Da Glühlampen schrittweise abgeschafft werden, bleiben zwei Beleuchtungsalternativen übrig, die erhebliche Energieeinsparungen bieten: Kompaktleuchtstofflampen (CFL) und Leuchtdioden (LED). CFLs sind eine ausgereifte Technik, und weiße LED-Lampen entwickeln sich rasch weiter, bieten mehr Lichtausbeute pro verbauter LED und eine höhere Wirksamkeit. LED-Lampen erreichen heute eine Lebensdauer, die 25-mal höher ist als bei einer Standard-Glühbirne, und die Wirksamkeit übertrifft bereits das Leistungsniveau von CFL-Lampen.Weniger verständlich ist, dass Glühlampen im Netz wie eine Widerstandslast erscheinen und einen nahezu idealen (~1) Leistungsfaktor aufweisen; das elektronische Vorschaltgerät der CFL-Lampen hingegen kapazitiv erscheint und einen Leistungsfaktor von 0,5 bis 0,6 aufweist. Der Endverbraucher bezahlt dabei nur die tatsächlich gelieferte Energie (Wirkleistung), das Stromversorgungsunternehmen muss aber die gesamte Volt-Ampere-Leistung (VA) erzeugen. Eine 13-W-CFL-Lampe mit einem Leistungsfaktor von 0,5 stellt in Wirklichkeit also eine 26-VA-Last dar, was etwas weniger als die Hälfte der VA-Last einer 60-W-Glühbirne entspricht. In den USA hat das Energy-Star-Programm daher einen Mindest-Leistungsfaktor von 0,7 für LED-Lampen mit über 5W Leistung und einen Leistungsfaktor von 0,9 für kommerzielle LED-Beleuchtungen wie Downlights und Strahler erlassen. Weltweit gesehen haben die USA nicht die strengsten Leistungsfaktorregelungen für LED-Lampen: Korea ist hier führend. Dort wird ein Mindest-Leistungsfaktor von 0,9 für Lampen mit einer Eingangsleistung von 5 W vorgeschrieben. Damit ergeben sich Herausforderungen bei der Entwicklung der Ansteuerungselektronik, wenn für eine optimale Lösung der Wirkungsgrad, das Platzangebot und die Kosten für die Stückliste mit berücksichtigt werden müssen.
Neuer Freiheitsgrad für Entwickler
Glühlampen sind für eine bestimmte Netzspannung ausgelegt. Wird dieses Prinzip auch bei LED-Lampen angewendet, ergibt sich für Entwickler ein neuer Freiheitsgrad, da nicht länger ein einziges universelles Design berücksichtigt werden muss, das weltweit funktioniert. Darüber hinaus muss das Netzteil im Inneren der Lampe nicht elektrisch von der Last isoliert sein, da es sich in einem eigenen Gehäuse befindet. Das mechanische Design muss mit Sorgfalt erfolgen, um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Unter Berücksichtigung dieser Punkte ist eine isolierte Flyback-Topologie als einzige Stromwandler-Architektur nicht mehr notwendig. Eine Buck-Topologie (Abwärtsregler) lässt sich in bestimmten Grenzen für einen guten Leistungsfaktor optimieren. Bei einem hohen Leistungsfaktor stimmt der Eingangsstrom mit dem Netzstrom überein und steigt proportional, sobald die gleichgerichtete Netzspannung steigt. Der Nachteil eines Abwärtsreglers ist, dass kein Strom fließt, solange Uinkleiner als Uoutist. Daher muss die LED-Strangspannung im Vergleich zur Netzspannung relativ gering sein. Dies ist kein Problem, da in den meisten Fällen die Anzahl der in Serie geschalteten LEDs relativ niedrig ist im Vergleich zur Netzspannung. Sie beträgt beispielsweise für acht LEDs in Serie etwa 25 V, was <15 Prozent der Spitzenspannung einer gleichgerichteten 120-VAC-Eingangsspannung entspricht.
Feste Einschaltdauer
Eine Steuerungsart für Boost-Wandler (Hochsetzsteller) mit hohem Leistungsfaktor ist eine feste Einschaltdauer, wobei der Schaltzyklus neu startet, wenn der Spulenstrom den Wert Null erreicht. Um die Leistung zu regeln, wird eine Rückkopplung verwendet, um die Einschaltdauer einzustellen. Das gleiche Konzept kann zur Implementierung eines Abwärtsreglers verwendet und gleichzeitig verbessert werden. Mit einer festen Einschaltzeit steigt der Strom durch die Spule/den Schalter proportional zum Netzstrom. Dies führt zu einem nahezu perfekten Leistungsfaktor mit dem Kompromiss, dass der Spitzenstrom am höchsten Punkt des Schaltzyklus sehr hoch sein kann. Bei Glühbirnen ist kein idealer Leistungsfaktor erforderlich. Wenn hier der Spitzenstrom während eines Teils des Schaltzyklus begrenzt wird, lassen sich Verluste im Schalter und in der Spule verringern. Damit erhöht sich die Wandlungseffizienz und die Spulengröße wird begrenzt. Dabei entsteht ein Netzstrom, der nicht gerade sinusförmig aussieht. Dieser Schwingungsverlauf erzielt jedoch einen Leistungsfaktor >0,9 mit dem Kompromiss der höheren Verzerrung. Um dieses Hybrid mit fester Einschaltzeit und Spitzenstrom-Regelung zu implementieren, wurde der Controller NCL30002 von ON Semiconductor entwickelt. Die LEDs stehen in Referenz zur Hochspannungsschiene, während der Leistungsschalter auf Masse bezogen ist. Dies wird als „Reverse Buck“ bezeichnet und vereinfacht die Architektur, da der LED-Spitzenstrom direkt abgetastet werden kann. Zur Ansteuerung des FETs ist dann kein Pegelumsetzer erforderlich. Nachdem der Controller das Schalten initiiert, wird der Treiber über eine Hilfswicklung der Spule versorgt. Damit wird auch festgestellt, wenn der Strom durch die Spule den Wert Null erreicht, was den Start eines neuen Schaltzyklus auslöst. Präzise 485 mV (±2 Prozent typ.) dienen zur Reglung des Spitzenstroms durch den Schalter. Nachdem Uindie LED-Vorwärtsspannung Ufübersteigt, wird die Leistung der LEDs mittels fester Einschaltzeit geregelt bis die Spitzenstromgrenze, die über Rsenseerfasst wird, erreicht ist. Um bei Netzschwankungen bzw. Abweichungen vom Nennwert die abgegebene Leistung zu regeln wird die Einschaltzeit moduliert mittels Netzstörgrößenaufschaltung.Als Beispiel wurde ein 18-W-Design verwendet, das sich in eine LED-Lampe integrieren lässt, die eine 75-W-Glühbirne ersetzt. Dabei wird ein Strang mit 8 LEDs mit 750 mA angesteuert. Die Ausgangs-Restwelligkeit beträgt weniger als ±30 Prozent.
Fazit
Mit einer optimierten Architektur ist es also möglich, einen hohen Wirkungsgrad auf einem kompakten Formfaktor zu erzielen und gleichzeitig strenge Vorgaben zum Leistungsfaktor für integrierte LED-Lampen zu erfüllen. Das grundlegende Design kann für eine niedrigere Leistung skaliert werden, indem der MOSFET geändert und die Spulengröße verringert wird. Dies ist entscheidend, da sich die LED-Lichtausbeute weiter entwickelt und Hersteller mehr Lichtstrom pro LED erzielen. Damit werden weniger LEDs für die gleiche Lichtausbeute erforderlich, was den Energieverbrauch senkt, die Kosten integrierter LED-Lampen verringert und deren Marktakzeptanz somit weiter erhöht.
