Kundenspezifische Vorschaltgeräte sparen Energie
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22 a ktive bau e le ment e konverter www.polyscope.ch Resonanzkonverter für effiziente LED-Stromversorgungen Kundenspezifische Vorschaltgeräte sparen Energie LED-Beleuchtungen erlangen aus mehreren Gründen immer grössere Beliebtheit. Die maximale Helligkeit ist sofort nach dem Einschalten vorhanden, häufiges Ein- und Ausschalten schadet der LED nicht, sie hat eine lange Lebensdauer bei gutem Wirkungsgrad usw. Ein Wermutstropfen im Vergleich zur Glühlampe ist, dass man eine Elektronik benötigt, um die LED zu speisen. » Ralf Negele LED-Vorschaltgeräte auf Basis von Resonanzwandlern mit bis zu 95 Prozent Wirkungsgrad bei über 100 W Leistung sind heute problemlos realisierbar bestimmt die Gewichtung der Auswahlkriterien. Ist ein hoher Wirkungsgrad oder ein kleines Bauvolumen gewünscht, ist ein grosser Eingangsspannungsbereich nötig oder ist es der Preis, der meist wichtigste Parameter? Ein hoher Wirkungsgrad steht häufig im Widerspruch zu einem tiefen Preis. Es gilt, eine Balance zu finden. Ein guter Wirkungsgrad steht nicht im kompletten Widerspruch zu einem niedrigen Preis, denn bei einem hohen Wirkungsgrad kann die Kühlung einfacher und günstiger ausfallen. Einen guten Wirkungsgrad erreicht man am einfachsten mit softschaltenden Technologien. Die langjährige Erfahrung zeigt, wie sich dies am besten erreichen lässt. Wahl der optimalen technik ist von vielen Punkten abhängig An diese Elektronik sind hohe Anforderungen gestellt. Sie soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen, einfach und günstig sein und im Stand-by wenig Leistung aufnehmen. Ob man eine galvanische Trennung benötigt, bestimmt die Anwendung. Für den direkten Ersatz einer Glühlampe ist keine galvanische Trennung erforderlich, da kein direktes Berühren der Kontakte der LED möglich ist. Denn diese sind unter einer Kunststoffabdeckung verborgen. Die Schaltung lässt sich dadurch einfacher realisieren. Wenn die grundsätzlichen Anforderungen geklärt sind, stellt sich die Frage, welche Technologie dafür am besten geeignet ist. anwendung bestimmt die Gewichtung der auswahlkriterien Die «beste» Wahl lässt sich nicht verallgemeinern, und es gibt grundsätzlich auch kein Richtig oder Falsch, denn die Anwendung Bei der Wahl der optimalen Technologie sind zahlreiche Punkte zu beachten. Ein wichtiger Punkt ist die benötigte Leistung, ein weiterer wichtiger Punkt ist der mechanische Aufbau des Beleuchtungskörpers sowie der Zielpreis. Wie hinreichend bekannt ist, sind zahlreiche verschiedene LED-Lampen in grösseren Fachgeschäften erhältlich. Für diesen Glühlampenersatz ist eine galvanische Trennung nicht zwingend nötig. So kann man einen einfachen Abwärtswandler verwenden, welcher autor Dipl. El. Ing. FH Ralf Negele, Geschäftsführer und Firmengründer der Negal Engineering AG, [email protected] Polyscope 5/13 konverter akt ive b auelemen t e The power in relays and timers since 1954 Die neue Serie 22 die günstige Variante darstellt. Kann hingegen die LED berührt werden, so ist klar, dass die Speisung eine galvanische Trennung aufweisen muss. Für Leistungen kleiner 50 W kommen häufig Flyback-Konverter zum Einsatz. Zurzeit arbeiten diese meist nicht resonant. Das heisst, das Schaltelement schaltet nicht strom- oder spannungslos. Die Folge: Der Wirkungsgrad sinkt und die EMV-Richtlinien sind schwieriger einzuhalten. Die Tendenz zeigt auch hier in Richtung resonant schaltender Topologien. Für Leistungen oberhalb von 50 W kommen immer häufiger resonant arbeitende Stufen zum Einsatz. So ist der LLC-Konverter die zurzeit populärste Topologie. Die Leistungshalbleiter auf der Primärseite schalten ein, wenn die Spannung null ist. Dieses spannungsfreie Einschalten gelingt durch den Einsatz einer Streuinduktivität, welche den Ausgang der Schaltstufe umlädt. Die Schaltverluste sind ausserordentlich gering. es braucht einen konstanten Strom Eines haben alle LED-Speisungen gemeinsam: Es wird nicht eine konstante Ausgangsspannung benötigt, sondern ein konstanter Strom. Man muss auch unterscheiden, ob die LEDStromversorgung einen oder mehrere Ausgänge besitzen soll. Bei mehrkanaligen LEDSpeisungen steuert man verschieden farbige LED an. Aus diesen verschiedenen Farben kann man weisses Licht erzeugen. Weisses Licht ist aber nicht immer erwünscht, sondern auch andere Farbtöne. Dies kann zum Beispiel bei der Beleuchtung von Schaufens- Prinzipschaltbild eines Flyback-Konverters tern erwünscht sein, um die gewünschte Stimmung zu erzeugen. Da der Wirkungsgrad nicht bei allen LEDFarben gleich ist, sind diese entsprechend dem Wirkungsgrad der einzelnen LED-Farben mit verschiedenen Strömen zu betreiben. Bei mehrkanaligen LED-Speisungen liefert ein AC/DC-Wandler aus der Netzspannung zuerst eine galvanisch getrennte interne Zwischenspannung. Daraus erzeugen nachgeschaltete Abwärtswandler die einzelnen Konstantströme für die jeweiligen Kanäle. Der Schaltungsaufwand ist entsprechend grösser, dafür lässt sich die Farbtemperatur verändern. Leistung für alle Bereiche 25A, 40A, 63A Beleuchtung Storen Klima Flyback-konverter kommen schon lange zum einsatz Flyback-Konverter werden schon sehr lange eingesetzt; diese Technik ist gut bekannt und es sind zahlreiche Bausteine für die Steuerung und die Regelung erhältlich. Es existieren Bausteine mit integrierten Leistungsschaltern, um die Anzahl der benötigten Bauteile zu reduzieren und somit auch die Kosten. Der Flyback-Konverter arbeitet grundsätzlich als Stromquelle. Der Magnetkern wird magnetisiert, wenn der Primärtransistor einschaltet, und entmagnetisiert über die Sekundärseite, wenn der Transistor ausschaltet. Die Ausgangsspannung steigt so hoch, bis Strom fliesst, um den Kern zu entmagnetisieren. Das Grundprinzip vom Flyback-Konverter wurde für die Speisung von LED etwas angepasst. Eine der Anpassungen ist die Verkleinerung des Eingangskondensators nach dem Gleichrichter, um die gängigen Normen bezüglich Oberwellen einzuhalten. Es ist gut vorstellbar, dass beim gleichzeitigen Einschalten vieler LED-Speisungen Probleme durch den hohen Einschaltstrom entstehen können. Durch Weglassen der Eingangs-Elektrolytkondensatoren lassen sich diese Einschaltströme sehr stark reduzieren. Auf dem LED-Treiber sind keine weiteren Vorkehrungen nötig, diesen Einschaltstrom zu begrenzen, was wiederum Kosten spart. Die Tendenz, «soft» zu schalten, macht auch vor dem Flyback-Konverter nicht halt. So wird beim Ausschalten des Haupttransistors ein zweiter Transistor aktiviert, um über einem Serienkondensator ein sanftes Ausschalten zu erreichen. Fussbodenheizung Typ 22.44 Die neuen Installationsschützen der Serie 22 sind KOMFORTABEL & LEISE! • Geeignet zum schalten von hohen Einschaltströmen bis zu 120A- 5ms an den Schliessern (Lampenlasten) • 2 und 4 Kontakte mit doppelter Unterbrechung • Mechanische und LEDAnzeige (Standard) • Optional: On-Auto-Off-Schalter • Hilfsschalter mit 1 NO+1NC oder 2 NO seitlich anbaubar • AC/DC Ansteuerung (brummfrei) Power-Faktor-korrektur ist von der leistung abhängig Prinzipschaltbild eines LLC-Konverters Polyscope 5/13 Ob ein Power-Faktor einzuhalten ist, hängt von der benötigten Leistung ab. Bei Leis- www.finder-relais.ch 24 akt i ve b auelemen t e konverter tungen kleiner 25 W ist dies nicht der Fall. Bei höheren Leistungen kommt vielfach eine aktive PFC-Stufe zum Einsatz. Diese stellt einen höheren Entwicklungs- und Schaltungsaufwand dar, hat aber den Vorteil, dass sich der DC/DC-Wandler mit einer konstanten Eingangsspannung betreiben lässt und dadurch der Betrieb im optimalen Arbeitspunkt erfolgen kann. Einen Weitbereichseingang kann man ebenfalls einfacher realisieren. llC-konverter vermeidet hart schalten Der LLC-Konverter ist eine neuere Schaltungsart, welche das «hart» Schalten in der Leitungsstufe vermeidet. Bei dieser Topologie kommt eine Induktivität zum Einsatz, um die Spannung an den Schaltelementen umzuladen. Die Leistungshalbleiter schalten ein, sobald die Drain-Source-Spannung gegen null geht. Es entstehen dadurch nur sehr wenige Schaltverluste. Das Ausschalten erzeugt weniger EMV-Probleme, da die Umladung durch die Streuinduktivität erfolgt und daraus eine relativ langsame Spannungsflanke resultiert. www.polyscope.ch Regelung der ausgangsspannung erfolgt über die Frequenz Ein kleiner Nachteil bei dieser Anordnung ist, dass man wahrscheinlich einen kundenspezifischen Spulenkörper herstellen muss. Vielfach lässt sich ein bestehender Spulenkörper anpassen, dadurch halten sich die Kosten für das Spritzgusswerkzeug in Grenzen. Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt über die Frequenz, welche eine andere Güte im Resonanzkreis zur Folge hat und somit eine andere Streckenverstärkung. Ein Nachteil der LLC-Technik ist das Regelund Kurzschlussverhalten. Die Regelstrecke (LLC-Kreis) hat je nach dem aktuellen Arbeitspunkt eine andere Streckenverstärkung. Eine optimale Reglereinstellung kann man nicht so einfach finden. Da die Vorwärtsspannung der LED nur wenig abhängig ist vom Vorwärtsstrom, muss man die Ausgangsspannung nur leicht verändern, um den Laststrom in grossem Masse zu verändern. Der Resonanzkreis ist nicht gross zu verstimmen und die Nichtlinearität der Regelstrecke lässt sich durch einen Analogregler ausregeln. Da man den Resonanzkreis nicht beliebig verstimmen kann, indem man die Frequenz erhöht, lässt sich ein Überstrom am Ausgang nicht immer verhindern. Es sind zusätzliche Massnahmen notwendig um dieses Problem zu lösen. LED verlieren nach langer Betriebszeit nur Helligkeit, erzeugen aber keinen Kurzschluss. Somit kommt der Kurzschluss am Ausgang selten vor, bzw. kann man diesen Zustand durch eine Schmelzsicherung verhindern oder durch ähnliche Lösungen verringern. Fazit Signalformen von LLC-Konvertern – pink: Drain-Spannung-MOSFET, grün: Primärstrom, blau: Ansteuerung Aktivgleichrichter, braun: Drain-Spannung Aktivgleichrichter Es ist gut zu erkennen, dass der MOSFET erst einschaltet (Pink), wenn die Spannung nahezu null ist, also wenn nur noch die Vorwärtsspannung von der Body-Diode geschaltet werden muss. Die Serieninduktivität für das spannungslose Schalten wird im Normalfall im Überträger integriert und verursacht deshalb keine Mehrkosten. Dies erreicht man, indem man die Primär- und Sekundärwicklungen nebeneinander anordnet und im Luftspalt die Energie von der Resonanzinduktivität gespeichert wird. Bei der LED-Versorgung sind zahlreiche Punkte zu berücksichtigen, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Die grundsätzliche Funktionsweise stellt nicht unbedingt die Schwierigkeit dar, sondern es sind zahlreiche Detailprobleme, die zu beachten sind, um einen einwandfreien Betrieb sicherzustellen. Die hohe Effizienz des Gesamtsystems kann man durch kundenspezifische LED-Vorschaltgeräte auf Basis von Resonanzwandlern weiter steigern. 95 Prozent Wirkungsgrad bei über 100 W sind so problemlos realisierbar. « infoservice Negal Engineering AG Gaiserwaldstrasse 16 A, 9015 St. Gallen Tel. 071 245 87 03 [email protected], www.negal.ch Polyscope 5/13
