So wählen Sie einen LED-Treiber aus: Typen, Zweck + Anschlusseigenschaften

LED-Leuchten haben eine weite Verbreitung gefunden, was zu einer aktiven Produktion von sekundären Stromquellen geführt hat. Der LED-Lampentreiber kann die vorgegebenen Stromwerte am Ausgang des Geräts stabil halten, indem er die durch die Diodenkette fließende Spannung stabilisiert.

Wir erklären alles über die Arten und Funktionsprinzipien des Stromwandlungsgeräts für den Betrieb einer LED-Lampe. In dem von uns vorgeschlagenen Artikel finden Sie Anhaltspunkte für die Auswahl des Treibers sowie nützliche Empfehlungen. Selbstständige Hauselektriker finden bei uns praxisgeprüfte Anschlusspläne.

Zweck und Anwendungsbereich

Diodenchips bestehen aus zwei Halbleitern – einer Anode (Plus) und einer Kathode (Minus), die für die Umwandlung von elektrischen Signalen verantwortlich sind. Ein Bereich hat eine Leitfähigkeit vom P-Typ, der zweite vom N-Typ. Beim Anschluss einer Stromquelle fließt Strom durch diese Elemente.

Aufgrund dieser Polarität strömen Elektronen aus dem P-Typ-Bereich in den N-Typ-Bereich und umgekehrt, Ladungen aus dem N-Punkt zum P. Jeder Bereich hat jedoch seine eigenen Grenzen, die als P-N-Übergänge bezeichnet werden. An diesen Stellen treffen die Teilchen aufeinander und werden gegenseitig absorbiert oder rekombinieren.

Die Diode gehört zu den Halbleiterelementen und besitzt nur einen p-n-Übergang. Aus diesem Grund ist die Haupteigenschaft, die die Helligkeit ihres Leuchtens bestimmt, nicht die Spannung, sondern der Strom.

Während der P-N-Übergänge sinkt die Spannung um eine bestimmte Anzahl von Volt, die für jedes Schaltungselement gleich ist. Unter Berücksichtigung dieser Werte stabilisiert der Treiber die eingehenden Stromwerte und erzeugt am Ausgang einen konstanten Wert.

Welche Leistung erforderlich ist und welche Verlustwerte beim P-N-Durchgang im Datenblatt der LED-Leuchte angegeben werden. Daher müssen bei der Auswahl einer LED-Lampe die Parameter des Netzteils berücksichtigt werden, dessen Bereich ausreichend sein muss, um die verlorene Energie zu kompensieren.

Damit leistungsstarke LEDs die in den Spezifikationen angegebene Lebensdauer erreichen, ist ein stabilisierendes Gerät erforderlich – ein Treiber. Auf dem Gehäuse des elektronischen Mechanismus ist stets dessen Ausgangsspannung angegeben.

Netzteile mit einer Spannung von 10 bis 36 V werden zur Ausstattung von Beleuchtungsgeräten verwendet.

Die Technik kann in verschiedenen Ausführungen vorliegen:

• Scheinwerfer von Autos, Fahrrädern, Motorrädern usw.;
• kleine tragbare oder Straßenlaternen;
• LED-Leisten, Bänder, Deckenlampen und Module.

Für schwache LEDs sowie bei Verwendung von Gleichspannung können Treiber jedoch weggelassen werden. Stattdessen wird ein Widerstand in die Schaltung eingefügt, der ebenfalls mit 220 V versorgt wird.

Funktionsprinzip des Netzteils

Lassen Sie uns die Unterschiede zwischen einer Spannungsquelle und einem Netzteil erläutern. Betrachten Sie als Beispiel die unten abgebildete Schaltung.

Wird an eine 12-V-Spannungsquelle ein 40-Ohm-Widerstand angeschlossen, fließt ein Strom von 300 mA (Abbildung A). Wenn parallel ein zweiter Widerstand in den Stromkreis geschaltet wird, beträgt der Strom 600 mA (B). Die Spannung bleibt jedoch unverändert.

Obwohl zwei Widerstände an die Spannungsquelle angeschlossen sind, erzeugt der zweite am Ausgang eine konstante Spannung, da er unter idealen Bedingungen nicht von der Last beeinflusst wird.

Nun betrachten wir, wie sich die Werte ändern, wenn Widerstände an ein Netzteil angeschlossen werden. Auf ähnliche Weise fügen wir einen 40-Ohm-Widerstand mit einem 300-mA-Treiber ein. Dieser erzeugt an ihm eine Spannung von 12 V (Schaltung C).

Wenn der Stromkreis aus zwei Widerständen besteht, bleibt die Stromstärke unverändert, und die Spannung beträgt 6 V (D).

Im Gegensatz zu einer Spannungsquelle hält der Treiber am Ausgang die vorgegebenen Stromparameter ein, jedoch kann die Spannungsleistung variieren.

Zusammenfassend kann man sagen, dass ein qualitativ hochwertiger Wandler der Last den Nennstrom auch bei Spannungsabfall liefert. Demnach leuchten Diodenchips mit 2 V oder 3 V und 300 mA bei reduzierter Spannung gleich hell.

Besondere Merkmale des Konverters

Einer der wichtigsten Parameter ist die unter Last übertragene Leistung. Das Gerät darf nicht überlastet werden, und es sollte nicht versucht werden, maximal mögliche Ergebnisse zu erzielen.

Unsachgemäße Verwendung führt zum schnellen Ausfall nicht nur des Übersichtsmechanismus, sondern auch der LED-Chips.

Zu den wichtigsten Faktoren, die die Arbeit beeinflussen, gehören:

• die bei der Montage verwendeten Bauteile;
• Schutzart (IP);
• minimale und maximale Werte am Eingang und Ausgang;
• Hersteller.

Moderne Wandler-Modelle werden auf Basis von Mikrochips hergestellt und verwenden die Pulsweitenmodulationstechnologie (PWM).

Bei der Arbeit des Netzteils wird zur Regelung der Ausgangsspannung das Verfahren der Pulsweitenmodulation eingesetzt, wobei am Ausgang die gleiche Stromart wie am Eingang erhalten bleibt.

Diese Geräte zeichnen sich durch einen hohen Schutz vor Kurzschlüssen und Netzüberlastungen aus und weisen zudem einen erhöhten Wirkungsgrad auf.

Regeln für die Auswahl des Stromwandlers

Für den Erwerb eines LED-Lampen-Konverters sollten die wichtigsten Geräteeigenschaften studiert werden. Maßgeblich sind die Ausgangsspannung, der Nennstrom und die abgegebene Leistung.

Leistung der Leuchtdioden

Betrachten wir zunächst die Ausgangsspannung, die von mehreren Faktoren abhängt:

• der Wert der Spannungsverluste an den P-N-Übergängen der Kristalle;
• die Anzahl der Leuchtdioden in der Kette;
• der Anschlussplan.

Die Parameter des Nennstroms können anhand der charakteristischen Merkmale des Verbrauchers bestimmt werden, nämlich der Leistung der LED-Elemente und deren Helligkeitsgrad.

Dieser Wert beeinflusst den von den Kristallen aufgenommenen Strom, dessen Bereich je nach erforderlicher Helligkeit variiert. Die Aufgabe des Konverters besteht darin, diesen Elementen die benötigte Energiemenge zuzuführen.

Der Wert der Ausgangsspannung muss größer oder gleich der gesamten verbrauchten Energie in jedem Block des Stromkreises sein.

Die Leistung des Geräts hängt von der Stärke jedes LED-Elements, seiner Farbe und Anzahl ab.

Zur Berechnung der verbrauchten Energie wird folgende Formel verwendet:

P_H = P_LED * N,

Wo

• P_LED – die elektrische Last, die von einer Diode erzeugt wird,
• N – die Anzahl der Kristalle in der Schaltung.

Die erhaltenen Werte dürfen nicht kleiner als die Leistung des Treibers sein. Nun muss der erforderliche Nennwert ermittelt werden.

Maximale Leistung des Geräts

Es ist auch zu berücksichtigen, dass zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs des Konverters seine Nennwerte den erhaltenen Wert P_H um 20-30 % übersteigen müssen.

Somit nimmt die Formel folgende Form an:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

wobei P_max die Nennleistung des Netzteils ist.

Neben der Leistung und der Anzahl der Verbraucher auf der Platine unterliegt die Laststärke auch den Farbfaktoren des Verbrauchers. Bei gleichem Strom haben sie je nach Farbton unterschiedliche Spannungsabfallwerte.

Der Treiber für LED-Lampen muss eine solche Strommenge liefern, die zur Gewährleistung der maximalen Helligkeit erforderlich ist. Bei der Auswahl des Geräts sollte der Käufer bedenken, dass die Leistung größer sein muss als die aller LEDs.

Nehmen wir als Beispiel die roten LEDs der amerikanischen Firma Cree aus der Serie XP-E.

Ihre Eigenschaften lauten wie folgt:

• Spannungsabfall 1,9-2,4 V;
• Strom 350 mA;
• durchschnittliche Leistungsaufnahme 750 mW.

Eine grüne LED hat bei gleichem Strom völlig andere Kennwerte: Durchlassspannung an den P-N-Übergängen 3,3-3,9 V und eine Leistung von 1,25 W.

Dementsprechend kann man folgern: Ein für 10 W ausgelegter Treiber wird zur Versorgung von zwölf roten Chips oder acht grünen verwendet.

Anschlussplan der LEDs

Die Wahl des Treibers sollte nach der Festlegung des Anschlussschemas der LED-Verbraucher erfolgen. Wenn man zuerst die Leuchtdioden kauft und dann den Wandler dazu auswählt, wird dieser Vorgang von vielen Schwierigkeiten begleitet.

Um ein Gerät zu finden, das genau diese Anzahl von Verbrauchern bei einem vorgegebenen Anschlussschema betreiben kann, muss man viel Zeit aufwenden.

Wir geben ein Beispiel mit sechs Verbrauchern. Ihre Durchlassspannung beträgt 3 V, der Stromverbrauch 300 mA. Für ihren Anschluss kann eine der Methoden verwendet werden, wobei in jedem einzelnen Fall die erforderlichen Parameter des Netzteils unterschiedlich sind.

Ein Nachteil der Reihenanordnung der Dioden ist der Bedarf an einem Netzteil mit hoher Spannung, wenn die Kette viele Chips enthält.

In unserem Fall ist bei Reihenschaltung ein Netzteil mit 18 V und einem Strom von 300 mA erforderlich. Der Hauptvorteil dieser Methode ist, dass durch die gesamte Leitung der gleiche Strom fließt, sodass alle Dioden mit identischer Helligkeit leuchten.

Ein Nachteil der parallelen Anordnung der Verbraucher ist die unterschiedliche Helligkeit jeder Kette. Dieses negative Phänomen tritt aufgrund der Streuung der Diodenparameter infolge der Unterschiede zwischen den Strömen auf, die durch jede Leitung fließen.

Wenn eine parallele Anordnung verwendet wird, reicht ein Wandler mit 9 V aus, aber die Stromaufnahme wird im Vergleich zur vorherigen Methode verdoppelt.

Die Methode der Reihenanordnung von je zwei Dioden kann nicht angewendet werden, wenn die Anzahl der in einer Gruppe enthaltenen Chips auf 3 oder mehr geändert wird. Diese Einschränkungen sind darauf zurückzuführen, dass durch ein Element ein zu großer Strom fließen kann, was zu einem Ausfall der gesamten Kette führen kann.

Wenn die Reihenmethode mit der Bildung von Paaren aus zwei LEDs verwendet wird, wird ein Treiber mit ähnlichen Parametern wie im vorherigen Fall verwendet. Dabei ist die Leuchthelligkeit bereits gleichmäßig.

Jedoch gab es auch hier negative Nuancen: Wenn der Gruppe Spannung zugeführt wird, kann aufgrund der Streuung der Eigenschaften eine der LEDs schneller durchschalten als die andere, und entsprechend fließt durch sie ein Strom, der den Nennwert um das Doppelte übersteigt.

Viele Arten von LED-Leuchten für die Hausbeleuchtung sind für solche kurzzeitigen Spannungsspitzen ausgelegt, aber diese Methode ist weniger gefragt.

Arten von Treibern nach Gerätetyp

Vorrichtungen, die die 220-V-Versorgung in die erforderlichen Werte für LEDs umwandeln, werden bedingt in drei Kategorien eingeteilt: elektronische, kondensatorbasierte und dimmbare.

Der Markt für Beleuchtungszubehör bietet eine große Vielfalt an Treibermodellen, hauptsächlich von chinesischen Herstellern. Trotz des niedrigen Preissegments kann man aus diesen Geräten durchaus eine brauchbare Option auswählen. Allerdings sollte man auf den Garantieschein achten, da nicht alle angebotenen Produkte eine akzeptable Qualität aufweisen.

Elektronische Bauart des Geräts

Im Idealfall sollte ein elektronischer Wandler mit einem Transistor ausgestattet sein. Seine Aufgabe besteht darin, die Regelschaltung zu entlasten. Um Pulsationen auszuschließen oder bestmöglich zu glätten, wird am Ausgang ein Kondensator eingebaut.

Ein solcher Gerätetyp gehört zur teuren Kategorie, ist jedoch in der Lage, den Strom bis zu 750 mA zu stabilisieren, wozu Vorschaltmechanismen nicht in der Lage sind.

Die neuesten Treiber werden hauptsächlich in Lampen mit E27-Sockel verbaut. Eine Ausnahme bilden die Gauss GU5,3-Produkte. Sie sind mit einem transformatorlosen Wandler ausgestattet. Allerdings erreicht die Pulsation bei ihnen mehrere hundert Hertz.

Das Pulsieren ist nicht der einzige Nachteil von Wandlern. Ein zweiter sind die hochfrequenten (HF) elektromagnetischen Störungen. Wenn also andere Elektrogeräte, wie z. B. ein Radio, mit der Steckdose verbunden werden, die mit der Leuchte verbunden ist, kann es zu Störungen beim Empfang von digitalen FM-Frequenzen, Fernsehen, Router usw. kommen.

In einer optionalen Ausführung eines hochwertigen Geräts sollten zwei Kondensatoren vorhanden sein: einer – ein Elektrolytkondensator zum Glätten von Pulsationen, der andere – ein Keramikkondensator zur Reduzierung von HF. Allerdings ist eine solche Kombination selten anzutreffen, insbesondere bei chinesischen Produkten.

Diejenigen, die allgemeine Kenntnisse über solche Schaltungen haben, können die Ausgangsparameter des elektronischen Wandlers selbst auswählen, indem sie den Widerstandswert ändern.

Aufgrund des hohen Wirkungsgrades (bis zu 95 %) eignen sich solche Mechanismen für leistungsstarke Geräte, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, z. B. für Autotuning, Straßenbeleuchtung und auch für Haushalts-LED-Quellen.

Netzteil auf Kondensatorbasis

Jetzt kommen wir zu den weniger populären Geräten – auf Basis von Kondensatoren. Praktisch alle Schaltungen von günstigen LED-Lampen, bei denen solche Treiber verwendet werden, weisen ähnliche Eigenschaften auf.

Durch Modifikationen des Herstellers erfahren sie jedoch Änderungen, wie z.B. die Entfernung eines Schaltungselements. Besonders häufig handelt es sich dabei um einen der Kondensatoren – den Glättungskondensator.

Aufgrund der unkontrollierten Überschwemmung des Marktes mit billigen und minderwertigen Waren können die Benutzer in den Lampen eine hundertprozentige Pulsation „spüren“. Auch ohne sich mit deren Aufbau zu befassen, kann man behaupten, dass das Glättungselement aus der Schaltung entfernt wurde.

Solche Mechanismen haben nur zwei Vorteile: Sie sind für den Eigenbau zugänglich, und ihr Wirkungsgrad liegt bei 100 %, da die Verluste nur an den p-n-Übergängen und Widerständen auftreten.

Es gibt ebenso viele Nachteile: geringe elektrische Sicherheit und eine hohe Pulsation. Der zweite Nachteil beträgt etwa 100 Hz und entsteht durch die Gleichrichtung der Wechselspannung. In der GOST ist eine zulässige Pulsationsnorm von 10–20 % festgelegt, abhängig vom Verwendungszweck des Raumes, in dem das Beleuchtungsgerät installiert ist.

Die einzige Möglichkeit, diesen Nachteil zu mildern, ist die Auswahl eines Kondensators mit dem richtigen Nennwert. Dennoch sollte man nicht auf eine vollständige Beseitigung des Problems hoffen – eine solche Lösung kann lediglich die Intensität der Spitzen glätten.

Dimmbare Stromwandler

Dimmertreiber für dimmbare LED-Lampen ermöglichen die Änderung der Eingangs- und Ausgangsstromwerte, wodurch die Helligkeit des von den Dioden ausgestrahlten Lichts verringert oder erhöht wird.

Es gibt zwei Anschlussmethoden:

• Die erste sieht einen sanften Start vor;
• Die zweite ist impulsartig.

Betrachten Sie das Funktionsprinzip dimmbarer Treiber auf Basis des Chips CPC9909, der als Regelgerät für LED-Schaltungen, auch mit hoher Helligkeit, verwendet wird.

Schaltung des Standardbetriebs von CPC9909 mit 220-V-Versorgung. Gemäß den schematischen Angaben besteht die Möglichkeit, einen oder mehrere leistungsstarke Verbraucher zu steuern.

Beim sanften Start sorgt der Chip mit Treiber für ein allmähliches Einschalten der Dioden mit zunehmender Helligkeit. Für diesen Prozess werden zwei Widerstände verwendet, die an den Pin LD angeschlossen sind, der für die sanfte Dimmung ausgelegt ist. So wird eine wichtige Aufgabe realisiert – die Verlängerung der Lebensdauer der LED-Elemente.

Derselbe Pin ermöglicht auch die analoge Regelung – ein 2,2-kΩ-Widerstand wird durch ein leistungsstärkeres Potentiometer von 5,1 kΩ ersetzt. Auf diese Weise wird eine sanfte Änderung des Ausgangspotentials erreicht.

Wenn Sie die zweite Methode anwenden, müssen Sie rechteckige Impulse an den niederfrequenten Anschluss PWMD anlegen. Dabei verwenden Sie entweder einen Mikrocontroller oder einen Impulsgenerator, die unbedingt durch einen Optokoppler getrennt werden müssen.

Mit oder ohne Gehäuse?

Sie können die Treiber mit oder ohne Gehäuse erhalten. Die erste Variante ist die am weitesten verbreitete und teurer. Solche Geräte sind vor Feuchtigkeit und Staubpartikeln geschützt.

Sie verwenden Geräte des zweiten Typs bei verdeckter Montage; sie sind dementsprechend günstiger.

Sie können alle gezeigten Geräte entweder mit 12 V oder 220 V versorgen. Obwohl die gehäuselosen Modelle preislich günstiger sind, sind sie in Bezug auf Sicherheit und Zuverlässigkeit des Mechanismus deutlich unterlegen.

Jeder von ihnen unterscheidet sich durch die zulässige Betriebstemperatur – darauf müssen Sie bei der Auswahl ebenfalls achten.

Klassische Treiberschaltung

Um ein LED-Netzteil selbst zu bauen, betrachten Sie das einfachste Gerät vom Impulstyp ohne galvanische Trennung. Der Hauptvorteil solcher Schaltungen ist der einfache Anschluss und der zuverlässige Betrieb.

Die Schaltung des 220-V-Wandlers ist als Impulsnetzteil dargestellt. Beim Zusammenbau müssen Sie alle Elektrosicherheitsregeln einhalten, da hier keine Grenzen für die Stromabgabe bestehen.

Die Schaltung eines solchen Mechanismus besteht aus drei Hauptkaskadenbereichen:

1. Spannungsteiler auf kapazitivem Widerstand.
2. Gleichrichter.
3. Spannungsregler.

Der erste Abschnitt ist der Widerstand gegen Wechselstrom am Kondensator C1 mit einem Widerstand. Letzterer wird ausschließlich für die Selbstladung des inerten Elements benötigt. Auf die Funktionsweise der Schaltung hat er keinen Einfluss.

Der Nennwert des Widerstands kann im Bereich von 100 kΩ bis 1 MΩ liegen, mit einer Leistung von 0,5-1 W. Der Kondensator muss ein Elektrolytkondensator sein, und sein effektiver Spitzenwert der Spannung – 400-500 V.

Wenn die gebildete Halbwelle der Spannung durch den Kondensator fließt, fließt so lange Strom, bis die Platten vollständig geladen sind. Je kleiner die Kapazität des Mechanismus, desto weniger Zeit wird für seine vollständige Ladung benötigt.

Zum Beispiel wird ein Gerät mit einer Kapazität von 0,3-0,4 µF innerhalb von 1/10 der Halbwellenperiode geladen, d. h. nur ein Zehntel der durchlaufenden Spannung geht durch diesen Abschnitt.

Der Gleichrichtungsprozess in diesem Abschnitt erfolgt nach der Graetz-Schaltung. Die Diodenbrücke wird anhand des Nennstroms und der Sperrspannung ausgewählt. Dabei darf der letztere Wert nicht weniger als 600 V betragen.

Die zweite Stufe ist ein elektrisches Gerät, das Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandelt (gleichrichtet). Dieser Vorgang wird als Zweiweggleichrichtung bezeichnet. Da ein Teil der Halbwelle durch einen Kondensator geglättet wurde, beträgt der Gleichstrom am Ausgang dieser Stufe 20-25 V.

Da die Versorgungsspannung der LEDs 12 V nicht überschreiten darf, muss in der Schaltung ein Stabilisierungselement verwendet werden. Dazu wird ein kapazitiver Filter eingefügt. Beispielsweise kann das Modell L7812 verwendet werden.

Die dritte Stufe arbeitet mit einem glättenden Stabilisierungsfilter – einem Elektrolytkondensator. Die Wahl seiner Kapazitätsparameter hängt von der Laststärke ab.

Da die zusammengebaute Schaltung sofort ihre Funktion aufnimmt, dürfen die blanken Drähte nicht berührt werden, da der Stromfluss Dutzende von Ampere erreicht – die Leitungen müssen vorher isoliert werden.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Alle Schwierigkeiten, auf die ein Funkamateur bei der Auswahl eines Konverters für leistungsstarke LED-Lampen stoßen kann, sind im Videoclip ausführlich beschrieben:

Wichtige Merkmale des selbstständigen Anschlusses eines Konverters an den Stromkreis:

Schritt-für-Schritt-Anleitung, die den Prozess des Selbstbaus eines LED-Treibers aus einfachen Mitteln beschreibt:

Trotz der vom Hersteller angegebenen Zehntausende von Stunden unterbrechungsfreien Betriebs von LED-Lampen gibt es viele Faktoren, die diese Werte erheblich verringern.

Zur Glättung aller Stromsprünge im elektrischen System sind Treiber vorgesehen. An ihre Auswahl oder den Selbstbau sollte man verantwortungsbewusst herangehen, nachdem alle erforderlichen Parameter berechnet wurden.

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