13.02.2011

Treiberlösung für LED-Straßenleuchten




 

Autor: Christopher Richardson, National Semiconductor


Der vorliegende Beitrag widmet sich den Anforderungen von LED-Straßenleuchten und stellt eine praxistaugliche Treiberlösung zur Ansteuerung von 100 Hochleistungs-LEDs vor. Die modulare Struktur dieser Lösung sorgt für viel Flexibilität beim Design und bietet den zusätzlichen Vorteil eines großen Versorgungsspannungsbereichs. Gemeinsam sorgen diese Eigenschaften dafür, dass das Konzept unterschiedlichen Designs gerecht werden kann.

 

Ob es sich nun um Blitzgeräte, Ersatz-Leuchtmittel für MR-16-Glühlampen, Notbeleuchtungen oder andere Anwendungen handelt – es gibt kaum eine Anwendung für weiße Leuchten geringer Leistung, die nicht schon von der LED-Technik erobert worden wäre. Und nun rüsten sich die Beleuchtungs-Designer dafür, immer mehr weiße Lichtquellen mit immer höherer Leistung auf diese ‚Solid State‘-Leuchtmittel umzustellen. Straßenleuchten dürften der nächste wahrscheinliche Kandidat für diese umfangreiche Umrüstung sein, obwohl sie erheblich größere Herausforderungen bergen als Blitzgeräte und andere Applikationen geringer Leistung. Die LED-Technik in Straßenleuchten einzusetzen, ist einerseits höchst attraktiv, weil LEDs eine lange Lebensdauer erreichen, eine hohe Lichtqualität bieten und weder Blei noch Quecksilber enthalten. Andererseits kommen nur die allerbesten LED-Lösungen 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 für intelligentere Straßenbeleuchtungen, denn Straßenleuchten, die je nach Bedarf gedimmt oder ganz abgeschaltet werden können, sparen Geld und Energie und schonen damit die Budgets und die Umwelt.

 

Design-Anforderungen

 

Die Umstellung auf LED-Straßenbeleuchtung wird nicht über Nacht erfolgen. Dazu sind noch zu viele ernst zu nehmende technische Hindernisse zu überwinden. Zunächst ist zu berücksichtigen, dass Straßenleuchten abgesehen von wenigen Ausnahmen (z. B. bei Versorgung durch Solarzellen) am Wechselstromnetz mit einer Spannung von 230 V oder 120 V betrieben werden. Für Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen (High Intensity Discharge – HID) gibt es eine große Auswahl an Vorschaltgeräten für den Netzbetrieb, die jedoch einfach aufgebaut sind, weil die Zahl der Einzel-Leuchtmittel gering ist. Selten kommen mehr als vier Leuchtstoffröhren in einer Leuchte zum Einsatz, und bei HID-Lampen ist es in den allermeisten Fällen nur ein einziges Leuchtmittel. Völlig anders sind die Verhältnisse bei den LEDs, denn selbst ‚Power‘-LEDs nehmen nur zwischen 0,5 und 5 Watt auf. Von einigen Ausnahmefällen abgesehen, sind deshalb häufig 100 oder sogar mehr 1-W-LEDs erforderlich, um den für eine Straßenleuchte nötigen Lichtstrom von mehreren tausend Lumen zu erzeugen.

 

LEDs werden über den Strom angesteuert, und an einer weißen LED mit 1 W Leistung fällt bei 350 mA eine Vorwärtsspannung 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 größer ist als VF, so fließt ein unkontrolliert hoher Strom. Direkt an die Netzspannung angeschlossen, würde eine LED augenblicklich und auf spektakuläre Weise ausfallen. Benötigt wird also ein so genannter Treiber. Dabei handelt es sich um eine Schaltung, die aus der Netzspannung einen konstanten Strom generiert. Schließlich sind die Verhältnisse bei einer Straßenleuchte anders als bei einem Blitzgerät, das vom Verbraucher entsorgt werden dürfte, lange bevor die LED das Ende ihrer Lebensdauer erreicht. Bei Straßenleuchten stehen die Langzeit-Zuverlässigkeit und die Produktlebensdauer ganz oben auf der Prioritätenliste, so dass LEDs hier eigentlich geeignet sein dürften, zumal sie stets als die langlebigsten kommerziellen Leuchtmittel propagiert werden. Wenn eine LED-Leuchte aber tatsächlich einige zehntausend Stunden halten soll, muss auch die Treiberschaltung für diese lange Einsatzdauer ausgelegt werden. Hierfür muss auf alle Aspekte der elektrischen Ansteuerung genau geachtet werden – von der Festlegung der Systemarchitektur bis zur Auswahl der einzelnen Bauelemente für die Schaltung.

 

Höhe der DC-Busspannung

 

Eine Möglichkeit, 100 LEDs zu betreiben, wäre die Anordnung in einer einzigen seriellen Kette, wie sie Bild 1 zeigt. Damit wäre auf jeden Fall sichergestellt, dass in allen LEDs der gleiche Strom fließt. Da außerdem die Lichtabgabe proportional zum Strom ist, würden alle LEDs garantiert mit gleicher Helligkeit leuchten. Problematisch hieran ist nur, dass für eine solche Anordnung möglicherweise eine Spannung bis zu 400 V erforderlich ist, die nicht nur lebensgefährlich sein kann, sondern auch groß 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 ungefährlichen Gleichspannung aus der Spannung des Wechselstromnetzes. Man wählt hier häufig den Begriff ‚Offline-Wandler‘, weil diese Schaltungen das Herabsetzen der Spannung mit einer galvanischen Isolation und einer Leistungsfaktor-Korrektur (engl. Power Factor Correction – PFC) kombinieren. Gleichspannungen bis zu 60 V sind sehr verbreitet, denn in Telekommunikations-Anwendungen sind 48 V gebräuchlich, und außerdem gibt es entsprechende Sicherheitsvorschriften wie die von der IEC definierte Safety Extra Low Voltage. Da sie einerseits höher ist als die Logikspannungen der digitalen Schaltungen, andererseits aber nicht so hoch wie die gleichgerichtete Netzspannung, wird die 48-V-Zwischenspannung häufig als ‚Intermediate DC Bus‘ bezeichnet.

 

Topologien von DC/DC-LED-Treibern

 

Ein DC/DC-Wandler ist die logische Wahl für 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 übernommen wurden. Bei den nichtisolierten Wandlern unterscheidet man zwischen drei Bauarten: Abwärtswandler (Buck Converter), Aufwärtswandler (Boost Converter) und Auf/Abwärtswandler (Buck-Boost Converter). Von diesen drei Ausführungen, die in Bild 2 dargestellt sind, eignet sich der Abwärtswandler bei weitem am besten als LED-Treiber.

 

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 Bild 2a. Abwärtswandler, wenn VIN > VO. Der Ausgangskondensator ist optional.

 

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

 

Bild 2c. Auf/Abwärtswandler, wenn sich VIN und VO überschneiden. Viele Topologien stehen zur Auswahl.

 

Dies hat mehrere Gründe. 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) Abwärtswander die höchste Energieeffizienz aller Schaltregler erreicht. Drittens ist der Abwärtswandler die wirtschaftlichste Schaltregler-Bauart, da die höchsten Ströme am Ausgang fließen, während die höchste 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 groß ist die Auswahl in Frage kommender Leistungsschalter, passiver Bauelemente und Regler-ICs, sodass sich hiermit die unter dem Strich wirtschaftlichste Lösung realisieren lässt.

 

Anordnung der LEDs und Auswahl des Treiber-IC

 

Für 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 große Auswahl an Netzteilen unterschiedlicher Leistung gibt, die diese Ausgangsspannung zur Verfügung stellen. An der auf ±5 % genau geregelten Spannung von 48 V lässt 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 gefährliche Spannungen auskommt. Die Hersteller von Opto-Halbleitern sortieren ihre weißen LEDs nach Lichtstrom, korrelierter Farbtemperatur (Correlated Color Temperature – CCT) und Vorwärtsspannung. Dieses so genannte Binning nach Farbtemperatur und Lichtstrom ist wichtig für eine einheitliche Farbe und Intensität des Lichts, jedoch werden LEDs umso teurer, je größer die Zahl der Kriterien ist, nach denen das Binning erfolgt. Werden jedoch LEDs aus mehreren Bins verwendet, müssen die LED-Leuchten vom Design her für einen großen Bereich von Vorwärtsspannungen 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 Abwärtswandler LM3402HV besitzt einen eingebauten Leistungs-N-MOSFET, der für Spannungen bis zu 75 V ausgelegt ist und sich bestens für den Ausgangsstrom von 350 mA eignet, da sein Übertemperatur-Grenzstrom minimal 530 mA beträgt. Dies reicht aus, um die LEDs nötigenfalls mit einem sehr welligen Strom anzusteuern. Bild 3 gibt das Blockschaltbild des Systems wieder, während die komplette Beschaltung eines jeden LM3402HV in Bild 4 dargestellt ist.

 

Herausforderungen beim Design mit Abwärtswandlern

 

Werden die LEDs mithilfe eines Abwärtswandlers angesteuert, liegt die kritischste Situation dann vor, wenn die minimale Eingangsspannung anliegt und die maximale Ausgangsspannung abgerufen wird. Ähnlich wie viele andere Schaltregler kann der LM3402HV seinen internen Leistungs-N-MOSFET nicht für unbestimmte Zeit einschalten. Dieser muss während jeder Schaltperiode für eine Dauer von mindestens 300 ns abgeschaltet werden, damit sich der so genannte Bootstrap-Kondensator, der ein Bestandteil der Ansteuerschaltung für den internen MOSFET ist, wieder geladen werden kann. Da diese Mindestdauer des Off-Intervalls festgelegt ist, wird das maximal erreichbare Tastverhältnis mit zunehmender Schaltfrequenz immer kleiner, denn die besagten 300 ns beanspruchen einen immer größeren Teil des Schaltzyklus. Für das vorliegende Beispiel wird die maximale Schaltfrequenz fSW-MAX für 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 Fällen bietet ein Wert von 500 kHz einen guten Kompromiss zwischen der Größe der Leistungs-Bauelemente (die Drossel kann mit zunehmender Schaltfrequenz immer kompakter gewählt 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 gewählt. So ist gewährleistet, dass der LED-Treiber mit den kleinsten Bauelementen bestückt werden kann und dennoch in der Lage ist, alle zehn LEDs selbst bei der ungünstigsten Kombination aus Ein und Ausgangsspannung korrekt anzusteuern.

 

Vermeidung der Probleme von Serien-Parallelschaltungen

 

Oft wird überlegt, eine kombinierte Serien-Parallelschaltung von einer einzigen Stromquelle ansteuern zu lassen (Bild 5). Die Stromquelle in dieser Konfiguration würde 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 – hauptsächlich niedrigere Kosten –, denn eine Stromversorgung für einen hohen Strom ist nahezu immer wirtschaftlicher als zehn Stromversorgungen für niedrigere Stromstärken. Allerdings weist die Serien-Parallel-Anordnung deutlich mehr Nachteile auf, die sie impraktikabel machen. Selbst wenn die in Bild 5 gezeigten Querverbindungen existieren, führt die unvermeidliche Exemplarstreuung der VF-Werte der LEDs dazu, dass sich der Ausgangsstrom des Treibers von 3,5 A niemals gleichförmig 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 °C. Mit zunehmender Chiptemperatur geht VF zurück, und nicht nur der VF-Wert selbst, sondern auch sein Temperaturkoeffizient unterliegt einer Exemplarstreuung, sodass ein bei 25 °C perfekt abgestimmtes Array wieder ein Ungleichgewicht aufweist, wenn es sich thermisch stabilisiert hat. Erschwert wird die Situation dadurch, dass steigender LED-Strom, fallende Vorwärtsspannung und steigende Chiptemperatur einen positiv rückgekoppelten Regelkreis bilden: LEDs, bei denen VF stärker zurückgeht, werden von einem höheren Strom durchflossen, der die Chiptemperatur stärker ansteigen lässt und zu einem weiteren Rückgang von VF führt.

 

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

  

 

Ein weiteres Problem, das jeden Straßenbeleuchtungs-Designer von dieser Serien-Parallelschaltung abhalten sollte, ist die mangelhafte Systemzuverlässigkeit 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 müssen. Ebenso kann es in einer defekten LED zu einem Kurzschluss kommen, der die Spannung im Array deutlich einbrechen lässt und zu einem Ungleichgewicht führt. Dieses wiederum hat eine übermäßige Erwärmung anderer LEDs im Array zur Folge. Kurzfristig führt dies zu einer verminderten Lichtabgabe, und langfristig wird der Lichtstromfaktor negativ beeinflusst. Die LED wird somit dunkel und muss vorzeitig ersetzt werden. In einer zuverlässigen 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. Glühlampen oder Energiesparlampen) so gering, dass die zahlreichen Vorteile der LEDs die höheren Anfangskosten nicht aufwiegen können. Grundlegend anders sind die Verhältnisse bei Straßenleuchten, 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 berücksichtigt. Genau hier bieten qualitativ hochwertige LEDs im Verbund mit gutem Wärmemanagement und robuster Treiberelektronik einen echten Mehrwert. Die in diesem Artikel vorgestellte Treiberlösung bietet das richtige Gleichgewicht aus Beschaffungskosten und langer Lebensdauer (mindestens auf dem Niveau der LEDs selbst). Abgesehen davon schafft diese Lösung beste Voraussetzungen für den Einsatz mit dem nächsten Schritt in Richtung intelligenter Beleuchtung. Dabei reguliert jede Straßenleuchte ihre Lichtabgabe selbst, reagiert auf Fehler, meldet diese und kommuniziert mit den benachbarten Straßenleuchten. Dies führt unter dem Strich zu einem hohen Wirkungsgrad und hervorragender Zuverlässigkeit.

 

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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