Das Marktvolumen für LEDs großer Leuchtstärke (High-Brightness-LEDs) soll bis ins Jahr 2015 rund 20,2 Milliarden US-Dollar erreichen - ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 30,6 Prozent, gerechnet ab 2012 (nach Strategies Unlimited). Eine der Schlüsselanwendungen, die dieses signifikante Wachstum vorantreiben, sind LEDs, die als Hintergrundbeleuchtung in TFT-LCDs eingesetzt werden. Dabei reichen die Applikationen von HD-TVs und portablen Tablet-PCs bis hin zu Bildschirmen im Automobil und einer Vielzahl von Handheld-Kommunikationsgeräten. Um diese eindrucksvollen Wachstumsraten beizubehalten, müssen LEDs nicht nur eine erhöhte Zuverlässigkeit, geringere Verlustleistung und kompaktere Ausmaße aufweisen, sondern sie müssen auch Verbesserungen bezüglich Kontrastverhältnis und Farbtreue bieten. Darüber hinaus müssen alle diese Verbesserungen für Bildschirme in Automobilen, Flugzeugen und Schiffen optimiert werden, denn dabei sind die Bildschirme einem großen Bereich unterschiedlicher Umgebungslichtverhältnissen ausgesetzt, die von sehr hellem Sonnenschein bis hin zu dunklen, mondlosen Nächten reichen.Darüber hinaus gibt es laut LED Insight „ein phänomenales Wachstum bei lichtstarken LED-Beleuchtungssystemen für den kommerziellen Einsatz; und zwar deshalb, weil der Einsatz von LED-Beleuchtungen für Privathaushalte für die meisten Konsumenten immer noch zu teuer ist. Gestützt durch die langfristigen Vorteile der Energieeinsparungen und umweltfreundlicher Eigenschaften sowie den relevanten Steuervergünstigungen wird es einen deutlichen Anstieg der Verwendung von LED-Beleuchtungen in kommerziellen Räumen wie Parkhäusern, Büros sowie Produktions- und Lagerhallen geben. Die LED-Beleuchtung kann dabei nicht nur Natriumdampf-Hochdrucklampen, Halogenlampen und Glühbirnen ersetzen, sondern in einigen Bereichen sogar Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren.“ Es ist deshalb keine Überraschung, dass kommerzielle Anwendungen den Wechsel zu LED-Beleuchtung vorantreiben, da die Beleuchtung allgemein zwischen 25 bis 40 Prozent der gesamten Energiemenge in einem Geschäftsgebäude verbraucht. Da diese Anwendungen auch meist lange Perioden an sehr intensiver Beleuchtung benötigen, erfolgt die Amortisation durch die eingesparte Energie relativ schnell. Zweitens reduziert die lange Lebensdauer von LED-Beleuchtungen die Kosten für das Auswechseln der Lampen drastisch. Diese Austauschkosten beinhalten nicht nur den Preis für die Lampe selbst, sondern auch die Arbeitskosten, um sie auszutauschen. Diese sind in manchen Anwendungen, wie bei hoch angebrachten Beleuchtungen, signifikant. Im Gegensatz dazu ist heute der Einsatz von universeller LED-Beleuchtung für Privathaushalte für die meisten Konsumenten immer noch zu teuer. In den kommenden Jahren, wenn die Preise für LED-Lampen sinken und allgemeiner verfügbar werden, wird jedoch auch der private Sektor des Beleuchtungsmarktes deutlich anwachsen. Die meisten Analysten erwarten, dass sich dieses Marktsegment ab 2013 deutlich beschleunigen wird. Der primäre Treiber hinter dem großen Wachstum der LED-Beleuchtung ist die drastische Verringerung des Stromverbrauchs, den die LED-Beleuchtung gegenüber konventionellen Beleuchtungsarten bietet. Verglichen mit Glühlampen benötigt sie weniger als 20 Prozent der elektrischen Leistung, um die gleiche Lichtausbeute (in Lumen) zu liefern. Wie man in der in diesem Beitrag dargestellten Tabelle ersehen kann, gibt es zusätzliche Vorteile, die die LED-Beleuchtung bietet, aber auch zusätzliche Herausforderungen. Die Vorteile der LEDs sind eine Lebensdauer, die um Größenordnungen höher ist als bei Glühlampen, was die Kosten für den Austausch der Lampen drastisch reduziert. Die Möglichkeit, LEDs mit der bereits installierten Basis an TRIAC-Dimmern zu dimmen, ist ebenfalls ein wichtiger Vorzug, besonders beim Ersatz von Glühbirnen in installierten Beleuchtungen in privaten Haushalten. Das sofortige Einschalten eliminiert die Aufwärmphase von Energiesparlampen (CFL); außerdem sind LEDs auch nicht so empfindlich auf häufige Ein-/Ausschaltzyklen wie ihre CFL-Gegenstücke. Zusätzlich enthalten LED-Lampen keinerlei giftige Materialien, deren Entsorgung man handhaben muss, während CFLs für den Betrieb toxisches Quecksilbergas verwenden. Und schließlich ermöglichen LEDs neuartige sehr flache Formen, die andere Techniken nicht realisieren können.
Vorbehalte des Offline-Treibens von LEDs
Die Möglichkeit, LEDs an einer Offline-Stromquelle zu betreiben, erlaubt es Anwendungen exponentiell zu wachsen, da diese Form der elektrischen Leistung sowohl in kommerziellen Gebäuden als auch privaten Wohnungen bereits verfügbar ist. Obwohl LED-Ersatzlampen für den Endanwender relativ einfach zu installieren sind, steigen die Anforderungen an das LED-Treiber-IC dramatisch an. Da LEDs eine exakt geregelte Konstantstromquelle benötigen, um eine konstante Lichtmenge zu generieren, erfordert ihr Betreiben an einer AC-Eingangsquelle einige spezielle Designtechniken mit sehr spezifischen Designanforderungen. Abhängig vom Einsatzort, liegt die Netzspannung (offline power) irgendwo im Bereich zwischen 90 und 265 VAC und Frequenzen zwischen 50 und 65 Hz. Deshalb sollte eine LED-Beleuchtung für den weltweiten Einsatz idealerweise nur ein Schaltungsdesign haben, das es erlaubt, sie ohne Modifikation überall auf der Welt zu verwenden. Dies erfordert, dass ein einziges LED-Treiber-IC diesen weiten Bereich an Eingangsspannungen und Frequenzen handhaben kann. Darüber hinaus erfordern viele Netz-LED-Anwendungen die galvanische Trennung der LED von der Treiberschaltung - primär aus. Die galvanische Trennung ist generell über einen isolierten Flyback-LED-Treiber gewährleistet, der einen Transformator verwendet, um die primäre und sekundäre Seite der Treiberschaltung zu separieren. Da die treibende Kraft hinter dem Einsatz der LED-Beleuchtung die drastische Reduzierung der nötigen Leitung ist, um eine bestimmte Menge an Licht zu erzeugen, ist es unbedingt nötig, dass das LED-Treiber-IC den höchstmöglichen Wirkungsgrad besitzt. Weil die LED-Treiberschaltung eine hohe AC-Spannung auf einen gut geregelten LED-Strom bei geringerer Spannung wandeln muss, muss das LED-Treiber-IC so entwickelt sein, dass es Wirkungsgrade über 80 Prozent besitzt, so dass kaum Leistung verloren geht. Damit LED-Retrofit-Lampen geeignet sind, mit der großen installierten Basis an TRIAC-Dimmern zu arbeiten, die in privaten Haushalten vorgefunden werden, muss das LED-Treiber-IC auch effektiv mit diesen Dimmern arbeiten können. TRIAC-Dimmer sind speziell für Glüh- und Halogenlampen ausgelegt, die eine perfekte resistive Last darstellen. Das LED-Treiber-IC ist jedoch generell nicht-linear und keine rein resistive Last. Sein Eingangs-Brückengleichrichter zieht typischerweise große Stromspitzen wenn die Eingangs-AC-Spannung an ihren positiven und negativen Wendepunkten ist. Deshalb muss das LED-Treiber-IC so entwickelt sein, das es eine rein resistive Last „mimt“, um sicherzustellen, dass die LED ohne erkennbares Flackern richtig startet und auch mit einem TRIAC gedimmt werden kann. Der Leistungsfaktor (power factor, PF) ist eine wichtige Spezifikation für die LED-Beleuchtung. Einfach ausgedrückt, es wird ein Leistungsfaktor von 1 erzielt, wenn der gezogene Strom proportional und in Phase mit der Eingangsspannung ist. Weil eine Glühlampe eine perfekte resistive Last ist, sind der Eingangsstrom und die Spannung in Phase, und der PF ist 1. Der PF ist besonders wichtig, da er sich auf die erforderliche Menge der elektrischen Leistung vom lokalen Stromversorger bezieht. Als Beispiel betrachtet man ein elektrisches Leistungssystem in dem eine Last mit einem kleinen Leistungsfaktor für dieselbe Menge nutzbarer Leistung die übertragen wird, mehr Strom zieht als eine Last mit großem Leistungsfaktor. Der erforderliche höhere Strom erhöht die Energie, die im Verteilungssystem verloren geht, wodurch wiederum dickere Stromkabel und weiteres Übertragungsequipment nötig sind. Aufgrund der Kosten von größeren Ausrüstungen und verlorener Energie berechnen die Stromversorgungsunternehmen üblicherweise höhere Preise für kommerzielle aber auch private Kunden, bei denen es Anwendungen mit einen kleinen Leistungsfaktor gibt. Internationale Standards für LED-Anwendungen werden immer noch entwickelt, aber die meisten Experten glauben, dass ein PF >0,9 für LED-Beleuchtungsapplikationen erforderlich ist. Weil eine LED-Treiberschaltung (die ein Arrays von Dioden, Transformatoren und Kondensatoren enthält) nicht wie eine rein resistive Last wirkt, kann sie einen sehr kleinen Leistungsfaktor von nur 0,5 haben. Um den PF auf über 0,9 zu steigern, muss entweder eine aktive oder passive PFC-Schaltung (power factor correction) in die LED-Treiberschaltung eingebaut werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass ein hoher PF besonders wichtig in Anwendungen ist, die eine große Anzahl an LED-Beleuchtungs-Arrays benutzen. Zum Beispiel in einer Parkgarage, in der mehrere Hundert 50-W-LED-Lampen eingesetzt sind, ist ein LED-Treiber mit hohem PF (>0,95) von großem Vorteil. Neben einem hohen PF ist es auch wichtig, die Pegel der harmonischen Verzerrungen in LED-Lampen zu minimieren. Die International Electrotechnical Commision hat die Spezifikation für Beleuchtungsausrüstungen IEC 61000-3-2, Class C definiert, um sicherzustellen, dass neue LED-Beleuchtungen auch diese Anforderungen an ein geringes Rauschen erfüllen. Eine akkurate Regelung des LED-Stroms über eine Vielzahl von Netz- und Ausgangsspannungen sowie Temperaturen ist wichtig für Beleuchtungsanwendungen, da Variationen der LED-Helligkeit für das menschliche Auge nicht erkennbar sein dürfen. Um die längste Lebensdauer der LED zu erzielen ist es nötig, sie nicht mit einem Strom zu versorgen, der über dem maximalen Betriebsstrom liegt. Die Regelung des LED-Stroms in isolierten Flyback-Anwendungen ist nicht immer einfach und erfordert häufig einen Optokoppler, um die erforderliche Rückkoppelschleife zu schließen. Dazu kann man auch eine weitere Wandlungsstufe hinzufügen. Diese Methoden bringen jedoch Probleme bezüglich Komplexität und Zuverlässigkeit ein. Glücklicherweise enthalten einige LED-Treiberschaltungen neue Designtechniken, die eine akkurate Regelung des LED-Stroms ohne diese zusätzlichen Komponenten oder höhere Designkomplexität bieten.
