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LED-Treiber: Welchen wählen?

2020-11-04

Solange auf dem Markt erhältliche LEDs als normale Steuerungen oder Anzeigen verwendet wurden, war ihre Stromversorgung äußerst einfach und erforderte keine speziellen Lösungen, abgesehen von der Verwendung von Strombegrenzungswiderständen. Seitdem jedoch die ersten Mittel- und Hochleistungskomponenten für die Beleuchtung einer Vielzahl von Räumen auf den Markt gekommen sind, haben sich die Anforderungen an ihre Stromversorgung erheblich geändert. Um die Effizienz und Haltbarkeit dieser Halbleiter zu gewährleisten und sie ordnungsgemäß mit Strom zu versorgen, mussten speziell entwickelte Treiber verwendet werden.

LED-Treiber: Welchen wählen?

Warum nennen wir diese Geräte "Treiber" und nicht einfach "Netzteile”?

Weil der Treiber, der für die Versorgung von LEDs verwendet wird, mehr als ein Netzteil im herkömmlichen Sinne des Wortes. Das Design, auf dem diese Lösung basiert, berücksichtigte von Anfang an die spezifischen Eigenschaften von LEDs, um deren optimalen Betrieb, Haltbarkeit, Energieeffizienz und Schutz vor Beschädigungen sicherzustellen. Ein klassisches Netzteil könnte all dies nicht bieten, und um die gleichen Funktionen auszuführen, müsste es mit einer Steuerelektronik ausgestattet sein.

Sind die auf dem Markt erhältlichen Treiber einander ähnlich?

Absolut nicht. Bestimmte Modelle weisen viele große und signifikante Unterschiede auf, die sich hauptsächlich auf Zielanwendungen beziehen. Als Beispiel können wir mehrere Makrokategorien von Anwendungen unterscheiden, wobei jedes Mal versucht wird, deren Funktionen kurz zu beschreiben, die in einzelnen Geräten analysiert werden sollten.

Haushaltsbeleuchtung

Grundsätzlich sollten Treiber, die das Innere eines Hauses beleuchten sollen, die folgenden Anforderungen erfüllen:

  • Kompakte Abmessungen
  • Wettbewerbsfähiger Preis
  • Mittlere oder niedrige Leistung
  • Hohe Effizienz und Zuverlässigkeit
  • Leichte Montage
  • Einfache und sofortige Helligkeitsregelung (Dimmen)
  • Haltbarkeit

Als Beispiel für Lösungen für diese Anwendungskategorie können Treiber der Serie LDC mit einer Leistung von 35 bis 80 W genannt werden, die die CP-Steuerung (bei konstanter Leistung) von LEDs ermöglichen.

Bei Anwendungen, die die Integration in ein Hausautomationssystem beinhalten, können wir zusätzlich zu den oben genannten Lösungen auch Folgendes angeben:

  • Verfügbarkeit von erweiterten Schnittstellen wie DALI oder KNX
  • Möglichkeit der kabellosen Steuerung

Beispielsweise kombiniert die Serie LCM-BLE die Funktionen von Bluetooth mit Mesh Networking. Die Geräte können einfach mit einer speziellen Anwendung programmiert und bedient werden.

Straßenbeleuchtung

Dies ist wahrscheinlich eine der kritischsten Anwendungen, da LEDs in rauen Umgebungen fehlerfrei funktionieren müssen. Daher sollten die verwendeten Treiber die bestmöglichen Eigenschaften in Bezug auf Kontrolle, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit aufweisen.

  • Breiter Bereich von Betriebstemperaturen
  • Hohe Effizienz und Stabilität
  • Betrieb bei konstanter Leistung
  • Aktive Leistungsfaktorkorrektur (Active PFC)
  • Hoher IP-Schutz
  • Isolationsklassen 2
  • Möglichkeit der Fernsteuerung für die Smart City-Funktion,
  • Hervorragendes Preis-Leistungsverhältnis.

XLG-100-H-A Abbildung 1. Treiber XLG-100-H-A mit konstanter Leistung

Treiber der Serie XLG - in Abbildung 1 - mit kleinen Abmessungen oder die Serie ELG mit einem hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnis oder die Serie HLG mit hohem Wirkungsgrad sind eine sehr gute Wahl für diese Art von Anwendungen.

Für zusätzliche Energieeinsparungen sind die D2-Versionen der ELG-Serie (optional für das Modell HLG) mit der Funktion "Smart Timer Dimming" ausgestattet.

Was genau ist "Smart Timer Dimming"?

Mit dieser Funktion kann der Dimmprozentsatz über einen Zeitraum von 14 Stunden von 00:00 bis 14:00 gemäß den drei Standardprofilen (Hausbeleuchtung, Straßenbeleuchtung oder Tunnelbeleuchtung) geändert werden. Alternativ kann die Programmierschnittstelle SDP-001, verwendet werden, um den Treiber mit benutzerdefinierten Profilen zu programmieren.

Bühnenbeleuchtung

Auch in der Kunstindustrie wie Theater- oder Musikveranstaltungen werden LED-Lichtquellen auf modernen Bühnen außerordentlich häufig eingesetzt.

Bei Lösungen der Serie RGB können Treiber mit der Möglichkeit der Spannungsregelung (CV) von MEAN WELL als hochstabile Netzteile für LED-Treiber im DMX-Standard verwendet werden, wobei zu diesem Zweck ihre hohe Skalierbarkeit und ein breites Anwendungsspektrum genutzt werden. Andererseits können bei Hochleistungs- Monochrom-Lösungen (z. B. Punktprojektoren mit fokussiertem Strahl) Treiber der Serie HBG, deren zylindrische Form für diesen Zweck perfekt geeignet ist.

Beleuchtung für intensiven Anbau

LED-Beleuchtung ,die bei dem intensiven Anbau von Pflanzen in Gewächshäusern verwendet wird, ersetzt und verbessert zuvor verwendete Lichtquellen, d. H. Natriumhochdrucklampen. Grundsätzlich war die Veränderung zum Besseren die Möglichkeit, eine Kombination von LEDs unterschiedlicher Farben zu verwenden, um die geeigneten Lichtschattierungen zu erhalten, abhängig von der Art der angebauten Pflanzen oder ihren Wachstumsstadien. Neben der Effizienz, Zuverlässigkeit, Isolierung und dem Schutz, die die vorherige Kategorie bereits charakterisiert haben, sollten Treiber für diese Anwendungen auch gekennzeichnet sein durch:

  • Hohe Ausgangsleistung
  • Breiten Regelungsbereich, auch bei Hochspannung

LCM-40KN LED-Treiber der Serie LCM von MEAN WELL

Die Geräte der Serie HVGC (Abbildung 7) eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften besonders für Anwendungen im Agrarsektor. In solchen Anwendungsfällen ist es unter Berücksichtigung des hohen Stromverbrauchs äußerst nützlich die Möglichkeit, 2 Phasen an einer dreiphasigen Leitung (Eingang 400 V AC) mit dem Vorteil der Energieeffizienz und mit einer signifikanten Reduzierung des Eingangsstroms anzuschließen. In diesen Fällen hat sich das Vorhandensein eines aktiven Systems „Active PFC” als besonders vorteilhaft erwiesen.

Was ist ein aktives PFC-System und welche Vorteile bietet es?

PFC, das heißt „Power Factor Correction” oder aktive Leistungsfaktorkorrektur ist eine sehr nützliche Funktion, die eines der häufigsten Probleme mit den Eingangszuständen in weniger fortgeschrittenen Treibern ohne diese Funktion beseitigt. Abbildung 3 zeigt die Spannungs- (grün) und Stromwellenformen (rot), die sich auf den Wechselstromeingang dieser Art von Stromversorgung beziehen. Die linke Seite der Abbildung zeigt den Verlauf des vom Gerät ohne aktives PFC-System verbrauchten Stroms. Wenn wir es uns genauer ansehen, können wir sehen, dass die aktuelle Wellenform nicht nur in Bezug auf die Spannung verschoben, sondern auch erheblich verzerrt ist. Diese Situation kann nicht ignoriert werden, da sie zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der elektrischen Anlage führt (hohe Ströme im Verhältnis zur tatsächlich übertragenen Wirkleistung). Darüber hinaus ist ein solcher Staat illegal und wird von Energieunternehmen mit erhöhten Tarifen für Geschäfts- und Industriekunden bestraft. Die aktive PFC-Schaltung, die in den Treibern MEAN WELL, verwendet wird, ermöglicht durch kontinuierlichen Betrieb und die automatische Anpassungsfunktion eine signifikante Verringerung der Stromwellenformverzerrung und der Verschiebung zwischen zwei Signalen (z im rechten Teil von Abbildung 3) gezeigt, wobei der Leistungsfaktor unabhängig von der Last auf einen Wert von 0,9 oder mehr gebracht wird.

 Spannungswellenformen Abbildung 3. Spannungs- (grün) und Stromwellenformen (rot) am Wechselstromeingang des Treibers ohne Leistungsfaktor-Steuersystem (links) und mit aktivem PFC-System (rechts).

Was sind die Leistungsstandards für LED-Beleuchtung?

LED-Leistungsstandards sind meistens Konstantstrom (CC) oder Kontantspannung (CV). Der beste Weg, um herauszufinden, welche zu verwenden ist, besteht darin, die technischen Spezifikationen der verwendeten Komponenten zu studieren, die von den Herstellern bereitgestellt werden.

Konstantstromversorgung (CC)

Die LEDs (einzeln oder in Reihe geschaltet) werden von einem Treiber gespeist, der die Intensität des durch die Halbleiterübergänge fließenden Stroms ständig steuert und regelt. Ein Beispiel für diesen Gerätetyp ist die Familie der Konstantstromtreiber mit niedriger Pulsation,der Serie HVGC von MEAN WELL, erhältlich mit einem Ausgangsstrom von 350 mA bis 7A, die abhängig von der Anzahl der LEDs, die den vom Treiber gesteuerten Kreis bilden, einen breiten Spannungsbereich aufrechterhalten können.

Konstantspannungsversorgung (CV)

In diesem Fall steuert und regelt der Treiber präzise die Spannung, die die LEDs erreichen, die diesen Betriebsmodus unterstützen. Der zugeführte Strom hängt von der Anzahl der angeschlossenen Elemente ab, während der integrierte Treiberschutz verhindert, dass die in der Spezifikation festgelegten Leistungsgrenzen überschritten werden. Die Serie APV von MEAN WELL, ein Beispiel für die Anwendung der "Constant Voltage" -Lösung, besteht aus Produkten mit einer einstellbaren oder konstanten Ausgangsspannung von 5 V bis 48 V und einem Strom von 0,3 A bis 40 A.

LED-Stromversorgung mit 40 A Ausgang? Was tut es?

Die Sicherheitsstandards für gefährliche Standorte (HazLoc) sehen die Verwendung von Niederspannungsquellen (allgemein) vor. Außerdem sollte das Risiko der Erzeugung von Funken oder Lichtbögen minimiert werden. Folglich wird bei der Planung dieser Art von Installation die Parallelschaltung von Beleuchtungsgeräten und höheren Strömen bevorzugt, was sich nachteilig auf die Effizienz auswirkt, jedoch zum Vorteil der Betriebssicherheit und der Wartung dieser Anlagen.

Der Treiber HLG-600H-12 ist ein Beispiel für ein Gerät, das an diese Art von Hochstrom-CV-Anwendung angepasst ist.

Warum ist die LED-Stromversorgung ein so wichtiger und entscheidender Faktor?

LEDs weisen wie alle Halbleiter Merkmale der Temperaturdrift auf. Abhängig von der Temperaturänderung ändert sich auch die Spannung am Komponentenübergang Vf. Um sie richtig zu kontrollieren, sollte dieses Phänomen immer berücksichtigt werden. Nennen wir ein praktisches Beispiel: Wir gehen davon aus, dass wir einen Stromkreis mit 50 in Reihe geschalteten LEDs versorgen müssen. Wenn wir den Strom dieser Reihenschaltung konstant bei 0,35 A halten und die Anschlusstemperatur bei 85 ° C stabilisieren, erhalten wir für jede LED einen Vf-Wert von 3,2 V (ohne Berücksichtigung von Komponententoleranzen) und eine Gesamtspannung am Treiberausgang von 160 V. Wenn wir jedoch die LED-Reihenschaltung bei extrem niedriger Temperatur einschalten müssten, wäre die Situation am Ausgang des Netzteils sehr unterschiedlich.

Abbildung 4 zeigt das Verhältnis der Anschlusstemperatur zu Vf (unter Verwendung des aktuellen Stromwerts zuvor). Wir können sehen, dass bei 0 ° C die Betriebsspannung der Diode 3,6 V beträgt, was multipliziert mit 50 den Endwert von 180 V ergibt - dies ist der Wert, den die Stromversorgung liefern sollte und dabei den Strom konstant zu halten (bei Konstantstromanwendungen) oder proportional reduzieren (bei Konstantleistungsanwendungen). Eines der wichtigsten Merkmale des entsprechenden Treibers ist sein großer Betriebsbereich, der einen stabilen Betrieb der LEDs in einem außergewöhnlich weiten Temperaturbereich gewährleistet und das Einschalten der LED-Serie auch bei niedrigen Temperaturen ermöglicht ("Kaltstart" -Funktion).

 Verhältnis der Temperatur zum Vf Wert Abbildung 4. Verhältnis der Temperatur zum Vf-Wert

Kaltstart? Was ist es?

In Treibern von MEAN WELL ermöglicht diese Funktion das Ändern der Arbeitsbedingungen des Treibers während des kalten Einschaltens des Beleuchtungssystems. Im vorherigen Beispiel haben wir gezeigt, wie ein guter Treiber auf Temperaturänderungen der LEDs reagiert und dabei nicht nur den angegebenen Strom beibehält, sondern auch überprüft, ob die Gesamtspannung die für das System festgelegten Grenzwerte nicht überschreitet. Nehmen wir das Modell HLG-480H-C2100. Als Bezugspunkt. Aus den Spezifikationen in Abbildung 5 ist ersichtlich, dass es einen maximalen Strom von 2,1 A bei einer maximalen Leistung von 481 W erzeugen und die Spannung (im Konstantstrommodus) von 114 V bis 229 V effektiv regeln kann.

Technische Hauptdaten des Treibers Abbildung 5. Technische Hauptdaten des HLG-480H-C2100-Treibers

Abbildung 6 zeigt ein Diagramm, das den oben genannten Betriebsbereich dieses Treibers darstellt (in Grau ist der Betriebsspannungsbereich auf der X-Achse und der Strombereich auf der Y-Achse dargestellt).

 Arbeitsbereich für die Kaltstartfunktion Abbildung 6. Standardarbeitsbereich (grau) und erweiterter Arbeitsbereich (weiß) für die Kaltstartfunktion

Im Normalbetrieb liegt das V-I-Arbeitsverhältnis nach thermischer Stabilisierung des Systems immer innerhalb dieser Zone. Beim Einschalten bei extrem niedrigen Temperaturen "modifizieren" die Treiber von MEAN WELL diese Bereiche vorübergehend, indem sie die Betriebsspannung um bis zu 20% erhöhen und gleichzeitig den erzeugten Strom reduzieren. Durch diesen vorübergehenden Kompromiss bleibt das Netzteil in der weißen Zone (siehe Abbildung 6), sodass das System normal gestartet werden kann. Nachdem die LEDs thermisch stabilisiert wurden, werden die in der Gerätespezifikation angegebenen Standardparameter wiederhergestellt.

Was ist die Funktion „Flicker Free”?

Im Falle der LED-Treiber mit Standardqualität, unter Arbeitsbedingungen bei der Spannung, die an die Grenzwerte der Regelung stößt, macht das hohe Niveau der Niederfrequenz-Pulsation am Ausgang aus dem ersten Abschnitt des Netzteils die Arbeit des PWM-Controllers abhängig. Als Folge lässt sich (trotz seiner relativ hohen Schaltgeschwindigkeit) mit dem Auge das „Flattern“ des Lichtes sehen, das durch die LEDs erzeugt wird. Dieses Phänomen hängt mit dem hohen Wert der Restkomponente von 100 Hz zusammen, der sich aus dem ersten Abschnitt ergibt. Bei Produkten von MEAN WELL, dank der Bereitstellung von Lösungen die niedrigen Pulsationspegel und einen großen Abstand zwischen der Spitzenspannung und dem am Ausgang geregelten Maximalwert gewährleisten, ist der Betrieb des Beleuchtungssystems ohne dieses Pränomen sichergestellt.

HVGC-1000A-L-AB Abbildung 7. HVGC-Serie von Mean WELL mit hoher Leistung und vielseitiger Verwendung

Zum Beispiel dieSerie LDC von MEAN WELL, die besonders bei Beleuchtungsanlagen zu Hause geschätzt wird, verfügt über diese Funktion.

Wie kann der Treiber mit Strom versorgt werden?

Grundsätzlich können die Treiber mit einem weiten Bereich von AC versorgt werden, die je nach Modell zwischen 90 V und über 300 V liegen. Aus Gründen der Vielseitigkeit können einige Versionen auch mit Gleichspannung von 110 V bis 430 V betrieben werden, je nach Modell.

Welche Verbindungen gibt es grundsätzlich am Treibereingang und -ausgang?

Normalerweise gibt es Stromeingangsanschlüsse AC oder DC und einen LED-Ausgang. In fortgeschritteneren Modellen finden wir neben einfachen E/A-Verbindungen auch Steuereingänge zum Einstellen (Dimmen) der Lichtemission durch LEDs. In einigen Fällen finden wir auch einen Eingang zum Anschließen eines möglichen Umgebungstemperatursensors (NTC). Die Verbindungsstandards sind in den meisten Fällen 0-10 V und DALI.

Was ist der Standard "0-10 V"?

Die 0-10 V-Signalsteuerung ist seit über zwanzig Jahren bekannt und eines der einfachsten, am weitesten verbreiteten und bewährten analogen Protokolle zur Helligkeitssteuerung für LED-Treiber und Netzteile für Beleuchtungssysteme. Der Steuereingang unterstützt eine Gleichspannung von 0 V (entsprechend dem Ausgangspegel = 0%, leuchtet aus) bis 10 V (Ausgang = 100%, volle Helligkeit). Dieses System hat zahlreiche Vorteile, darunter:

  • Regelungslinearität von 0 bis 100%
  • Sicherheit (bei Unterbrechung des Steuersignals wird der Treiberausgang auf 100% gesetzt)
  • Außergewöhnliche Einfachheit, ohne komplexe Steuerelektronik

Was ist DALI?

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ist die digitale Weiterentwicklung des 0-10V-Standards. Es handelt sich um ein herstellerunabhängiges Protokoll, das in der Norm IEC62386 definiert ist und die Interoperabilität von Steuergeräten in Beleuchtungsanlagen garantiert. Die digitale Steuerung ist definitiv universeller als der analoge 0-10-V-Standard und ermöglicht die individuelle Steuerung und Adressierung von bis zu 64 Geräten, die zusätzlich in 16 Gruppen und 16 separate Steuerungsszenarien unterteilt werden können. Darüber hinaus ermöglicht die Leitung (BUS) sowie die Sterntopologie eine erhebliche Reduzierung der Verkabelungskomplexität.

Ich habe ein KNX-Hausautomationssystem: Gibt es LED-Treiber, die angeschlossen werden können?

Ja, zum Beispiel Modelle aus der Serie LCM-KN von MEAN WELL. KNX ist die erste Norm, die in Gebäudeautomationssystemen verwendet werden kann, die die Anforderungen der europäischen Normen (EN50090 – EN13321-1) und der weltweiten (ISO/IEC 14543) erfüllt. Um höhere Leistungen als die der Serie LCM zu verwalten, können Sie den Eingang KNX-DALI KDA-64, verwenden und so andere DALI-kompatible Treiber oder Aktoren/Dimmer der Serie KAA steuern.

Kann ein PWM-Steuersignal am Eingang verwendet werden?

Natürlich. Bei Modellen mit dieser Art von Lösung kann die Beleuchtung auch auf diese Weise gesteuert werden. Das Steuersignal PWM (Pulse Width Modulation) verwendet typischerweise eine Stromquelle mit konstanter Spannung (10 V), die dann für einen Zeitraum namens (duty cycle) der 0 bis 100% des verwendeten Zeitintervalls dauert, zyklisch unterbrochen wird, wie in Abbildung 8 gezeigt (drei Beispiele mit Werten von 50, 75 und 25%).

Duty cycle Abbildung 8. Beispiele für eine Füllung von 50, 75 und 25%

Die zum Arbeitszyklus des Eingangssignals proportionalen Werte werden am Treiberausgang erhalten. Diese Art der (analogen) Steuerung hat auch zahlreiche Vorteile in Bezug auf die Einfachheit der Verkabelung und die Verwendung des 0-10-V-Standards, weist jedoch gleichzeitig zahlreiche Einschränkungen auf. Spezielle Digitalkonverter können für mehr Vielseitigkeit bei Verwendung der PWM-Steuerung installiert werden.

Welche Schnittstellen können für diese Art der Steuerung verwendet werden?

Mit dem DALI-PWM-Wandler DAP-04von MEAN WELL können Sie die Grenzen überwinden, die sich aus der Verwendung der PWM-Steuerung ergeben, das Eingangssignal gemäß den DALI-Standards akzeptieren und vier PWM-Signale am Ausgang erzeugen (separat adressierbar), sodass Sie die gleiche Anzahl von Treibern mit PWM-Eingängen mit Logik steuern können: entweder Active-High oder Active-Low. Es ist eine außerordentlich vorteilhafte Lösung, die den Anschluss von LED-Treibern ohne digitale Steuerung ermöglicht.

Sind die LED-Treiber für die Arbeit im Freien geeignet?

Natürlich, aber nicht in allen Fällen. Der beste Weg, um zu überprüfen, ob das Produkt, an dem Sie interessiert sind, für Arbeiten im Freien (oder in teilweise überdachten Räumen) geeignet ist, besteht darin, die IP-Schutzklasse in der vom Hersteller bereitgestellten technischen Spezifikation zu finden. Diese IP-Codes sind in der internationalen Norm IEC 60529 festgelegt und geben detailliert die Wasserbeständigkeit elektrischer Geräte an. Im Allgemeinen ist es jedoch immer ratsam, die Fälle zu begrenzen, in denen Treiber der Witterung und dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Im Zweifelsfall wenden Sie sich bitte an den MEAN WELL-Kundendienst, der Ihnen das für Ihre Bedürfnisse am besten geeignete Produkt anzeigt.

Siehe LED-Treiber im Katalog

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