Treiberbausteine Gedimmtes Licht – Lösungen für das LED-Leuchtendesign

Autor / Redakteur: Rich Miron* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Digi-Key bietet verschiedene Bausteine, um damit LEDs zu dimmen. In unserem Beitrag geben wir einen Überblick, welche Lösungen es zum Dimmen in der LED-Beleuchtung gibt.

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LEDs geschickt dimmen: Welcher Treiberbaustein eignet sich zum Dimmen einer LED? Digi-Key bietet verschiedene Lösungen an.
LEDs geschickt dimmen: Welcher Treiberbaustein eignet sich zum Dimmen einer LED? Digi-Key bietet verschiedene Lösungen an.
(Foto: pupkis, ClipDealer)

Die Dimm-Performance von LED-Lampen in älteren Triac-basierten Dimmern ist heutzutage eine der größten Herausforderungen der LED-Beleuchtungsdesigner. In vielen Fällen kommt es zu einem Flackern der LED. Hinzu kommt, dass der Dimmbereich im Vergleich zu Glühlampen eingeschränkt wird. Das Problem ist, dass Dimmer auf Basis von Triac für den Einsatz in Glühlampen mit resistiven Lasten konzipiert wurden. Wenn LEDs mit den Dimmern verwendet wurden, verursachte der niedrige Strombedarf zusammen mit der nicht-resistiven Art der Komponenten das intermittierende ein- und ausschalten des Triacs, welches die flackernde Wirkung erzeugt.

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Interview mit Rich Miron von Digi-Key: "Aktuell bietet Digi-Key online 140 Referenz-Designs für den LED-Leuchtenentwurf"

Wie unterstützt Digi-Key seine Kunden bei LED-Beleuchtungslösungen?

Digi-Key führt eine Vielzahl von Komponenten für die LED-Beleuchtung, einschließlich LEDs hoher Helligkeit, LED-Treiber, Optiken und Kühlkörper. Alles was der Designer benötigt, um ein funktionierendes LED-Beleuchtungsprojekt zu entwickeln, kann in unserer Bauteile-Datenbank von gefunden werden. Unterstützung erhalten Entwickler vom Design Support Service bei ihren elektrischen Desingprobleme.

Welche Werkzeuge von Digi-key unterstützen beim Design?

Auf seinen Online-Seiten hat Digi-Key eine spezielle TechZone, wo Entwickler sämtliche Bauteile für Ihre Bedürfnisse finden. Hinzu kommen verschiedene Design-Tools und Referenzdesigns von verschiedenen Anbietern. In der Referenzdesign-Bibliothek kann aktuell auf 140 Referenzdesigns zugegriffen werden. Enthalten ist eine detaillierte Schaltung, eine Bauteile-Spezifikation sowie eine Zusammenfassung der Schaltungsfunktionalität. Somit bekommt der Entwickler alle notwendigen Informationen, um problemlos die Schaltung entwerfen und zum Laufen zu bekommen.

Welche Komponenten sind hilfreich, um dimmbare Schaltungen zu erstellen?

Unterschieden wird in zwei Hauptmethoden. Zum einen in die analoge Dimmung, wo nur ein Potentiometer benötigt wird, welches den Ausgangsstrom der LED steuert. Nachteilig ist, dass die Farbtemperatur als eine Funktion des Antriebsstroms variiert. Bei der Pulsweiten-Modulation verwendet man einen speziellen Treiber, der Stromimpulse gleicher Amplitude mit unterschiedlichen Arbeitszyklen an die LED führt. Die Helligkeit der LED wird geregelt, ohne die Farbtemperatur zu ändern.

Wie sieht Digi-Key die nahe Zukunft der LED-Beleuchtung

Die Zukunft der LED in der Allgemeinbeleuchtung sieht sehr vielversprechend aus. Weltweit ist die klassische Glühlampe auf dem Rückzug. Beispielsweise wurden in der Europäischen Union Leuchtmittel mit geringer Energieeffizienz schrittweise aus dem Verkehr genommen und dürfen nicht mehr verkauft werden. Diese Regelung trat Mitte April 2009 in Kraft.

Der Anstieg in Industrie, Dienstleistung und kommunalen Märkte ist bereits spürbar, weil für langfristige Kosteneinsparungen bei Energie- und Wartungskosten eindeutig die LED-Beleuchtung in Frage kommt.

Auf dem Wohnungsmarkt wird es aufgrund der anfänglichen Kosten noch etwas mehr Zeit erfordern, um auf die LED-Beleuchtung umzurüsten. Beschleunigt wird der Prozess allerdings durch die Tatsache, dass Glühlampen vom Markt verschwinden und LEDs für die breite Masse der Leute erschwinglich werden.

Techzone von Digi-Key

Licht-Lösungen von Digi-Key

Referenz-Designs von verschiedenen Anbietern

Bibliothek mit Referenz-Designs

Damit es nicht zum Flackern der LED kommt

Da LEDs und LED-Treiber keine ohmschen Lasten haben und der erforderliche Strom niedriger ist als der Haltestrom des Triacs im Dimmer, stellen sie keinen ausreichenden Haltestrom zur Verfügung. Das Ergebnis ist bekannt: es kommt zum Flackern und der Dimmbereich ist begrenzt. Das Problem ist, dass der Triac einen gewissen Verriegelungs- und Haltestrom benötigt, der zu keiner LED-Lampe passt. Das bedeutet wiederum, dass der Triac intermittierend ein- und ausschaltet. Um den Verriegelungs- und Haltestrom zu liefern, fügen LED-Treiberhersteller jetzt Bleeder- und Dämpfungsschaltungen zu ihren Entwürfen hinzu.

Ein passiver Bleeder kann für LED-Lampen mit sehr geringer Leistungsaufnahme eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass das Design einen Rückgang der Effizienz bedeutet, weil der Widerstand immer eingeschaltet ist und damit Leistung verbraucht. Eine aktive Lösung verwendet einen Widerstand und einen Kondensator, aber der Widerstand arbeitet nur im Bedarfsfall. Der Nachteil, dass ein aktiver Schalter benötigt wird, um den Widerstand ein- und auszuschalten. Hier ist die Effizienz höer als die passive Bleeder-Lösung.

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Ein Dämpfungskreis stellt sicher, dass der Triac nicht fehlzündet. Er verwendet einen kleinen Widerstand in Reihe mit der Leitung, um die Eingangsstromwellenform zu dämpfen, damit es nicht zu sehr hohen Eingangsstromspitzen kommt. Die Dämpfungsschaltung sorgt auch dafür, dass der Dimmer nicht ausfällt, wenn mehrere LED-Lampen angeschlossen werden. Die Treiberbausteine ISL1903 und ISL1904 von Intersil sind mit einem Dimmer-Haltekreis (DHC) ausgestattet. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus einem aktiven Bleeder- und Dämpfungskreis. Die aktive Bleeder-Schaltung verwendet einen MOSFET, eine Diode, einen Widerstand und einen Kondensator. Damit wird ein entsprechender Halte- und Verriegelungsstrom bereitgestellt.

Geringer Strom, wenn der Triac ausgelöst wird

Das ISL1903 unterstützt sowohl Abwärtswandler-Topologien einschließlich isolierter Vorwärtswandler sowie nicht isolierte Quellen-Rückwärts-Abwärtswandler. Im Gegensatz dazu unterstützt der ISL1904 Aufwärtswandler-Topologien und isolierte Sperrwandler. Texas Instruments bietet mit dem LED-Treiber-IC LM3447 einen Baustein, der ebenfalls ein Halte- bzw. Bleeder-Schaltung enthält. Damit soll sichergestellt werden, dass der Triac mit genügend Strom versorgt wird. Reduziert sich die LED-Last, kann die Bleeder-Schaltung wieder eingeschaltet werden, um zusätzlichen Strom zu liefern. Damit wird sichergestellt, dass der Triac während des niedrigen Leistungszyklusses leitend bleibt.

Wird ein Triac auslöst, ist nur ein geringer Strom notwendig, um leitend zu bleiben. Allerdings fällt der Triac oft aus dem leitenden Zustand. Der Strom liegt ziemlich oft nahe an der LED-Last und wenn weiter gedimmt wird, erfordert es weniger Strom für die LEDs. Das funktioniert bis zu einem Punkt, wo der Dimmer nicht mehr leiten kann. In Bild 2 ist eine Flyback-Topologie dargestellt. Hier liefert der HOLD-Pin des Bausteins LM3447 mit zwei Widerständen den benötigten Haltestrom, damit der Triac leitend bleibt. Wird der Dimmer weiter herabgedimmt, wird der Haltestrom initiiert. Ist die Leistung hoch genug oder nahezu bei voller Leistung, wird der Haltestrom nicht angewendet.

Der Treiberbaustein LM3447 von Texas Instruments lässt sich sowohl für AC- als auch für DC-LED-Anwendungen einsetzen. Dieser Baustein ist eine Erweiterung des LM3445 und enthält eine Dimmer-Erkennung, einen Phasendecoder und einen einstellbaren Haltestromkreis für einen flimmerfreien Dimmbetrieb bei LED-Beleuchtungen mit isoliertem Flyback. Laut Aussage von Texas Instrumenst sorgt die konstante Leistungsregelung des Bausteins für eine konstante LED-Leistung. Das soll die Effizienz über den Betriebstemperaturbereich der gesamten Schaltung um 10 Prozent verbessern. Ein entsprechendes Evaluierungsmodul für den LM3447 ist ebenfalls verfügbar.

Bausteine für Aufwärts- und Abwärts-Topologien

Für Abwärts- oder Aufwärts/Abwärts-Topologien sollten LED-Leuchtenentwickler den Treiberbaustein TPS92075 (siehe Bild 3) in Erwägung ziehen, der digitale Schaltungen und digitale Filterung integriert, um einige der Dimm-Probleme zu lösen. Der TPS92075-Controller ist für phasendimmbare Offline-AC/DC-LED-Lampen und Deckenleuchten konzipiert. Hier verwendet Texas Instruments ein proprietäres Eingangsstrom-Regelverfahren, um die Kompatibiliät mit elektronischen Transformatoren zu verbessern. Außerdem bietet das Verfahren flimmerfreies Dimmen in Triac-Dimmern und erreicht einen Power Factor Correction (PFC) über 0,9.

* Rich Miron ist Ingenieur und arbeitet im Technical Content Team bei Digi-Key in Thief River Falls, Minnesota.

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