LED-Dimmen: Klirrfaktor und Leistungsfaktorkorrektur bei einem LED-Treiber

| Autor / Redakteur: James Lee * / Hendrik Härter

Dimmen von LEDs: Ein wesentliches Bauteil zum Betreiben einer LED-Leuchte ist der Treiber. Anwender sollten auf Leistungsfaktorkorrektur und Klirrfaktor achten.
Dimmen von LEDs: Ein wesentliches Bauteil zum Betreiben einer LED-Leuchte ist der Treiber. Anwender sollten auf Leistungsfaktorkorrektur und Klirrfaktor achten. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Wer eine LED als Leuchtmittel einsetzt, kommt um den LED-Treiber nicht herum. Regional unterscheiden sich allerdings Leistungsfaktorkorrektur und Klirrfaktor. Abhilfe verspricht ein besonderer Treiberbaustein.

Bevor die LED als allgemein anerkanntes Leuchtmittel in die verschiedenen Beleuchtungsanwendungen Einzug hielt, war die Grundlage die Art der verwendeten Lampe und ihr Stromverbrauch. Die LED änderte alles. Heute findet sich die LED als grundlegende Halbleitertechnik in Beleuchtungsanwendungen mit niedriger, mittlerer und hoher Leistung – mit einem höheren Wirkungsgrad und besserer Leuchtkraft.

Im Hochleistungssegment wie Leuchtstoffröhren-Panels, Straßenlaternen und Flutlicht sowie anderen Formen der Außenbeleuchtung lässt sich dank der LED viel Energie einsparen. Bezieht man die Möglichkeit des Komforts einer Funkanbindung und die Möglichkeit des Dimmens mit ein, sind die Vorteile der LED kaum zu überbieten. Durch ihren hohen Wirkungsgrad können die meisten LED-Beleuchtungen mit Leistungsstufen von weniger als 100 W angesteuert werden. Das ist ein entscheidender Punkt, da die erforderlichen Stromrichter, LED-Controller und LED-Treiber direkt beeinflusst werden.

Grundsätzlich muss bei den meisten Lampen, außer Glühlampen, die direkt mit Wechselstrom betrieben werden, der zugeführte Strom transformiert werden. Eine Beleuchtung mit LEDs wird mit einer positiven oder gleichgerichteten Versorgung betrieben. Bei anderen Formen der Beleuchtung erfolgt der Betrieb über eine Hochspannungs-/Hochfrequenz-Wechselstromversorgung. Dabei geht Energie verloren und der Wirkungsgrad ist eher gering – denn für die gleiche Leuchtkraft verbrauchen LEDs viel weniger Strom und können daher über eine Niederspannungs-AC/DC-Versorgung betrieben werden. Lampen, die eine Leistung von weniger als 100 W benötigen, basieren meist auf einer einstufigen Flyback-Topologie (Sperrwandler). Der Übergang von Wechselstrom auf Gleichstrom und die Bereitstellung einer konstanten und stabilen Versorgung, um das Flimmern zu minimieren, ist die größte Herausforderung beim Wechsel von bestehender Beleuchtung zu LEDs.

Der Einsatz eines Wandlers in der LED-Beleuchtung

Es ist unwahrscheinlich, dass alle Beleuchtungen in naher Zukunft auf Gleichstrom umgestellt werden. Daher ist es notwendig, Wandlungs- und Treiberstufen für jede Lampe, jede Fassung und jedes Leuchtpanel zu entwickeln. Der einfachste Weg besteht darin, diese Komponenten in die Leuchte oder idealerweise in die Lampe selbst zu integrieren. Für Anwendungen unter 100 W ist ein einstufiger Wandler die gebräuchlichste Topologie (mehrstufige Wandler sind eher für eine Leistung von mehr als 100 W erforderlich). Ein einstufiger Wandler deckt zahlreiche Anwendungen ab, bis hin zu jenen, die eine sehr geringe Leistungsaufnahme verzeichnen, wie einzelne Glühlampen oder Downlights.

Alle Anwendungen erfordern eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur, kurz PFC für Power Factor Correction, und einen niedrigen Klirrfaktor, kurz THD für Total Harmonic Distortion. Gesetzliche Rahmenbedingungen machen diese Forderungen zwingend, wobei sich die tatsächlichen Grenzwerte von Land zu Land unterscheiden. Abhängig von der Anwendung verbrauchten Leistung sind die PFC- und THD-Werte verbindlich, und viele Hersteller zielen auf Ersatzlösungen ab, bei denen Leuchtstofflampen durch LEDs ersetzt werden. In Bezug auf den vorhandenen Platz ergeben sich damit Herausforderungen, da die gesamte AC/DC-Wandlung und die LED-Controller-/Treiberfunktionen auf dem Raum integriert werden müssen, den bisher die Lampe selbst eingenommen hat.

Aufgrund der räumlichen Einschränkungen und gesetzlichen Forderungen ist die bevorzugte Topologie für die Leistungswandlung innerhalb der LED ein einstufiger Sperrwandler mit primärseitiger Regelung, kurz auch PSR. Realisiert wird dieser durch weniger Bauteile und kleinere Kondensatoren als bei einer sekundärseitigen Regelung. Ein Vorteil der PSR ist, dass keine sekundärseitige Rückkopplung erforderlich ist, was den Aufbau des Transformators vereinfacht und den Optokoppler (Isolierung) erübrigt.

Die verwendete Regelung ist wichtig, um die PFC- und THD-Vorgaben zu erreichen. Um diese zu erfüllen, kommt der DCM = Discontinuous Conduction Mode zum Einsatz. In diesem Modus wird die im Transformator gespeicherte Ladung vollständig abgeschöpft, bevor der Schalttransistor wieder eingeschaltet wird. Folglich erreicht die Spannung an der Ausgangsdiode ebenfalls den Wert Null. Dies führt zu einem Zeitraum, in dem in der Primär- oder Sekundärseite kein Strom fließt (Totzeit). Dies gibt dieser Sperrwandler-Topologie den Namen „Discontinuous“ und hat den Vorteil, dass keine Verluste über der Diode entstehen. In Anwendungen, in denen die Ausgangsleistung gering ist, kann das zu einem relativ kleinen Transformator führen. Allerdings ist die Topologie anfällig für Rippelstrom, der zu Verlusten führt.

Das Überschwingen der Ausgangsspannung erfassen

Das sogenannte Valley Switching ist eine Erweiterung des DCM, das den Transistor einschaltet, wenn das Ringing der Ausgangsspannung am niedrigsten ist. Es tritt während des ersten Schwingens zu Beginn der Totzeit auf. Zu diesem Zeitpunkt schaltet sich der Transistor wieder ein und startet den Leistungsübertragungszyklus neu. Hierfür ist ein Controller notwendig, der in der Lage ist, das Überschwingen der Ausgangsspannung zu erfassen, und dann schaltet, wenn sich der Spannungswert in einem Tal (Valley) befindet. Der Controller muss in der Lage sein, die Schaltzeit basierend auf den Anforderungen an die Ausgangsleistung zu variieren: früher schalten, um eine hohe Leistungsnachfrage zu erfüllen, oder später schalten, wenn die Nachfrage gering ist. Diese Eigenschaft wird auch als Voltage Foldback (Spannungseinbruch) bezeichnet. Während die Änderung der Schaltfrequenz elektromagnetische Störungen (EMV) verringert, kann Valley Switching aufgrund der variablen Schaltzeiten ebenfalls zu einer höheren Ausgangswelligkeit führen.

Eine Alternative zu DCM und Valley Switching ist der quasi-resonante (QR) Modus, auch bekannt als Critical Conduction Mode (CrM). Dabei wird der Transistor geschaltet, wenn der Controller das Ende der allerersten Schwingung der Ausgangsspannung erkennt, was zu niedrigeren Schaltverlusten und dem höchsten Wirkungsgrad aller Modi führt – es kann sich aber als schwierig erweisen, gute PFC- und THD-Werte mit QR/CrM zu erreichen.

Worauf es bei der Entwicklung eines LED-Treibers ankommt

Die Serie NCL3038x des Hersteller ON Semiconductor umfasst einstufige Buck/Boost-Sperrwandler, die im QR/CrM-Modus betrieben werden, um einen konstanten Strom und eine konstante Spannung an eine LED oder LED-Kette zu liefern. Im Gegensatz zu anderen QR/CrM-Controllern liefert der genannte Baustein eine Leistungsfaktorkorrektur von >0,95 und einen Klirrfaktor von <10%. Damit werden weltweite Standards eingehalten und macht den Einsatz der Wandler weltweit möglich, in denen gesetzliche Anforderungen zur Einhaltung der PFC- und THD-Werte zu erfüllen sind. Das Bild 2 beschreibt, wie der NCL30386 mit Dimmer in einer gängigen Schaltung zum Einsatz kommt.

Der Wandler arbeitet in drei Modi effektiv: bei Ausgangslasten über 80% verwendet er CrM; bei Lasten unter 80% den Valley-Switching-Modus und bei sehr niedrigen Lasten das Frequency-Foldback-Verfahren. Dank der Flexibilität wird unter allen Bedingungen ein hoher Wirkungsgrad und ein niedriger THD-Wert erzielt. Außerdem verfügt der Baustein über eine High-Voltage-(HV-)Startfunktion, die für eine gleichmäßige Anlaufzeit sorgt und den Betrieb bei sehr geringen Lasten aufrechterhält. Der HV-Pin passt den Betrieb dynamisch an, um die beste PFC, THD und Regelung während des Betriebs zu erzielen.

Dimmen mit PWM oder über Analogeingang

Dimmen ist ein wichtiges Leistungsmerkmal bei modernen LED-Beleuchtungen und wird von vielen LED-Treibern unterstützt. Dimmen erfolgt entweder über einen Analogpegel, um die Lichtabgabe zu regeln oder über ein PWM-Signal zu steuern. Der NCL30386 unterstützt beide Varianten. Oftmals kann eine PWM-basierte Dimmfunktion aufgrund der PWM-Aus-Funktion zu elektrischen Störungen und Flimmern am Ausgang führen. Allerdings wird der Ausgang stets in einen Analogpegel umgewandelt, ganz unabhängig davon, ob das Dimmen über den Analogeingang oder das PWM-Signal erfolgt. Der Baustein unterstützt Dimmen von 0 bis 100% über PWM und von 0,5 bis 100% über einen Analogeingang. Im Bild 3 sind die Ausgangskurven für lineare und quadratische Versionen beschrieben. Die Ausgangsform ist ebenfalls wichtig und ist entweder eine lineare oder eine quadratische Kurve. Erstere bietet deterministische und regelmäßige Beleuchtungsintervalle, während letztere oft als natürlicher empfunden wird. Der NCL30386 ist sowohl mit linearem als auch mit quadratischem Ausgang erhältlich. Mit dem NCL30388 kommt eine nicht dimmbare Version hinzu.

PFC-Wert, Klirrfaktor und Transformatordesign

LED-Leuchten werden in fast allen Beleuchtungsanwendungen schnell zur Norm: aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Effizienz und Wirksamkeit. Es gibt jedoch strenge Anforderungen in Bezug auf die Leistungsfaktorkorrektur und den Klirrfaktor, die sich regional unterscheiden. Im Gegensatz zu anderen LED-Treibern nutzt der NCL3038x den QR/CrM-Modus, um einen hohen PFC-Wert, einen niedrigen Klirrfaktor und ein einfaches Transformatordesign zu ermöglichen. Da diese Wandler einen konstanten Strom und eine konstante Spannung liefern, bieten sie auch eine sogenannte Kaltstart-Funktionen und dienen als Hilfsstromversorgung. Mit einem marktführenden niedrigen Klirrfaktor und einem außergewöhnlich hohen PFC-Wert für verschiedene Lasten können Hersteller diese gesetzlichen Anforderungen mit einer einzigen gemeinsamen Plattform erfüllen, die in einer Vielzahl von Regionen und Märkten zum Einsatz kommen kann.

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* James Lee ist Manager Lighting Segment Marketing bei ON Semiconductor.

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