Applikationsschrift

Design-Idee
Kostengünstiges Betreiben von Standard-LEDs an 10VDC bis 230VAC mit Strombegrenzer-Dioden – flickerfrei!
Kostengünstiges Betreiben von Standard-LEDs an 10VDC
bis 230VAC mit Strombegrenzer-Dioden – flickerfrei!
Standard-LEDs werden für viele Arten von Beleuchtungen verwendet, z.B. für
optische
Anzeigen, Signalleuchten, Leuchtreklamen, Display-Hintergrundbeleuchtungen, Möbel- und Innenraum-Leuchten. Darüber hinaus gibt es Ansätze,
Leuchtstofflampen („Neonröhren“) durch StandardLED-Arrays zu ersetzen. Standard-LEDs sind robust,
langlebig und kostengünstig in großen Stückzahlen
verfügbar. Die Leistungsaufnahme ist mit unter
© Mike Deal aka ZoneDancer
100mW auf einem sehr niedrigen Niveau und damit
auch der Stromverbrauch. Der Betriebsstrom solcher Bauteile liegt in der Regel
bei 20mA 1), bei einem Spannungsabfall zwischen 2 und 4V. Im Folgenden
wird eine kostengünstige Lösung beschrieben um Standard-LEDs mit
Strombegrenzungsdioden der ClxxMyy-Reihe von Diotec zu betreiben. Dies
sind Bauteile mit 15, 20 oder 40mA und maximal 90V: CL15M35, CL20M35 und CL40M35 im SMA-Gehäuse,
und CL15M45, CL20M45 und CL40M45 in SMB.
Strombegrenzerdioden (Current Limiting Diodes = CLD)
Eine CLD ist vergleichbar einer Zenerdiode, die eine
Spannung über einen großen Zenerstrombereich
konstant halten kann. Nur dass hier umgekehrt der
Strom über einen weiten Flussspannungsbereich
konstant gehalten wird. Das linke Bild zeigt die
typische IF/VF-Kurve einer solchen CLD, einschließlich
des Symbols sowie die Strom-/SpannungsDefinitionen. Beim Anlegen einer positiven Spannung
von der Anode zur Kathode (durch Kathodenring
gekennzeichnet) steigt der Strom bis auf einen
konstanten Wert IP. Der Anfangspunkt dieses
Strombegrenzer-Bereichs wird von der limitierenden
Spannung VL definiert, oberhalb deren IL = 80% von
IP erreicht wird. IP bleibt konstant, bis die maximal
zulässige Spannung VAK erreicht wird. Wird diese
überschritten, erfolgt ein Abbruch und das Bauteil
kann zerstört werden. In Sperrrichtung wird die
Spannung VR recht schnell erreicht. Der Bereich der Betriebsspannung liegt somit zwischen VL und VAK,
innerhalb dessen der Strom auf einem konstanten Wert IP gehalten wird. In Sperrrichtung werden CLDs in
der Regel nicht betrieben.
Die CLD kann also dazu verwendet werden, LEDs mit einem
konstanten Strom IP an einer variablen Spannungsquelle VIN
zu betreiben, siehe Abbildung rechts. Es muss nur
sichergestellt sein, das die Spannung über der CLD auf einen
Wert kleiner VAK begrenzt wird; dies ist die Differenz zwischen
VIN und dem Spannungsabfall der LED, VF-LED.
Die CL20Mxx ist für einen IP von 20mA ausgelegt, dem
typischen Betriebsstrom für Standard-LEDs; VAK liegt bei 90V.
Somit kann diese CLD dazu verwendet werden, eine einzelne
LED mit einer Spannungsquelle im Bereich von 10VDC bis 90VDC anzusteuern. Die CL40Mxx weist mit 40mA
einen doppelt so hohen Strom IP auf. CLDs können zur Erhöhung des Begrenzerstromes auch parallel
geschaltet werden; damit steigt aber auch die Verlustleistung.
1
Standard-LEDs müssen von Power-LEDs unterschieden werden, deren Betriebsstrom zwischen 350 und 700mA liegt (siehe
Applikationsschrift „Diotec Products for LED Drivers“)
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Kostengünstiges Betreiben von Standard-LEDs an 10VDC bis 230VAC mit Strombegrenzer-Dioden – flickerfrei!
Oft steht allerdings nur eine Wechselspannungsquelle zur Verfügung, so dass ein zusätzlicher (Brücken-)
Gleichrichter benötigt wird. Ist die Schaltung direkt an das 230VAC Stromnetz angeschlossen, so kann VIN
recht hohe Werte annehmen (bis zu 350V). Deshalb erfordern bestehende Schaltungen eine Vielzahl von
zusätzlichen Bauteilen, um die Eingangsspannung auf einen akzeptablen Wert zu verringern; zusätzlich
werden Elektrolytkondensatoren (Elkos) benötigt um diese Spannung konstant zu halten. Damit sind solche
Schaltungen komplex, teuer und weisen durch die verwendeten Elkos nur eine begrenzte Lebensdauer auf.
Im Folgenden wird beschrieben, wie mittels lediglich einem Brückengleichrichter, einer oder zwei CLDs,
einem LED-Array oder einem Netz-Kondensator eine Schaltung für den direkten Betrieb am 230VAC Stromnetz
aufgebaut werden kann.
Schaltungslösung bisher: 5 Komponenten, begrenzte Lebensdauer
Die rechte Abbildung zeigt
wie LEDs üblicherweise
direkt
am
Stromnetz
betrieben
werden.
Die
Zenerdiode, der Elko und
der
Leistungswiderstand
sorgen
für
einen
konstanten Strom IF durch
die LED. Der Elko weist die
geringste Lebensdauer auf
und ist damit das zeitlich
begrenzende
Element.
Beim Einschalten kann eine
Stromspitze an der Brücke auftreten, hervorgerufen durch die Aufladung des leeren Elkos beim Anlegen der
Spannung. Ideal geeignet für solche Anwendungen ist die S250 von Diotec, die über eine sehr hohe
Stoßstromfestigkeit von 40A (bei 50Hz) verfügt.
Schaltungslösung neu, Beispiel 1: nur 3 Komponenten und verbesserte Lebensdauer 2)
C
110...230VAC
~ S250
+
_
~
Standard LED
(20mA, 2...4V)
CL20M45
IP= 20mA
max VAK = 90V
ist um ein Überschreiten von VAK an der CLD zu vermeiden.
2
Die Schaltung links benötigt
lediglich 3 Komponenten um
eine (oder mehrere) Standard
LEDs
über
einen
weiten
Eingangsspannungsbereich
anzusteuern. Der WechselstromKondensator
besitzt
den
Blindwiderstand XC = 1/(2πfC).
Je nach Ausgangsleistung (und
damit
Eingangsoder
Netzstrom)
entsteht
ein
Spannungsabfall über diesem
Blindwiderstand. C muss so
gewählt werden, dass der
Spannungsabfall genügend groß
Diese Design-Idee stellt lediglich Applikationsvorschläge vor, nicht geprüfte oder erprobte Schaltungen. Es wird keine Gewähr
bezüglich Liefermöglichkeit, Ausführung oder Einsatzmöglichkeit der Bauelemente übernommen, noch dass die angegebenen
Bauelemente, Baugruppen, Schaltungen etc. frei von Schutzrechten sind.
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Kostengünstiges Betreiben von Standard-LEDs an 10VDC bis 230VAC mit Strombegrenzer-Dioden – flickerfrei!
Schaltungslösung neu, Beispiel 2: nur 3 Komponenten zur Ansteuerung von LEDArrays an 110VAC 3)
Hier wird nicht nur
~ S125K
eine, sondern eine
Reihe (ein Array)
+
110 VAC _
von Standard-LEDs
1µF
verwendet.
Der
36x white standard LEDs
~
resultierende
200V
Spannungsabfall
(20mA, typ. 3.2V each)
über der LED-Reihe
ist groß genug um
sicherzustellen,
CL20M45
IP= 20mA
dass
VAK
nicht
überschritten wird.
max VAK = 90V
Somit kann durch
nur einen Brückengleichrichter und eine einzelne CLD eine komplette LED-Leuchte an 110VAC betrieben
werden. Die hier gezeigte Protectifiers®-Brücke S125K hat den Vorteil, dass sie durch ihre erhöhte ESDFestigkeit einen zusätzlichen Schutz für die LEDs bietet.
LED-Array an 110VAC mit
Brückengleichrichter und CLD
Schaltungslösung neu, Beispiel 3: nur 3 Komponenten zur Ansteuerung von LEDArrays an 230VAC 3)
Das
gleiche
Schaltungs-prinzip,
betrieben
an
230VAC. Aufgrund
230 VAC _
2.2µF
der
höheren
75x white standard LEDs Spitzenspannung
~
400V
werden mehr als
(20mA, typ. 3.2V each)
doppelt so viele
LEDs
in
Reihe
geschaltet.
Eine
CL20M45
IP= 20mA
Gleichrichterbrücke
komplettiert
die
max VAK = 90V
Schaltung.
Die
gezeigte Protectifiers®-Brücke S250K hat den Vorteil, dass sie durch ihre erhöhte ESD-Festigkeit einen
zusätzlichen Schutz für die LEDs bietet.
~ S250K
+
Es wird empfohlen, eine zusätzliche Netzsicherung für den Fall von unvorhergesehenen
Kurzschlüssen einzufügen.
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Diese Design-Idee stellt lediglich Applikationsvorschläge vor, nicht geprüfte oder erprobte Schaltungen. Es wird keine Gewähr
bezüglich Liefermöglichkeit, Ausführung oder Einsatzmöglichkeit der Bauelemente übernommen, noch dass die angegebenen
Bauelemente, Baugruppen, Schaltungen etc. frei von Schutzrechten sind.
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