Kraftiga lysdioder håller på att bli en populär lösning för många belysningstillämpningar som drivs av elnätet. Jeff Gruetter marknadsingenjör inom kraftprodukter hos Linear Technology Corporation, går in på de nya krav på drivkretsar som ställs och på hur dessa bör utformas.

De ljusstarka lysdiodernas förmåga att spara energi, deras långa livslängd och miljöfördelar fortsätter att driva på utvecklingen av en rad olika tillämpningar för halvledarbelysning (solid state lighting, SSL).
Det bör inte komma som en överraskning att tillväxten för lysdioder fortsätter att öka kraftigt. Vid slutet av 2010 var marknaden för ljusstarka lysdioder värd 8,2 miljarder dollar och den förväntas växa till över 20 miljarder dollar är 2015 med en årlig tillväxttakt på 30,6 procent (källa: Strategies Unlimited). Under de senaste åren har lysdioder som används för bakbelysning av HDTV-skärmar varit tillväxtens främsta drivkraft; men eftersom allmänna lysdiodbaserade belysningstillämpningar fortsätter att vinna terräng i tillämpningar för både företag och hushåll kommer dessa att dramatiskt påverka tillväxten.

Minskad energiförbrukning
Den främsta drivkraften för den snabba tillväxten för lysdiodbelysning är den drastiskt minskade energiförbrukningen som lysdiodbelysning erbjuder jämfört med traditionell belysning. Lysdioder drar mindre än 25 procent av den energi som glödlampor drar för samma nivå av utgående ljus (mätt i lumen). Det finns ytterligare fördelar med lysdiodbelysning, men lysdioderna är också förenade med en del problem.
Fördelarna inkluderar en fungerande livslängd som är flera storleksordningar längre än den för glödlampor, vilket drastiskt minskar kostnaderna för lampbyten. Möjligheten att ljusdämpa lysdioder med hjälp av tidigare installerade TRIAC-dimrar är också en viktig kostnadsfördel, framför allt för belysning i bostäder. En lysdiods omedelbara tillslag utesluter CFL-lampornas uppvärmningsperiod och en lysdiod har inte samma problem med s k “power cycling” som motsvarande CFL-lampa. Dessutom innehåller lysdioder inga giftiga material att hantera eller ta tillvara, medan CFL-lampor kräver giftig kvicksilvergas för att fungera. Slutligen möjliggör lysdioder nya utformningar med mycket låg profil, något som inte kan göras med andra tekniker.

Elnätet kan användas
Förmågan att driva lysdioder från elnätet bäddar för en exponentiell tillväxt av lysdiodtillämpningar eftersom elnätet finns lättillgängligt över hela världen, för såväl företag som hushåll. Trots att det är relativt lätt för slutanvändaren att använda lysdiodbaserade lamparmaturer ställs det allt högre krav på de integrerade kretsarna i enheterna som ska driva dioderna. Eftersom lysdioder behöver en väl reglerad konstant ström för att ge konstant ljusnivå krävs det speciella konstruktionstekniker för att driva lysdioder med växelspänning.
Beroende på var i världen man befinner sig varierar elnätet mellan 90 VAC och 265 VAC med en frekvens mellan 50 Hz och 65 Hz. Därför tillverkas lämpligast en lysdiodarmatur för världsmarknaden med en enda kretskonstruktion som kan användas överallt utan att modifieras. Detta kräver en enda drivenhet som kan hantera en rad olika inspänningar och linjefrekvenser.
Många nätdrivna tillämpningar kräver dessutom att lysdioderna är elektriskt isolerade från drivkretsen. Det är i första hand en säkerhetsaspekt och ett krav som ställs av flera reglerande organ. Elektrisk isolation fås vanligtvis av en isolerad flyback-topologi hos drivenheten som utnyttjar en transformator som åtskiljer drivkretsens primära och sekundära delar.
Eftersom drivkraften för lysdiodbelysningens användning är att det krävs mycket mindre energi för att ge en viss mängd ljus jämfört med alternativa belysningslösningar är det viktigt att drivenheten är så effektiv som möjligt. Eftersom LED-drivkretsen måste omvandla höga växelspänningar till en väl reglerad LED-ström vid lägre spänning måste den integrerade drivenheten utformas att ge verkningsgrader på över 80 procent för att inte slösa energi.
För att det ska vara möjligt att göra lysdiodlampor som kan ersätta glödlampor och som fungerar med de mängder av TRIAC-dimrar som finns installerade måste drivenheten fungera effektivt även med dessa. TRIAC-dimrar är utformade att fungera bra tillsammans med glöd- och halogenlampor som ger perfekt resistiv last. LED-drivkretsen är dock i allmänhet ickelinjär och inte en rent resistiv last. Ingångens brygglikriktare drar normalt kraftiga strömmar när den ingående växelspänningen når sin positiva eller negativa topp. Därför måste drivenheten utformas att efterlikna en rent resistiv last så att lysdiodlampan startar ordentligt utan synbart flimmer och fungerar bra med en TRIAC-dimmer.

Höj effektfaktorn
Korrigering av effektfaktorn (PFC, Power Factor Correction) är en viktig specifikation för lysdiodbelysning. Enkelt uttryckt åstadkoms en kraftkorrigeringsfaktor på 1 om den ström som dras är proportionell mot och ligger i fas med inspänningen. Eftersom en glödlampa är en perfekt resistiv last ligger inström och inspänning i fas och PFC är 1. PFC är framför allt viktig eftersom den står i relation till den elkraft som krävs av den lokala kraftleverantören. I ett kraftsystem drar nämligen en last med låg PFC mer ström än en last med hög PFC för samma mängd användbar överförd kraft. Den högre ström som krävs ökar förlusten i distributionssystemet, vilket kräver större kablar och annan kraftöverföringsutrustning. På grund av kostnaderna för större utrustning och bortslösad energi tar elbolagen vanligtvis mer betalt av industri- eller affärskunder om de har låg PFC. Internationella standarder håller fortfarande på att utvecklas för LED-tillämpningar, men de flesta tror att en PFC större än 0,90 kommer att krävas för flertalet LED-baserade tillämpningar.

Fig 1. TRIAC-dimbar 20 W nätdriven LED-drivenhet med LT3799.

Eftersom en LED-drivkrets (som inkluderar en uppställning av dioder, transformatorer och kondensatorer) inte fungerar som en rent resistiv last kan den ha en så låg PFC som 0,5. För att höja PFC över 0,9 måste antingen en aktiv eller en passiv PFC-krets konstrueras in i LED-drivkretsen. Det bör också observeras att en hög PFC framför allt är viktig i tillämpningar som utnyttjar ett stort antal lysdiodbaserade belysningsuppställningar. Exempelvis: i ett parkeringshus som utnyttjar flera hundra 50 W LED-armaturer kan en konstruktion för LED-drivenheten med hög PFC (större än 0,95) vara till stor nytta.

Minska övertonerna
Utöver vikten av hög PFC är det även viktigt att minimera nivåerna för övertonsdistorsionen i LED-armaturer. Den internationella elektrotekniska kommissionen (IEC, International Electrotechnical Commission) har tagit fram specifikationen IEC 61000-3-2, klass C för övertoner i belysningsutrustning för att se till att nya lysdiodbaserade belysningsarmaturer tillgodoser dessa krav på låg distorsion.
Noggrann strömreglering över ett brett område av linjespänningar, utspänningar och temperaturer är kritiskt eftersom variationer i lysdiodens ljusstyrka inte får uppfattas av det mänskliga ögat. Det är också viktigt att inte driva lysdioderna med ström över den maximal märkströmmen för att behålla livslängden. Det är inte alltid lätt att strömreglera lysdioder i isolerade flyback-tillämpningar och ofta krävs en optokopplare för att slutföra den återkopplingsslinga som behövs, alternativt kan ett extra omvandlingssteg utnyttjas. Båda dessa metoder ökar dock komplexiteten och påverkar tillförlitligheten. Lyckligtvis inkluderar vissa LED-drivenheter ny konstruktionsteknik som ger noggrann strömreglering utan behov av ytterligare komponenter och/eller konstruktionskomplexitet.
Ett av de största hindren för omedelbar övergång från glödlampor till lysdiodbaserade alternativ är de lysdiodbaserade lösningarnas kostnad och storlek. Konsumenterna är vana att betala mindre än 50 cent (0,50 dollar) för en ny 60 W glödlampa och runt tre dollar för motsvarande CFL-lampa. Att betala över 30 dollar för en ny lysdiodlampa bär emot. Priset är visserligen ekonomiskt försvarbart med tanke på den minskade elkostnaden och lysdiodernas livslängd, men flertalet konsumenter är inte vana att ta med det i beräkningen. Företag som däremot är vana vid höga energikostnader för belysning, exempelvis för lagerlokaler och parkeringshus, är i allmänhet snabbare med att övergå till lysdiodbelysning än andra eftersom besparingarna är mer uppenbara för dem. I takt med att kostnaden för lysdiodbaserade lösningar sänks kommer fler konsumenter att vara villiga att övergå till lysdiodbelysning.
En lika viktig aspekt är slutligen den lysdiodbaserade lösningens storlek. Många kan helt enkelt skruvas in, vilket gör att hela lösningen måste passa i samma utrymme som den ursprungliga glödlampan. Eftersom lysdioder kräver värmesänkning och en mycket mer komplicerad drivkrets kan det vara svårt att få plats med båda delarna på samma utrymme. Därför behövs integrerade LED-drivkretsar som kan erbjuda alla funktioner som krävs i en enkel och kompakt lösning.

En ny lösning
För att tillgodose de krav som ställs på nätdriven belysning — såsom hög effektfaktor, hög verkningsgrad, isolation och kompatibilitet med TRIAC-dimrar — utnyttjade tidigare LED-drivenheter många externa, diskreta komponenter. Dessa resulterade i stora, klumpiga lösningar.
Linear Technologys LT3799 löser dessa komplexitets-, utrymmes- och prestandaproblem genom att integrera samtliga funktioner som krävs för nätdriven lysdiodbelysning.

Fig 2. Vågformer för LT3799s VIN och IIN med aktiv PFC.

LT3799 är en isolerad styrkrets med flyback-topologi och aktiv korrigering av effektfaktorn, som är speciellt utformad för att driva lysdioder från ett universellt inspänningsområde från 90 VAC till 265 VAC. LT3799 styr en isolerad flyback-omvandlare i kritiskt ledningstillstånd (boundary mode), som lämpar sig för lysdiodtillämpningar som kräver LED-effekter på 4 W till över 100 W eller mer. Dess nya strömavkänningssätt ger en väl reglerad utström till sekundärsidan utan att en optokopplare används. kretsens unika uttagskrets (bleeder) gör att LED-drivenheten är kompatibel med TRIAC-dimrar utan ytterligare komponenter. Skydd för öppna och kortslutna lysdioder tillser tillförlitlighet på lång sikt.

Fig 3. MOSFETens grindsignal och VIN.

Fig 1 visar en fullständig lösning för en LED-drivenhet med en verkningsgrad på upp till 86 procent. LT3799 känner av utströmmen från vågformen för switchströmmen på primärsidan. För en flyback-omvandlare som fungerar i “boundary mode” blir ekvationen för utströmmen:

IUT = 0,5×IPK×N×1–D)

IPK är den högsta switchströmmen, N är förhållandet mellan primär- och sekundärvarv och D är pulslängden. Kretsen reglerar utströmmen genom att justera den högsta switchströmmen och pulslängden genom ny återkopplingsstyrning. Till skillnad från andra avkänningsmetoder på primärsidan som behöver information om ineffekt och utspänning ger denna nya metod mycket bättre reglering av utströmmen eftersom noggrannheten knappt påverkas av motståndet i transformatorns lindning, switchens RDS(on), utdiodens framåtriktade spänningsfall och spänningsfallet i lysdiodkabeln.

Hög effektfaktor, låga övertoner
Genom att tvinga linjeströmmen att följa den pålagda sinusformade spänningen åstadkommer LT3799 hög effektfaktor och följer kraven för övertoner i belysningsutrustning enligt IEC61000-3-2, klass C. En effektfaktor på 1 fås om den ström som dras är proportionell mot inspänningen. LT3799 modulerar den högsta switchströmmen med en skalad version av inspänningen. Som kan ses i fig 2 ger denna teknik en effektfaktor på 0,98 eller mer. En återkopplingsslinga med låg bandbredd håller utströmmen reglerad utan att störa inströmmen.

Likt triac-dimrar
När TRIAC-dimmern står i avstängt läge är den inte helt av. Betydande läckström flyter genom dess interna filter till LED-drivenheten. Denna ström laddar upp drivenhetens inkondensator, vilket orsakar slumpvisa tillslag och flimrande lysdioder. Tidigare lösningar var utrustade med en extra uttagskrets, som inkluderade en stor och dyr högspännings-MOSFET. LT3799 eliminerar behovet av denna MOSFET och andra extrakomponenter genom att utnyttja transformatorns primärlindning och huvudströmbrytaren som uttagskrets.

Fig 4. LT3799 LED-strömreglering mot VIN(AC)

Såsom visas i fig 3 är MOSFETens grindsignal hög och MOSFETen är på när TRIAC-dimmern är av, så att den för bort läckströmmen och håller inspänningen på 0 V. Så fort TRIAC-dimmern slår på går MOSFETen sömlöst tillbaka till sin normala funktion.

Reglering av led-ström
LT3799 erbjuder dessutom LED-strömreglering över inspänningen, utspänningen och temperaturen. I figur 4 kan man se att LED-strömmen hålls inom +5 procent av regleringen när inspänningen varierar mellan 90 VAC och 150 VAC, vilket är vad som krävs för flertalet belysningstillämpningar i USA. Istället för en optokopplare ger LT3799s unika sätt att avkänna ström en väl reglerad ström till sekundärsidan. Det minskar inte bara kostnaden utan förbättrar även tillförlitligheten.

Inbyggda skydd
LED-spänningen övervakas hela tiden genom transformatorns tredje lindning. Spänningen hos den tredje lindningen är proportionell mot utspänningen när huvudströmbrytaren är av och den utgående dioden leder ström. Vid överspänning eller om en lysdiod är öppen slår huvudströmbrytaren av och kondensatorn vid CT-benet laddas ur. Kretsen går sedan in i ett “hick”-läge (hiccup mode). Vid kortslutning av en lysdiod kör kretsen på minimal frekvens innan spänningen över VIN-benet faller till under UVLO-tröskeln eftersom den tredje lindningen inte kan ge kretsen nog kraft. Kretsen påbörjar sedan sin uppstartssekvens.

Analog ljusdämpning
LT3799s uteffekt kan justeras via flera CTRL-ben. Utströmmen följer exempelvis en DC-styrspänning som läggs på något CTRL-ben för analog ljusdämpning. Skydd mot för hög temperatur och “brownout” på linjen kan också lätt implementeras med dessa CTRL-ben.

Kompakt och kostnadseffektiv
LT3799 utnyttjar en enstegskonstruktion med hela LED-drivkretsen (inklusive EMI-filtret), som endast kräver 40 externa komponenter, vilket ger en enkel, kompakt och kostnadseffektiv lösning. 20 W kretsen i figur 1 mäter totalt 30×75 mm med en höjd på bara 30 mm, vilket gör den idealisk för en rad olika lysdiodtillämpningar. Med några få förändringar av externa komponenter kan denna krets optimeras ytterligare för 120 VAC , 240 VAC eller t o m 377 VAC eller i stort sett vilken vanligt förekommande växelspänning som helst.

Lösningen finns
Nätdrivna lysdioder för allmänna belysningstillämpningar driver hela tiden på efterfrågan på högpresterande och kostnadseffektiva drivkretslösningar för lysdioder. Sådana LED-drivkretsar måste ge elektrisk isolation, hög verkningsgrad, PFC större än 0,90 och möjlighet till TRIAC-ljusdämpning. Dessutom måste de leverera en väl reglerad ström för att ge stadig ljusstyrka även om inspänningen eller LED-framspänningen varierar. Samtidigt måste de ha en rad skyddsfunktioner för att stärka systemets tillförlitlighet. Ekonomiskt sett ställer övergången till lysdiodbelysning även krav på mycket kostnadseffektiva drivenheter. Lyckligtvis finns nu sådana LED-drivenheter.
Jeff Gruetter, marknadsingenjör för kraftprodukter inom Linear Technology

Filed under: Opto