Bestimmen des LED-Treiberspannungsbereichs für eine LED-Anwendung mit Konstantstrom: In Teil 1 wurde die Entscheidung Konstantstrom oder Konstantspannung behandelt. Die Festlegung des Konstantstromes und auch die erste Abschätzung des LED-Treiberspannungsbereichs ist erfolgt. In Teil 2 wird eine genauere Definition des LED-Treiberspannungsbereichs erläutert.

In Teil 1 dieser Serie erfolgte die Festlegung des Konstantstromes und auch die erste Abschätzung des LED-Treiberspannungsbereichs:

V_{forward_total} = V_forward x Num / String 

Um den genauen Bereich festlegen zu können, müssen noch 

1. V-I-Charakteristik 
2. Produktionsschwankungen 
3. Temperaturkoeffizienten 

Bei einer idealen LED ändert sich die Durchlassspannung nicht, wenn der Strom ansteigt (Abb. 1). In der Realität ändert sich die Durchlassspannung mit dem Strom, und es ist wichtig, die LED-Spannung basierend auf dem tatsächlich vom Entwickler festgelegten Strom zu überprüfen, anstatt sich auf die Standardtestbedingung aus dem Datenblatt zu beziehen.

Im folgenden Beispiel (Abb. 2) beträgt die typische Spannung der LED 3,2 V. Wenn die LED nicht bei 350 mA, sondern bei 1 A verwendet wird, beträgt die tatsächliche typische LED-Spannung anstelle von 3,2 V nun 3,8 V. Dieser Unterschied von 0,6 V kann zu einem ganz anderen Ergebnis führen, wenn eine große Anzahl von LEDs in Reihe geschaltet werden. Darüber hinaus kann sich die Situation noch verschlechtern, wenn der LED-Treiber einen hohen Welligkeitsstrom aufweist, der zu einem Spitzenstrom von mehr als 1 A führen würde. Somit wäre die Spitzenspannung von 3,8 V überschritten.

LED-Durchlassspannungen an jedem LED-Chip variieren aufgrund des Prozessdrift. Wir gehen in unserem Beispiel von einer Produktion mit einer engen Toleranz aus, was zu einer Normalverteilung führt (Abb. 3). Aufgrund der Spannungstoleranz bei der Produktion ergibt sich ein Unterschied zwischen der typischen Durchlassspannung und der tatsächlich zu erwartenden Durchlassspannung. Die Produktionsdaten, wie die tatsächliche Durchlassspannungsverteilung müssen möglicherweise direkt beim LED-Hersteller überprüft werden.
Obwohl das absolute Maximum / Minimum statistisch gesehen in der Regel +/- 10 % beträgt, ist es laut Statistik umso wahrscheinlicher, dass sich die kombinierte Durchlassspannung um den typischen Spannungswert einstellt, je mehr LEDs in Reihe geschaltet sind. Es wird empfohlen, einen gewissen Spannungsspielraum zu schaffen: ein Abstand von 10 % zur typischen Spannung wird als sicher angesehen.

Die LED-Durchlassspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Dies bedeutet, je höher die Temperatur, desto niedriger die Durchlassspannung. Da eine LED ein selbsterhitzendes Element und die Leuchte ordnungsgemäß thermisch ausgelegt ist, sind die Dauerarbeitstemperatur und die LED-Betriebsspannung normalerweise recht stabil. Der schlimmste Fall tritt auf, wenn die Leuchte bei niedriger Temperatur eingeschaltet wird. Um den zusätzlichen Spannungsbedarf bei niedriger Temperatur abzuschätzen, liefert die LED-Spezifikation eine typische V-T-Kurve gemäß den Standardtestbedingungen (z. B. 350 mA). Viele Hersteller bieten auch Software-Tools zur Überprüfung der Spannung anhand variabler Parameter, wie Sperrschichttemperatur (Tj), Ansteuerstrom, usw. Es kann einen dramatischen Unterschied im Spannungsbedarf geben, aufgrund niedriger Temperaturen und aufgrund von Produktionstoleranzen und Stromdifferenzen. Im ersten Fall ist der Spannungsbedarf nur vorübergehend, und daher muss dieser erhöhte Spannungswert nicht für einen Dauerbetrieb ausgelegt werden. Auf dem Markt gibt es einige fortschrittliche LED-Treiber, die mit einer spannungsadaptiven Funktion ausgestattet sind, um den kurzfristigen Spannungsbedarf zu liefern. Der HLG-480H-C von Mean Well verfügt beispielsweise über diese Funktion, mit der der Ausgangsstrom automatisch reduziert werden kann, um eine höhere Ausgangsspannung ausgeben zu können. Die Gesamtausgangsleistung wird dabei nicht überschritten. Wenn die Leuchte eingeschaltet wird und sich allmählich erwärmt, fällt die Spannung und auch der Strom auf seinen festgelegten Wert zurück. Das LED-Netzteil HLG-480H-C1400, das bei 171 bis 343 V DC arbeitet, kann vorübergehend 412 V DC leisten, um Leuchten bei extrem niedriger Temperatur (z. B. -40 °C) starten zu können.

Bei einer Leuchte werden 100 LEDs wie in Abb. 2 verwendet. Der Ansteuerstrom beträgt 1,05 A. Insgesamt gibt es 2 Strings mit 50 LEDs. Die niedrigste Betriebstemperatur gemäß Lampenspezifikation soll 0 °C betragen. So definieren Sie den Spannungsbereich: 

Lösung: Überprüfen Sie das LED-Datenblatt und führen Sie die folgenden Schritte aus:

1. LED V-I-Kurve: ermitteln Sie die Spannung auf der Kurve entsprechend dem Sollstrom. Gemäß Abb. 2 beträgt die typische Durchlassspannung der LED bei 1,05 A 3,8 V. 
2. Multiplizieren Sie diese Spannung mit der Anzahl der LEDs in einem String: 3,8 (V) × 50 (Stk.) = 190 V. 
3. Produktionstoleranz: Verhältnis der maximalen zur typischen Spannung
   Fazit: Die typische LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 190 V
   Worst Case: die LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 207 V*
   * Die aktuelle Welligkeit des Treibers wird hier nicht berücksichtigt.
   
4. Berücksichtigung des Temperaturkoeffizienten zur Bewertung der Startspannung im Worst Case:
   Aus Abb. 4: Die Spannung bei 0 °C beträgt 3,6 V, bei 85 °C beträgt sie 3,2 V.  Angenommen, die LED-Leuchte arbeitet normalerweise bei Tj 85 °C.
   3,6 (V, Tj = 0) / 3,2 (V, Tj = 85) = 1,125 <1,2 
   3,48 (V) / 3,2 (V) = 108,75 %
   190 (V) × 108,75% = 206,6 (V) 

Die typische LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 190 V x 1,2 = 228 V.
Worst Case: die LED-Gesamtdurchlassspannung beträgt 207 V x 1,2 = 248,4 V.

Vorgeschlagenes Modell: HLG-480H-C2100

Die LED-Leuchte benötigt typische 190 V und 2,1 A (399 W), im schlimmsten Fall 207 V (435 W). Dies liegt innerhalb der HLG-480H-C2100 Spezifikation (Abb. 5). Ferner weist das HLG-480H eine sehr geringe Stromwelligkeit auf, so dass der Einfluss der Welligkeit auf die LED-Spannungsänderung ignoriert werden kann. Bei kalter Temperatur kann der Spannungsbedarf vorübergehend bei über 249 V liegen, was nicht im normalen Konstantstrombereich liegt. Diese Situation tritt jedoch selten auf und kann durch die umgebungsadaptive Funktion des HLG-480H-C2100 abgedeckt werden, die maximal 275 V bei einem reduzierten Stromwert liefert.

Lesen Sie weiter in Teil 3.