LED Beleuchtung Hochintegrierte Treiberlösungen für LED-Straßenbeleuchtungen

Autor / Redakteur: Chris Lee * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eine LED-Treiberlösung von Power Integrations verspricht bis zu 30 externe Bauteile überflüssig zu machen. Künftig werden die Bausteine ein noch besseres Leistungsspektrum bieten.

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Im Laufe der letzten Jahre hat sich die Entwicklung einer neuen Generation von Straßenlampen auf Basis der LED-Technologie beschleunigt. LEDs zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Technologien durch eine wesentlich längere Lebensdauer und höheren Wirkungsgrad aus. Sie sind dadurch wie geschaffen für den Einsatz in schwer zugänglichen Straßenlampen; in solchen Anwendungen machen sich die Investitionen in LED-Technologie durch Einsparungen bei den Betriebs- und Wartungskosten schnell bezahlt.

Ein wichtiger Aspekt bei Straßenlampen ist die Zuverlässigkeit – das betrifft nicht nur den LED-Leuchtkörper, sondern auch die Treiberschaltung. Straßenlampen müssen widrige Einsatzbedingungen aushalten – schnelle Temperaturwechsel, Feuchtigkeit oder Wind. Zudem ändern sich die Einsatzbedingungen je nach Jahreszeit oder Tages-/Nachtzeit. LED-Treiber, die für den Einsatz in Straßenlampen konzipiert sind, sind typischerweise für einen weiten Betriebstemperaturen von –40 bis 50 °C ausgelegt.

Wenn LEDs am Stromnetz betrieben werden sollen, muss die Netzwechselspannung zunächst in eine Gleichspannung umgewandelt werden, weil LEDs eine DC-Konstantstromquelle benötigen. Frühe Implementierungen von LED-Straßenlampen enthielten Stromversorgungen mit einem AC-Eingang, die mit einem Standard-Hochspannungs-DC/DC-Wandler verbunden waren, und eine Stromverteilungsschaltung zur Ansteuerung mehrerer parallel oder in Serie geschalteter LEDs.

Die Leistungsanforderungen an den Treiber sind in hohem Maße von der Helligkeit der LEDs und der Anzahl der LEDs pro Leuchtkörper abhängig. Unabhängig von der jeweiligen Ausgangsleistung müssen alle Treiber, die für solche Anwendungen konzipiert sind, die einschlägigen Energiestandards erfüllen, einen Leistungsfaktor >0,9 aufweisen, einen Konstantstromausgang besitzen, gegen Überspannungsspitzen geschützt sein und eine niedrige Ausgangswelligkeit aufweisen. Die meisten Designs erfordern einen Wirkungsgrad von über 85%.

Aus der Systemperspektive betrachtet

Anfänglich setzten Entwickler von Treibern für LED-Straßenlampen bevorzugt auf Flyback-Wandler-Topologien. Flyback-Wandler wurden von vielen Herstellern angeboten und waren im Vergleich zu komplexeren LLC-Alternativen eine preiswerte Lösung, die einfach zu entwickeln war und sich schnell auf den Markt bringen ließ. Als jedoch die Regulierungsbehörden weltweit damit begannen, die Energievergeudung einzudämmen, kamen neue Standards auf, die nicht nur bei Volllast, sondern auch im Standby-Modus und bei verschiedenen Prozentsätzen der Nennlast einen hohen Wirkungsgrad vorschreiben. LLC-Resonanzwandler reduzieren die Schaltverluste mithilfe von Nullspannungsschalter-Technologien und ermöglichen es Entwicklern, den Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich hinweg zu maximieren.

Einige der neuesten LLC-Wandler kombinieren einen LLC-Controller, den "oberen" und den "unteren" Treiber und zwei Halbbrücken-MOSFETs in einem einzigen Gehäuse. Diese hochintegrierten Lösungen bieten außer ihrem inhärent hohen Wirkungsgrad noch eine Reihe weiterer Vorteile. LLC-Lösungen auf der Basis diskreter Controller und MOSFETs zwingen Entwickler, relativ lange Totzeiten vorzusehen, um selbst unter den ungünstigsten Bedingungen den Shoot-Through-Effekt zuverlässig zu verhindern. Die Off-Zeiten der beiden MOSFETs müssen einander überlappen, damit sichergestellt ist, dass nicht beide Transistoren gleichzeitig einschalten und dadurch einen Kurzschluss verursachen.

Längere Totzeiten gehen jedoch unvermeidlich zu Lasten des Wirkungsgrads. Bei der integrierten Lösung, bestehend aus Controller, Treibern und MOSFETs auf dem gleichen Chip, sind alle Schaltungselemente, die die Schaltverzögerung beeinflussen, aufeinander abgestimmt; dadurch lassen sich die On- und Off-Zeiten der beiden MOSFETs genauer kontrollieren. Der Entwickler hat dadurch die Möglichkeit, kürzere Totzeiten zu programmieren und so den Wirkungsgrad über einen spezifizierten Frequenzbereich zu maximieren.

Wenn MOSFETs und Treiber optimal abgestimmt werden sollen

Hochintegrierte Lösungen wie diese bieten zudem eine signifikant höhere Zuverlässigkeit. Die meisten aktuellen LLC-Wandler verfügen über zahlreiche Fehlererkennungs- und -korrekturfunktionen, die einen kontinuierlichen Betrieb der Stromversorgung unter allen vorkommenden Umgebungsbedingungen gewährleisten. Typische Beispiele hierfür sind: programmierbare Schwellen- und Hysterese-Werte für Brown-in/Out, Unterspannung- und Überspannungsschutz, programmierbarer Überstrom- und Kurzschlussschutz sowie Übertemperaturschutz.

Einige der integrierten LLC-Controller, die heute am Markt sind, ermöglichen es dem Entwickler zudem, sperrige und weniger zuverlässige Elektrolytkondensatoren im Ausgangskreis durch zuverlässigere SMD-Keramikkondensatoren zu ersetzen. Darüber hinaus ist es durch die Integration kritischer Funktionen in ein einziges IC möglich, diese Funktionen während der Fertigung zu trimmen, um die MOSFETs und Treiber optimal aufeinander abzustimmen und so die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad zu steigern.

Einfacheres Leiterplattenlayout dank weniger Bauteile

Natürlich brauchen Entwickler von LED-Straßenlampen Stromversorgungen, die nicht nur wirkungsgradstark und zuverlässig, sondern auch kostengünstig sind. Die neuesten LLC-Lösungen helfen Entwicklern auf mehrfache Weise, Kosten einzusparen. Moderne, hochentwickelte LLC-Wandler arbeiten mit höheren Schaltfrequenzen und ermöglichen dadurch die Verwendung kleinerer Transformatoren, kleinerer Ausgangsinduktivitäten und kleinerer Ausgangsfilterkondensatoren.

Bei Designs mit einer Schaltfrequenz von 250 kHz können Entwickler sogar auf weniger zuverlässige Elektrolytkondensatoren verzichten. Diese Vorteile schlagen sich in deutlich geringeren Materialkosten nieder. Durch die Integration mehrerer Funktionen in die Stromversorgung werden weniger externe Bauteile benötigt, das Leiterplattenlayout und die Bestückung werden vereinfacht, und es wird Entwicklungszeit gespart. Power Integrations bietet mit der HiperLCS-Familie eine Lösung an, die bis zu 30 externe Bauteile überflüssig macht. Dieser hohe Integrationsgrad senkt nicht nur die Kosten, sondern vereinfacht auch das Design und eliminiert potenzielle Fehlerquellen.

Die LED-Technologie gewinnt in Straßenbeleuchtungsanwendungen immer mehr an Bedeutung. Es ist daher anzunehmen, dass Entwickler mit weiteren Entwicklungen aufwarten werden. Künftige Straßenbeleuchtungslösungen werden wahrscheinlich mit "Intelligenz" ausgestattet sein und ihre Helligkeit sensorgesteuert an dunklen, regnerischen Tagen erhöhen und in hellen Mondscheinnächten herabsetzen. Zugleich werden die Designs wahrscheinlich immer modularer, weil Entwickler dadurch Kosten einsparen können und die Wartung vereinfacht wird. In jedem Fall werden weitere Fortschritte beim Stromversorgungsdesign eine wichtige Rolle bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung der LED-Straßenbeleuchtung spielen. //heh

* * Chris Lee... ist Senior Product Manager bei Power Integrations in San Jose, Kalifornien (USA).

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