√ľrden alle LEDs garantiert mit gleicher Helligkeit leuchten. Problematisch hieran ist nur, dass f√ľr eine solche Anordnung m√∂glicherweise eine Spannung bis zu 400 V erforderlich ist, die nicht nur lebensgef√§hrlich sein kann, sondern auch gro√ü dimensionierte und entsprechend teure Bauelemente erfordert.

 

 

Bild 1. Die scheinbar simple Lösung: Alle 100 LEDs in Reihe geschaltet

 

Anders lassen sich die 100 LEDs bei Verwendung einer niedrigeren Gleichspannung verschalten. Bekannte, effektive Topologien wie der Sperrwandler (Flyback Converter) eignen sich hervorragend zum Erzeugen einer ungef√§hrlichen Gleichspannung aus der Spannung des Wechselstromnetzes. Man w√§hlt hier h√§ufig den Begriff ‚ÄöOffline-Wandler‚Äė, weil diese Schaltungen das Herabsetzen der Spannung mit einer galvanischen Isolation und einer Leistungsfaktor-Korrektur (engl. Power Factor Correction ‚Äď PFC) kombinieren. Gleichspannungen bis zu 60 V sind sehr verbreitet, denn in Telekommunikations-Anwendungen sind 48 V gebr√§uchlich, und au√üerdem gibt es entsprechende Sicherheitsvorschriften wie die von der IEC definierte Safety Extra Low Voltage. Da sie einerseits h√∂her ist als die Logikspannungen der digitalen Schaltungen, andererseits aber nicht so hoch wie die gleichgerichtete Netzspannung, wird die 48-V-Zwischenspannung h√§ufig als ‚ÄöIntermediate DC Bus‚Äė bezeichnet.

 

Topologien von DC/DC-LED-Treibern

 

Ein DC/DC-Wandler ist die logische Wahl f√ľr die letzte Stufe einer LED-Stromversorgung. Da die LED mit Gleichstrom betrieben werden muss, liefert der Ausgang ebenfalls eine Gleichspannung. Das soeben skizzierte Zwischenspannungs-Konzept erlaubt dem Designer die Verwendung kosteneffektiver, nicht-isolierter DC/DC-Wandler, da Gleichrichtung, Leistungsfaktor-Korrektur und Isolation bereits von der vorherigen Stufe √ľbernommen wurden. Bei den nichtisolierten Wandlern unterscheidet man zwischen drei Bauarten: Abw√§rtswandler (Buck Converter), Aufw√§rtswandler (Boost Converter) und Auf/Abw√§rtswandler (Buck-Boost Converter). Von diesen drei Ausf√ľhrungen, die in Bild 2 dargestellt sind, eignet sich der Abw√§rtswandler bei weitem am besten als LED-Treiber.

 

abc

 

 Bild 2a. Abw√§rtswandler, wenn VIN > VO. Der Ausgangskondensator ist optional.

 

Bild 2b. Aufwärtswandler, wenn VIN < VO. Der Ausgangskondensator ist zwingend erforderlich.

 

Bild 2c. Auf/Abw√§rtswandler, wenn sich VIN und VO √ľberschneiden. Viele Topologien stehen zur Auswahl.

 

Dies hat mehrere Gr√ľnde. Erstens befindet sich die Drossel am Ausgang, wodurch LED und Drosselstrom den gleichen Durchschnittswert haben und der Ausgangsstrom dank der Drossel stets explizit geregelt wird. Zweitens ist das Herabsetzen der Spannung stets die effizienteste Art der Leistungsumwandlung, sodass der (auch als Tiefsetzsteller bezeichnete) Abw√§rtswander die h√∂chste Energieeffizienz aller Schaltregler erreicht. Drittens ist der Abw√§rtswandler die wirtschaftlichste Schaltregler-Bauart, da die h√∂chsten Str√∂me am Ausgang flie√üen, w√§hrend die h√∂chste Spannung am Eingang anliegt. Die Leistungs-MOSFETs und Dioden, die in Schaltreglern die eigentlichen Schalt-Aufgaben wahrnehmen, werden dadurch in Bezug auf Strom und Spannung am wenigsten belastet. Dementsprechend gro√ü ist die Auswahl in Frage kommender Leistungsschalter, passiver Bauelemente und Regler-ICs, sodass sich hiermit die unter dem Strich wirtschaftlichste L√∂sung realisieren l√§sst.

 

Anordnung der LEDs und Auswahl des Treiber-IC

 

F√ľr dieses Beispiel sollen 100 LEDs mit einer Leistungsaufnahme von je 1 W zugrundegelegt werden. Die Verwendung einer Zwischenspannung von 48 V DC ist sinnvoll, da es eine gro√üe Auswahl an Netzteilen unterschiedlicher Leistung gibt, die diese Ausgangsspannung zur Verf√ľgung stellen. An der auf ¬Ī5 % genau geregelten Spannung von 48 V l√§sst sich ein Buck-LED-Treiber betreiben, der zehn LEDs versorgt. Mit zehn Treibern dieser Art kann somit eine betriebssichere Leuchte mit 100 LEDs konfiguriert werden, die ohne gef√§hrliche Spannungen auskommt. Die Hersteller von Opto-Halbleitern sortieren ihre wei√üen LEDs nach Lichtstrom, korrelierter Farbtemperatur (Correlated Color Temperature ‚Äď CCT) und Vorw√§rtsspannung. Dieses so genannte Binning nach Farbtemperatur und Lichtstrom ist wichtig f√ľr eine einheitliche Farbe und Intensit√§t des Lichts, jedoch werden LEDs umso teurer, je gr√∂√üer die Zahl der Kriterien ist, nach denen das Binning erfolgt. Werden jedoch LEDs aus mehreren Bins verwendet, m√ľssen die LED-Leuchten vom Design her f√ľr einen gro√üen Bereich von Vorw√§rtsspannungen ausgelegt werden.

 

Jeder LED-Treiber wird deshalb als 350-mA-Konstantstromquelle realisiert, die bei Eingangsspannungen zwischen 45 V und 51 V, Ausgangsspannungen von 30 V bis 40 V liefern kann und damit die zwischen 3,0 V und 4,0 V betragende Streuung des VF-Wertes von einer LED zur anderen abdeckt. Der Abw√§rtswandler LM3402HV besitzt einen eingebauten Leistungs-N-MOSFET, der f√ľr Spannungen bis zu 75 V ausgelegt ist und sich bestens f√ľr den Ausgangsstrom von 350 mA eignet, da sein √úbertemperatur-Grenzstrom minimal 530 mA betr√§gt. Dies reicht aus, um die LEDs n√∂tigenfalls mit einem sehr welligen Strom anzusteuern. Bild 3 gibt das Blockschaltbild des Systems wieder, w√§hrend die komplette Beschaltung eines jeden LM3402HV in Bild 4 dargestellt ist.

 

Herausforderungen beim Design mit Abwärtswandlern

 

Werden die LEDs mithilfe eines Abw√§rtswandlers angesteuert, liegt die kritischste Situation dann vor, wenn die minimale Eingangsspannung anliegt und die maximale Ausgangsspannung abgerufen wird. √Ąhnlich wie viele andere Schaltregler kann der LM3402HV seinen internen Leistungs-N-MOSFET nicht f√ľr unbestimmte Zeit einschalten. Dieser muss w√§hrend jeder Schaltperiode f√ľr eine Dauer von mindestens 300 ns abgeschaltet werden, damit sich der so genannte Bootstrap-Kondensator, der ein Bestandteil der Ansteuerschaltung f√ľr den internen MOSFET ist, wieder geladen werden kann. Da diese Mindestdauer des Off-Intervalls festgelegt ist, wird das maximal erreichbare Tastverh√§ltnis mit zunehmender Schaltfrequenz immer kleiner, denn die besagten 300 ns beanspruchen einen immer gr√∂√üeren Teil des Schaltzyklus. F√ľr das vorliegende Beispiel wird die maximale Schaltfrequenz fSW-MAX f√ľr VO-MAX = 40 V und VIN-MIN = 45 V berechnet, und zwar mit der folgenden Formel:

 

 

 

Bild 3. Schema der Systemarchitektur

  

 

Bild 4. Die Beschaltung des LM3402HV im Detail

  

Der Bereich der typischen Schaltfrequenzen des LM3402HV erstreckt sich von 50 kHz bis 1 MHz. In vielen F√§llen bietet ein Wert von 500 kHz einen guten Kompromiss zwischen der Gr√∂√üe der Leistungs-Bauelemente (die Drossel kann mit zunehmender Schaltfrequenz immer kompakter gew√§hlt werden) und der Energieeffizienz (diese nimmt mit sinkender Schaltfrequenz zu). Da 500 kHz im vorliegenden Fall nicht in Frage kommen, wird eine Schaltfrequenz von 370 kHz gew√§hlt. So ist gew√§hrleistet, dass der LED-Treiber mit den kleinsten Bauelementen best√ľckt werden kann und dennoch in der Lage ist, alle zehn LEDs selbst bei der ung√ľnstigsten Kombination aus Ein und Ausgangsspannung korrekt anzusteuern.

 

Vermeidung der Probleme von Serien-Parallelschaltungen

 

Oft wird √ľberlegt, eine kombinierte Serien-Parallelschaltung von einer einzigen Stromquelle ansteuern zu lassen (Bild 5). Die Stromquelle in dieser Konfiguration w√ľrde hier einen Strom von 3,5 A ausgeben, bei der gleichen Ausgangsspannung von 30 bis 40 V.

Bild 5. Serien-Parallel-Anordnung mit Querverbindungen

 

Auf den ersten Blick scheint diese Architektur viele Vorteile zu haben ‚Äď haupts√§chlich niedrigere Kosten ‚Äď, denn eine Stromversorgung f√ľr einen hohen Strom ist nahezu immer wirtschaftlicher als zehn Stromversorgungen f√ľr niedrigere Stromst√§rken. Allerdings weist die Serien-Parallel-Anordnung deutlich mehr Nachteile auf, die sie impraktikabel machen. Selbst wenn die in Bild 5 gezeigten Querverbindungen existieren, f√ľhrt die unvermeidliche Exemplarstreuung der VF-Werte der LEDs dazu, dass sich der Ausgangsstrom des Treibers von 3,5 A niemals gleichf√∂rmig auf alle LEDs verteilt. Eine sehr genaue Sortierung der LEDs nach VF reduziert zwar die Stromunterschiede, jedoch gilt dies nur bei der Binning-Temperatur von 25 ¬įC. Mit zunehmender Chiptemperatur geht VF zur√ľck, und nicht nur der VF-Wert selbst, sondern auch sein Temperaturkoeffizient unterliegt einer Exemplarstreuung, sodass ein bei 25 ¬įC perfekt abgestimmtes Array wieder ein Ungleichgewicht aufweist, wenn es sich thermisch stabilisiert hat. Erschwert wird die Situation dadurch, dass steigender LED-Strom, fallende Vorw√§rtsspannung und steigende Chiptemperatur einen positiv r√ľckgekoppelten Regelkreis bilden: LEDs, bei denen VF st√§rker zur√ľckgeht, werden von einem h√∂heren Strom durchflossen, der die Chiptemperatur st√§rker ansteigen l√§sst und zu einem weiteren R√ľckgang von VF f√ľhrt.

 

Bild 6. Mängel des Serien-Parallel-Arrays bei einem LED-Ausfall

  

 

Ein weiteres Problem, das jeden Stra√üenbeleuchtungs-Designer von dieser Serien-Parallelschaltung abhalten sollte, ist die mangelhafte Systemzuverl√§ssigkeit bei Ausfall einer LED. Kommt es in einer LED zu einer Stromkreisunterbrechung, gibt die Stromquelle in Bild 6 weiterhin den vollen Strom ab, den die verbliebenen LED-Ketten unter sich aufteilen m√ľssen. Ebenso kann es in einer defekten LED zu einem Kurzschluss kommen, der die Spannung im Array deutlich einbrechen l√§sst und zu einem Ungleichgewicht f√ľhrt. Dieses wiederum hat eine √ľberm√§√üige Erw√§rmung anderer LEDs im Array zur Folge. Kurzfristig f√ľhrt dies zu einer verminderten Lichtabgabe, und langfristig wird der Lichtstromfaktor negativ beeinflusst. Die LED wird somit dunkel und muss vorzeitig ersetzt werden. In einer zuverl√§ssigen LED-Lichtquelle sollte deshalb jeder LED-String seine eigene Stromquelle bzw. Stromsenke besitzen.

 

Fazit

 

In vielen Consumer-Anwendungen sind die Beleuchtungskosten schon mit der jetzigen Technik (d. h. Gl√ľhlampen oder Energiesparlampen) so gering, dass die zahlreichen Vorteile der LEDs die h√∂heren Anfangskosten nicht aufwiegen k√∂nnen. Grundlegend anders sind die Verh√§ltnisse bei Stra√üenleuchten, denn hier wird eine lange Lebensdauer gefordert. Hinzu kommen der hohe Grad an Regelbarkeit der LED-Beleuchtung und ein Endanwender (der Staat), der nicht nur die Beschaffungskosten, sondern die Gesamtbetriebskosten ber√ľcksichtigt. Genau hier bieten qualitativ hochwertige LEDs im Verbund mit gutem W√§rmemanagement und robuster Treiberelektronik einen echten Mehrwert. Die in diesem Artikel vorgestellte Treiberl√∂sung bietet das richtige Gleichgewicht aus Beschaffungskosten und langer Lebensdauer (mindestens auf dem Niveau der LEDs selbst). Abgesehen davon schafft diese L√∂sung beste Voraussetzungen f√ľr den Einsatz mit dem n√§chsten Schritt in Richtung intelligenter Beleuchtung. Dabei reguliert jede Stra√üenleuchte ihre Lichtabgabe selbst, reagiert auf Fehler, meldet diese und kommuniziert mit den benachbarten Stra√üenleuchten. Dies f√ľhrt unter dem Strich zu einem hohen Wirkungsgrad und hervorragender Zuverl√§ssigkeit.

 

Links :

www.national.com

www.national.com/analog/led

www.national.com/pf/LM/LM3402HV.html#Overview

 

Der Autor Christopher Richardson ist Product Applications Engineer, Power Management and Lighting, Europe, bei National Semiconductor mit Dienstsitz in Madrid/Spanien.

 

Bitte beachten: National Semiconductor ist mittlerweile von Texas Instruments aufgekauft worden.


 


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