Speisung von Power-LEDs ab Netz

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1 Speisung von Power-LEs Netz ie Prolemtik der Netzverschmutzung Im Zuge eines wchsenden Umweltewusstseins hen Lichtquellen mit hohem Wirkungsgrd grosse Zukunft. Zu diesen Lichtquellen gehören uch die LEs, und für Lichtzwecke esonders die Power-LEs. iese git es ereits in verschiedenen Frtönen und mit Leistungen is zu 1 W und einer Lichtuseute von is zu 132 lm/w 1). LEs für Beleuchtungszwecke reiten in der Regel ei niedrigen Spnnungen und grossen Strömen und enötigen elektrische Energie, die in der Regel vom Hushltnetz 23 V eff ezogen wird. Zwischen LE und Netz rucht es einen Wndler mit hohem Wirkungsgrd. Welche Art ist die este, und wie steht es mit der Netzverschmutzung? ie einfchste Form der Energiewndlung erfolgt üer einen Netztrnsformtor, einen Gleichrichter und einen Glättungskondenstor. iese Art der Wndlung wird Peter Wlther hier nicht näher etrchtet, d diese Lösung gross, schwer, teuer ist und zudem einen schlechten Wirkungsgrd ht. Klein und günstig: Switching- Mode Power Supplies (SMPS) Heute werden Energiewndler ei höheren Frequenzen ls der Netzfrequenz etrieen und können dher kleiner, leichter und dnk den niedrigen Preisen der enötigten Hlleiteruteile uch günstig hergestellt werden. Sie esitzen zudem in der Regel einen hohen Wirkungsgrd von is zu 95% und sind dher für diese An- Eingngsgleichspnnung [V] ,5 1 Sperrwndler Nicht glvnisch getrennt Buck Hlrücke Vollrücke Vollrücke Sehr hohe Stromspitzen Ausgngsleistung [W] Bild 1 Topologie ls Funktion von Eingngsgleichspnnung und gewndelter Leistung (Switchmode Powersupplies, s, 22). wendung empfehlenswert. Hierei wird zunächst die Netzspnnung von 23 V eff mit einem Brückengleichrichter gleichgerichtet, geglättet und dnn mittels einer elektronischen Schltung ei hohen Frequenzen in die gewünschte Form gercht. SMPS können in 4 Typen unterteilt werden, je nch Eingngs- und Ausgngsspnnung: AC in, C out: Gleichrichter, Netzwndler, Offline-Converter C in, C out: Spnnungswndler oder Stromwndler oder C/C-Wndler AC in, AC out: Frequenzwndler, Cycloconverter C in, AC out: Inverter Zur Speisung von Power-LEs Netz wird ein AC/C-Wndler enötigt, uch ein C/C-Wndler kommt infrge, wenn die Netzspnnung mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet und mit einem Kondenstor geglättet wird. ei eträgt die Gleichspnnung c. 325 V. Nun git es eine Vielzhl von Topologien, mit denen diese Aufge erledigt werden knn. Bevor die Whl der Topologie getroffen werden knn, sind folgende Frgen zu entworten: 1. Wie gross ist die Eingngsspnnung? 2. Wie gross ist die Ausgngsspnnung? 3. Wie gross ist die zu wndelnde Leistung? 4. Ist eine glvnische Trennung nötig? 5. Sind die verwendeten Buteile einer estimmten Belstung usgesetzt, z.b. Spitzenspnnung oder Spitzenstrom? Für eine Power-LE luten die entsprechenden Antworten: 1. Eingngsspnnung 23 V eff, nch der Gleichrichterrücke c. 325 V. 2. ie Ausgngsspnnung richtet sich nch den ten der LE, eine einzelne enötigt eine Spnnung von c. 34 V; sind mehrere in Serie geschltet, ist die Spnnung entsprechend höher. 3. ie Leistung ist eenflls eine Frge der LE, die verwendet wird, im vorliegenden Bericht soll es eine 1-W-Power- LE sein, deren Licht etw dem einer 6-W-Glühlmpe entspricht. 4. Eine glvnische Trennung zwischen der Netzseite und der Ausgngsgleichspnnung soll erfüllt sein. 5. ie Spitzenspnnung üer den Hlleitern hängt von der Topologie. Bei einem Sperrwndler wird die Gleichspnnung üer dem Hlleiter grösser ls die Speisespnnung von 325 V sein. Bild 1 zeigt eine Üersicht der Topologien und welche für eine estimmte Anforderung m geeignetsten ist. Für die Speisung von Power-LEs Netz kommen nur 2 wirklich infrge: der Sperrwndler und die Hlrücke, d sich diese für Gleichspnnungen üer 1 V und Leistungen unter 1 W m esten eignen. Nch wie vor gefrgt: der Sperrwndler Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufu eines Sperrwndlers. er Feldeffekttrnsistor, mit SW ezeichnet, wird üer eine Steuerung ein- und usgeschltet. ei fliesst im eingeschlteten Zustnd (SW ON) Strom durch die Spule und den Primärkreis N1, der idelerweise liner is zu einem Wert I PK nsteigt, wie rechts in Bild 2 zu sehen ist. ie mgnetische Energie E m eträgt dei: E m = L I 2 woei L die Induktivität der Spule und I den Strom durch die Spule edeuten. Während dieser Phse ist der Sekundärkreis N2 ohne Bedeutung, d die Sekundärspnnung so gepolt ist, dss die iode sperrt. Beim Erreichen des Spitzenstroms von I PK wird der Mosfet-Trnsistor SW usgeschltet, und es entsteht eine Induktionsspnnung V FLBK, die höher ls die Speisespnnung und umgekehrt gepolt ist. Am rticles spécilisés Bulletin SEV/AES 9/29 37

2 fcheiträge Sekundärkreis entsteht nun eine Induktionsspnnung, die so gepolt ist, dss die iode leitet und die gespeicherte mgnetische Energie in den Kondenstor C out und den ngeschlossenen Verrucher in unserem Fll n die Power-LE git. Nchdem dieser Vorgng geschlossen ist, liegt üer dem Schlttrnsistor SW die Eingngsgleichspnnung von 325 V, is dieser wieder eingeschltet wird, dnn wiederholt sich dieser Vorgng. ie Areitsfrequenz liegt in der Regel ei mehreren 1 khz. ie Höhe der Induktionsspnnung V FLBK hängt strk von der Betriesspnnung uf der Sekundärseite des Trnsformtors und dem Windungsverhältnis der Wicklungen. Üer eine Rückkopplung knn die Ausgngsspnnung stilisiert werden. Flls die Ausgngsspnnung ereits den Sollwert ht, z.b. wenn keine Lst ngeschlossen ist, wird der Schlttrnsistor vorzeitig usgeschltet, sodss keine mgnetische Energie ufgeut wird. er Wndler verrucht in diesem Fll keine Energie. Solche Sperrwndler, uch Offline-Switcher gennnt, sind sehr kostengünstig, und ds Steuerteil wie uch der Hochspnnungs-Schlttrnsistor sind ls IC erhältlich und efinden sich z.b. in einem IL-8-Gehäuse. Als konkretes Beispiel sei der Link Switch LNK erwähnt. iese ICs sind is zu einer Leistung von c. 1 W erhältlich. Bild 3 zeigt ds Schem eines solchen Wndlers für c. 2 W Ausgngsleistung, der uf dem Sperrwndlerprinzip siert. er Mosfet-Schlter ist im IC U1 integriert und liegt zwischen (rin) und S (Source). ieser Wndler ist mit einer optischen Rückkopplung U2 (Stndrd-Optokoppler) versehen, die es erlut, die Ausgngsspnnung zu regeln, und die gleichzeitig eine glvnische Trennung zwischen Einund Ausgng gewährleistet. Hlf-Brigde-Wndler fürs Kräftige Für etws grössere Leistungen eignet sich der sogennnte Hlf-Bridge-Konverter estens. Bei diesem Wndlerprinzip wird die Speisegleichspnnung in eine Wechselspnnung höherer Frequenz gewndelt und mittels eines Hochfrequenztrnsformtors in die gewünschte Spnnung trnsformiert und gleichgerichtet. Ein Prinzipschltild ist in Bild 4 drgestellt für die Speisung einer Niedervolthlogenlmpe, für die kein Gleichrichter notwendig ist [1]. Auf der linken Seite ist der Gleichrichter mit Ldekondenstor ngedeutet, rechts die Lst, in unserem Fll eine Niedervolthlogenlmpe. In der Mitte sind die eiden N1 N2 C C out V out in Control SW Rückkopplung Bild 2 Prinzipschem eines Sperrwndlers (Switchmode Powersupplies,, 22). J1 RF1 8,2 Ω 2,5 W VRMS J2 1 1N45 2 1N45 C1 3,3 µf 4 V 3 4 1N45 1N45 L1 1 mh R1 3,9 k L2 1 mh C2 3,3 µf 4 V LinkSwitch-XT U1 LNK362P Schlttrnsistoren TR1 und TR2 zu sehen, die wechslungsweise ein- und usgeschltet und üer einen Trnsformtor (Torroid) T1, T'1, T"1 ngesteuert werden. In der Mitte n der Verindungsstelle der eiden Trnsistoren wird eine Rechteckspnnung hoher Frequenz und hoher Spnnung von c. 3 V erzeugt, die den Ausgngstrnsformtor rechts üer die Primärwicklung des Steuertrnsformtors T1 speist. er Trnsformtor wndelt die hohe Spnnung in die enötigte niedrige Spnnung S V SW I PRI I SEC FB BP V FLBK NC NC V SAT CY1 1 pf 25 VAC C3 1 nf 5 V T1 EE169 IPK 5 1N4934 SW ON C4 33 µf 16 V Bild 3 LinkSwitch-Sperrwndler mit glvnischer Trennung, Leistung c. 2 W. R C1 T'1 T''1 TR1 TR2 T1 8 VR1 BZX79- B5V1 5,1 V, 2% U2 PC817A R2 39 Ω R3 1 k 6,2 V, 322 ma der Niedervolthlogenlmpe um. ie Kondenstoren C2, C3 dienen der Spnnungsentkopplung und stellen für die hohe Betriesfrequenz eine kleine Impednz dr, sodss die gesmte Rechteckspnnung üer der Primärwicklung des Trnsformtors liegt. ie Buteile R, C1 und der ic dienen zum Strten des Leistungsoszilltors, indem der Kondenstor uf eine Spnnung ufgelden wird, die den ic zündet. ei wird der Kondenstor üer die Bsis von TR2 und den ic entlden, C2 C3 ST Microelectronics J3 J4 Bild 4 Prinzipschltild eines Hlf-Bridge- Wndlers. Power Integrtions, Inc. 38 Bulletin SEV/VSE 9/29

3 , Power fctor correction hndook [4] [%] 4 2, Power fctor correction hndook [4] Spnnung; CH1 1 V, 5 ms Strom; CH2 2 A, 5 ms Hrmonische [Nr.] 8 6 [%] 4 Eingngsspnnung; CH1 2 V, 5 ms Eingngsstrom; CH2 2 A, 5 ms Bild 5 Sinusförmiger Strom und sinusförmige Spnnung ergeen einen Leistungsfktor von 1 (Bild 5), während die sinusförmige Spnnung und der nicht sinusförmige Strom eines Gleichrichters mit Glättungskondenstor einen Leistungsfktor von <1 ergeen (Bild 5) Hrmonische [Nr.] Bild 6 Hrmonische ei sinusförmigem (Bild 6) und ei nicht sinusförmigem Strom (Bild 6). rticles spécilisés womit die Schwingung ngeregt wird. ie iode unterindet weitere Strtversuche, wenn der Oszilltor schwingt, indem der Kondenstor C1 ei jeder negtiven Hlwelle des Oszilltors entlden wird und so nicht uf die Zündspnnung des ics ufgelden werden knn. iese Schltung ist für Leistungen is üer 1 W estens geeignet und ht zudem einen hohen Wirkungsgrd. Weiter ist zu erwähnen, dss die Trnsistoren TR1 und TR2 keinen extrem hohen Spnnungsspitzen usgesetzt sind, womit diese Schltung äusserst roust und zuverlässig ist. Für die Anwendung ei Power-LEs ist m Ausgng des Trnsformtors ein Brückengleichrichter nzuringen, der us 4 Schottky-ioden mit Glättungskondenstor esteht; wenn 2 Sekundärwicklungen vorgesehen sind, genügen 2 Schottky-ioden, d die LEs mit Gleichstrom funktionieren. Schottky-ioden sollten wegen der niedrigen Schwellspnnung und der hohen Schltfrequenz verwendet werden. Wie stehts mit der Netzverschmutzung? Power Switching Supplies enötigen immer einen Gleichrichter m Eingng der Schltung, der den Wndler mit der nötigen Gleichspnnung versorgt. ei ist der Strom leider lles ndere ls sinusförmig, ws dnn uch zu einem schlechten Leistungsfktor (Power Fctor) führt. Solnge es sich um wenige Verrucher hndelt, spielt ds keine grosse Rolle. Wird er die Lichterzeugung zunehmend durch lterntive Lichtquellen ersetzt, die lle die elektrische Energie us dem Netz eziehen und in der Regel, wie oen eschrieen, mit einen Wndler mit Gleichspnnung versehen sind, so kommt der Frge nch der Netzverschmutzung grosse Bedeutung zu. Um zu verstehen, worum es sich hndelt, hilft ein Blick uf Bild 5. Hier sind die sinusförmige Eingngsspnnung und der nicht sinusförmige Ldestrom des Kondenstors zu sehen. iese Stromform führt zu erhelicher Verschlechterung des Leistungsfktors wesentlich kleiner ls 1, oschon Strom und Spnnung uf den ersten Blick phsengleich sind. Beim Bild 5 eträgt der Leistungsfktor 1, weil Strom und Spnnung in Phse und zudem eide sinusförmig sind. ie Sitution in Bild 6 führt in der Folge zu unerwünschten Beiträgen von ungerden Hrmonischen des Stroms, die ds Netz elsten. ie Fouriertrnsformtion ringt es n den Tg. In Bild 6 ist die Netzelstung eines sueren (ohmschen) Verruchers zu sehen, nur die Grundwelle 5 Hz ist vorhnden, während in Bild 6 die ungerden Hrmonischen der 3. einen erhelichen Anteil usmchen. ies gilt es wenn möglich zu verhindern. Leider wird heute nur die Norm EN [3], wenn üerhupt, eingehlten, die für Lichtnwendungen in der Klsse C vorgeschrieen ist. iese Vorschrift knn zwr durch die günstige Whl des Glättungskondenstor-Werts eingehlten werden, doch leien die Hrmonischen estehen. Bulletin SEV/AES 9/29 39

4 23 VAC,22 µf 25 VAC,22 µf 25 VAC P. F. >,96 LAG 4 x 1N47 1N47 1 µf 2 V 47 Ω 1 W 1N 47 1 µf 2 V 1N47 4 W Output Résumé L limenttion des LEs de puissnce sur le réseu Prolème de l pollution du réseu. Tndis que l on devient de plus en plus conscient des questions environnementles, les sources lumineuses à hut rendement sont promues à un el venir. Cel engloe églement les LEs et en prticulier, pour l éclirge, les Power LEs. Celles-ci existent déjà en différentes teintes, vec des puissnces tteignnt 1 W et un rendement lumineux de jusqu à 132 lm/w 1). Les LEs d éclirge fonctionnent générlement à sse tension et vec des cournts élevés et nécessitent de l énergie électrique normlement fournie pr le réseu 23 V eff. Entre les LEs et le réseu, il fut un convertisseur à hut rendement. Quel est le meilleur type et qu en est-il de l pollution du réseu? fcheiträge V Bu I in Leistungsfktor-Korrektur (Power Fctor Correction, PFC) AC Line Rectifiers PFC Preconverter High Frequency Bypss MC34362 Cpcitor Bild 7 Pssive Leistungsfktor-Korrektur Vlley-Filled-Methode (Bild 7) mit Spnnungs-/Stromild (Bild 7). Eingngsspnnung lu, Ausgngsspnnung schwrz, Strom rot. siehe Bild 7. Mit dieser Methode ergeen sich mrginle zusätzliche Verluste durch 2 ioden mit,7 V Schwellspnnung zusätzlich im Kreis. Besser lässt sich ds Prolem mit einer sogennnten ktiven Leistungsfktorschltung (Active PFC) [4] ngehen (Bild 8). Bei diesem Verfhren werden die Lücken, die eim gewöhnlichen Gleichrichter entstehen, mithilfe eines Sperrwndlers ufgefüllt. er Kondenstor nch dem Gleichrichter links im Bild dient lediglich der Filterung von Hochfrequenzstörungen und ht keine Ldefunktion, d.h. die Spnnung m Kondenstor ist eine pulsierende Gleichspnnung. ie Schltung, die mit PCF-Preconverter eschrieen ist, funktioniert wie ein Sperrwndler, wie er zu Beginn dieses Artikels ereits erwähnt worden ist. Es ist ein Sperrwndler, der mit einer grossen vrilen Eingngsspnnung funktioniert, die von V reicht. er Mosfet wird eingeschltet und nch einer vordefinierten Zeit wieder usgeschltet, wie in Bild 9 drgestellt. er Mittelwert des Stroms verläuft wie gestrichelt gezeichnet. Im Bild 9 ist eine entsprechende Messung drgestellt, wo nur der Mittelwert zu sehen ist, der ziemlich sinusförmig ussieht. Üer einen Regelkreis, der hier nicht eingezeichnet ist, wird die Ausgngsspnnung m hier mit Bulk Storge Cpcitor (Ldekondenstor) ezeichneten Kondenstor konstnt gehlten (Bild 8). ies wird mit einer Regelung erreicht, die den Mosfet schltet, evor der mximle Strom erreicht ist. ie Ausgngsspnnung nch diesem Kondenstor ist lso konstnt, ws für den Verrucher ntürlich wünschensmlspnnung eträgt, üer den Brückengleichrichter ufgelden werden. Fällt die Spnnung eim weiteren Verluf wieder unter die Hälfte der mximlen Spnnung, so werden die Kondenstoren prllel geschltet und üerrücken so ds sonst zurückleiende Tl. her der Nme Vlley- Filled-Methode. ie Lst wird während dieser Zeit üer den einen Kondenstor mit der oersten iode und den nderen Kondenstor mit der untersten iode gleichzeitig gespeist. Auf diese Weise ist der Strom zwr nicht idel sinusförmig und in Phse mit der Spnnung, der Leistungsfktor knn er uf diese Art immerhin uf is zu,96 gercht werden. Stndrd-Gleichrichterschltungen ringen es uf c.,6. er Nchteil dieser Schltung ist die reltiv grosse Welligkeit der Ausgngsspnnung, Bulk Storge Cpcitor Bild 8 Prinzipschem einer ktiven Leistungsfktorschltung (Active PFC). Converter Lod On Semiconductor, AN 8179// Eine nheliegende Lösung liefern Bild 7 und 7: den Strom sinusförmig zu mchen. Es git glücklicherweise sehr gute Möglichkeiten, die je nch Ansprüchen mehr oder weniger ufwendig sind und uch entsprechend mehr oder weniger kosten. Sogennnt pssive und ktive Lösungen für dieses Prolem sind eknnt. Bild 7 zeigt eine gern verwendete pssive Lösung, die Vlley-Filled-Methode. Ihre Funktionsweise esteht drin, dss die eiden Kondenstoren von 1 μf üer die iode (Mitte) und den 47-Ω-Widerstnd in Serie geschltet sind und der Restspnnung, die von der vorhergehenden Hlwelle zurückgelieen ist und etw noch die Hälfte der Mxi- 4 Bulletin SEV/VSE 9/29

5 Inductor Current On Mosfet Q1 Off Pek IQ1 I5 Averge, AN 8179/ wert ist. Auch hier kommen unwesentliche Verluste hinzu, verurscht durch den Schlttrnsistor und die zusätzliche schnelle iode. Zusmmenfssung Werden die richtigen Mssnhmen ergriffen, knn eine Netzverschmutzung verringert oder gr vermieden werden, wenn Verrucher mit Gleichstrom etrieen und vom Netz gespeist werden. Schon eine pssive Leistungskorrektur reduziert die sonst uftretenden Hrmonischen des Stroms erhelich und ergit einen Leistungsfktor is gegen,96. Bessere Werte liefert eine ktive Lösung, die zudem noch nicht einml kostentreiend sein muss. Spnnung = 1 V/IV Input = 23 VAC 2, ms/iv Strom = 1, A/IV Bild 9 Stromverluf des Mosfet (Bild 9) und resultierende Spnnungs- und Stromform (Bild 9). Referenzen [1] P. Ficher, R. Scollo: Electronic trnsformer for 12 V Hlogen Lmp, ST Microelectronics, AN528/999. [2] Electronic Bllsts Using the Cost-Sving IR215X rivers, Interntionl Rectifier, AN- 995A. [3] Elektromgnetische Verträglichkeit (EMV), VE 838-2, IN EN [4]. ll, O. Meilhon, K. Vldez: Power fctor correction hndook,, HB853/, Rev. 3 Sept. 27. Angen zum Autor Prof. r. Peter Wlther ist ozent und Bereichsleiter Mikrotechnik n der Berner Fchhochschule, Technik und Informtik. Berner Fchhochschule, Technik und Informtik, 251 Biel, peter.wlther@fh.ch 1) Lumen pro Wtt Stnd vom 3. April 29 der Firm Cree Inc. rticles spécilisés Bulletin SEV/AES 9/29 41