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Welche Vorteile aktiv gesteuerte Schaltnetzteile für High-Power-LEDs bieten

| Autor / Redakteur: Hermann Püthe * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Hochleistungs-LEDs benötigen spezielle Stromversorgungen: Damit die lichtstarken LEDs kosteneffizient und zuverlässig arbeiten, sind aktiv gesteuerte Netzteile notwendig. Ein Blick auf die Details.

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Hallenbeleuchtung: Im industriellen Umfeld kommen verstärkt Hochstrom-LEDs zum Einsatz. Für sie sind aktiv gesteuerte Netzteile notwendig, damit die LEDs zuverlässig arbeiten.
Hallenbeleuchtung: Im industriellen Umfeld kommen verstärkt Hochstrom-LEDs zum Einsatz. Für sie sind aktiv gesteuerte Netzteile notwendig, damit die LEDs zuverlässig arbeiten.
(Bild: inpotron)

Seit der Gesetzgeber stromhungrige Lichtspender nachhaltig aus dem Handel drängt, ist der Weg frei für energieeffiziente Lichttechnik. Moderne LED-Beleuchtungstechnik hat sich tatsächlich bereits auf breiter Front durchgesetzt. Kaum ein Bereich, in dem Licht gefragt ist, setzt mittel- und langfristig noch auf alte Techniken wie Glüh-, Halogen- oder Energiesparlampen. Mittlerweile haben auch Hochleistungs-LEDs einen festen Platz im Handel erobert.

Bei so viel Licht gibt es auch immer Schatten. So ist die Stromversorgung von leistungsstarken LEDs nicht trivial und stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Schaltnetzteile. Denn die Leuchtchips benötigen, anders als simple Glühlampen, elektronische Vorschaltgeräte. Diese verwenden kapazitive und induktive Elemente, die unter anderem Oberwellen erzeugen und das Versorgungsnetz belasten. Schaltnetzteile mit hohem Leistungsfaktor und hoher Energieeffizienz zu entwickeln ist daher eine echte Herausforderung.

Die PFC-Stufe senkt den Wirkungsgrad des Netzteils

Der Leistungsfaktor oder auch Power Factor ist ein bestimmender Faktor in der Elektrotechnik, er steht für das Verhältnis vom Betrag der nutzbaren Wirk- zur Scheinleistung. In Netzteilen wird ein möglichst hoher Leistungsfaktor angestrebt, um Übertragungsverluste zu vermeiden. Ein verbreiteter Lösungsweg ist bis heute, den Leistungsfaktor mithilfe einer eigenen Wandlerstufe in den Griff zu bekommen. Diese bereits in den 1990er Jahren eingesetzte Technik stellt jedoch einen teuer erkauften Kompromiss dar.

Ein zusätzlicher Wandler senkt den Wirkungsgrad. Umso mehr, wenn bereits Wandlerstufen im Systemdesign vorhanden sind. Ein Beispiel: Mit einer guten Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction = PFC) erreicht ein Netzteil mit einer Leistung von 100 W einen Wirkungsgrad von ca. 94 Prozent. Kommt ein hochwertiger Sperrwandler mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent hinzu, erreicht der Gesamtwirkungsgrad bestenfalls noch 89 Prozent. Werden noch separate Stromquellen für die LED-Beleuchtung benötigt, die unter guten Bedingungen ca. 94 Prozent erreichen, so lautet die Leistungsbilanz unter dem Strich nur noch 84 Prozent – wohlgemerkt bei Verwendung teurer State-of-the-Art-Lösungen. Bezahlbare Standardlösungen erreichen typischerweise nur 75 bis 80 Prozent.

Auf die problematische PFC-Stufe verzichten

Ein weiteres Manko: Eine PFC arbeitet immer mit einem groß dimensionierten Zwischenkreiskondensator. Dieser ist jedoch die Achillesferse jedes Schaltnetzteiles: Hohe Spannungen und Rippelströme, also dem Gleichstrom überlagerte Wechselströme, belasten ihn enorm. Die Folge: In praktisch jedem Netzteil fällt dieses Bauteil als erstes aus. Hinzu kommt, dass dieser Elektrolytkondensator (Elko) beim Start des Netzteils den gefürchteten hohen Einschaltstrom (inrush current) erzeugt, der mit großem Aufwand begrenzt werden muss. Bei Beleuchtungen ist dies ein Kernpunkt, schließlich werden oft viele Leuchten auf einmal eingeschaltet.

Nur der Verzicht auf die problematische PFC-Stufe ermöglicht den Aufbau von energieeffizienten Schaltnetzteilen mit sehr hohen Wirkungsgraden. Daher hat das inpotron-Tochterunternehmen exscitron genau hier den Hebel angesetzt. Das Ziel: Ein Netzteil entwickeln, das die doppelte Lebensdauer der derzeit besten High-Power-LEDs hat – also mindestens 100.000 Stunden. Das bedeutet in erster Linie, die Temperatur der Bauteile niedrig zu halten. Darüber hinaus sollten möglichst wenige Bauteile zum Einsatz kommen, die zusätzlich minimal gestresst werden. Dieser Ansatz, weniger ist mehr, zieht sich durch das gesamte Konzept: Durchdachte Lösungen ersetzen unnötigen Ballast. So weicht die komplette PFC-Stufe einer Kombination aus leistungsfähigem Resonanzwandler und moderner Mikroprozessorsteuerung.

Die Funktion des Wandlers

Der Hauptwandler übernimmt die Leistungsfaktorkorrektur effizienter als jede PFC-Stufe. Weiterer Vorteil: Die Resonanztopologie erzielt nicht nur höchste Wirkungsgrade, sondern emittiert besonders wenig Störstrahlung – wichtig für eine gute elektromagnetische Verträglichkeit. Hohe Kapazitäten, realisiert durch hochwertige Aluminium-Elkos, minimieren sekundärseitig den übertragenen Rippelstrom mit einer Frequenz von 100 Hz.

Da die Elkos nicht mit hochfrequenten Rippelströmen belastet werden, entsteht kaum Eigenerwärmung, was wiederum ihrer Lebensdauer zugute kommt. Die Stromaufnahmeform, der damit verbundene Leistungsfaktor und die Oberwellen können nach Belieben programmiert werden. Vorteil: Erst wenn eine ausreichend hohe Amplitude der Wechselspannung am Eingang anliegt, nimmt der Wandler seine Arbeit auf. Darunter wird er gar nicht angesteuert. Das erhöht den Wirkungsgrad um bis zu 2 Prozent.

Bei anderen Netzteilen erzeugt der Wandler hingegen dauernd Verluste, obwohl bis zu einer Spannung von etwa 60 VAC nach dem Nulldurchgang keine nennenswerte Leistung übertragen werden kann. Das ist vergleichbar mit einem Auto im Leerlauf an der Ampel: Es steht und verbraucht nutzlos Benzin. Eine Start-Stop-Automatik verhindert diese Energieverschwendung. Durch den Wegfall der problematischen PFC-Stufe lassen sich weitere Vorteile realisieren: Der Netzfilter kann minimal dimensioniert werden und erreicht mit Leichtigkeit Klasse B der EMV-Norm für leitungsgebundene Netzrückwirkung und gestrahlte Störungen. Ein Einschaltstrombegrenzer entfällt komplett, da die Kapazitäten im Eingang prinzipbedingt minimal sind.

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