LED-Beleuchtung

Konstantstromregelung bietet Vorteile beim Betrieb von High-Brightness-LEDs

03.03.2010 | Autor / Redakteur: Tim Kaske und Paul Decloedt* / Hendrik Härter

Die Konstantstromregelung bietet Vorteile beim Betrieb von HB-LEDs

Für die Ansteuerung von High-Brightness-LEDs gibt es unterschiedliche Methoden. Unser Beitrag erklärt, warum eine Konstantstromregelung eine wesentliche Rolle für leistungsfähigere und zuverlässigere LED-basierte Beleuchtungen spielt.

Die erheblichen Fortschritte bei High-Brightness LEDs geben Beleuchtungsdesignern die Möglichkeit, herkömmliche Glühlampen, Leuchtstoffröhren und Halogenlampen durch zuverlässigere und energieeffiziente LED-basierte Alternativen zu ersetzen. Halbleiterbasierte Beleuchtung kommt daher zunehmend im Automobil, dem so genannten Digital Signage und der Architektur zum Einsatz, genauso wie in Straßenbeleuchtungen.

Bei der Ansteuerung dieser LEDs herrscht allerdings Uneinigkeit über die jeweils beste Methode. Viele Beleuchtungsdesigns basieren auf bestehenden oder modifizierten Lösungen, mit denen die speziellen Anforderungen von HB-LEDs allerdings nicht abgedeckt werden. Wollen Designer wirklich die Vorteile dieser neuen Beleuchtungsmethode nutzen, sollte man die Ansteuerungstechniken für HB-LEDs genau überdenken.

Eine Systembetrachtung

Die Hauptbestandteile einer halbleiterbasierten HB-LED-Beleuchtung sind die LED-Emitter, Leistungswandlung, Ansteuerung, das Wärmemanagement und die erforderliche Optik. Werden nicht alle diese Aspekte berücksichtigt, liegt auch kein optimales LED-Beleuchtungssystem vor. Wird beispielsweise die Fokussierung und Ablenkung der Lichtquelle durch Linsen/Lichtleiter vernachlässigt, werden die Ausleuchtungsanforderungen nicht erfüllt.

Wird das Wärmemanagement vernachlässigt, verringert sich die Lebensdauer des Beleuchtungssystems. Die Versorgung und Ansteuerung ist hinsichtlich einer langen Lebensdauer ebenfalls von Bedeutung. Die Versorgungsspannungsquelle in einem HB-LED-Beleuchtungsdesign hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Für architektonische und Gebäudebeleuchtungen wird die Spannungsquelle meist die Netzwechselspannung sein. Außenbeleuchtungen im Heimbereich können mit einer ungeregelten Versorgung, wie einer Solarzelle, betrieben werden. Im Fahrzeugbau liefert die 12-V-Batterie den erforderlichen Strom.

Das Ansteuern von LED-Emittern von einer Spannungsquelle ohne jegliche Art von Leistungswandlung sollte vermieden werden, da die normalen Spannungsschwankungen zu erheblichen Unterschieden bei der LED-Stromstärke führen. Faktoren wie die sehr steile U/I-Kurve und eine große Schwankungsbreite der LED-Durchlassspannung von Losgröße zu Losgröße erfordern eine isolierte oder nicht isolierte Leistungswandlerstufe.

Die Stromregelung

Eine der wesentlichen Funktionen des LED-Treiberschaltkreises ist die Regelung des Stromflusses, unabhängig von den Eingangsbedingungen und Durchlassspannungsabweichungen und das über eine Reihe von Betriebsbedingungen hinweg. Der Treiberschaltkreis muss die Applikationsanforderungen in Sachen Wirkungsgrad, Stromtoleranz, Formfaktor, Kosten und Sicherheit erfüllen. Gleichzeitig muss der gewählte Ansatz einfach zu implementieren und widerstandsfähig genug sein, um extreme Betriebs- und Umgebungsbedingungen der Anwendung abzudecken.

Die drei grundlegenden Treiber-/Regler-Auslegungen sind Buck (Abwärtswandler), Boost (Aufwärtswandler) und Buck-Boost (Auf-Abwärtswandler, wie SEPIC: Single-Ended Primary Inductor Conversion). Bei Buck-Schaltkreisen ist die minimale Eingangsspannung (Uin) immer größer als die maximale Spannung des LED-Strangs unter allen Betriebsbedingungen. Boost-Schaltkreise kommen zum Einsatz, wenn die maximale Uin stets geringer als die minimale Spannung des LED-Strangs ist.

 

HB-LEDs als Hauptbeleuchtungsmittel

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