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Wechselstrom-LED

Erstveröffentlichung im Bulletin SEV/VSE 01/2014, Autoren Ruedi Felder und Christoph Hauser

 

Wechselstrom LED

Leuchtdioden lassen den Strom nur in einer Richtung fliessen und benötigen einen stabilisierten Strom für den optimalen Betrieb. Üblicherweise wird durch ein vorgeschaltetes Betriebsgerät die korrekte elektrische Versorgung der LED sichergestellt.

Werden genügend LED seriell aufgebaut, kann direkt mit 230V Wechselstrom eine entsprechenden LED-Lightengine betrieben werden. Damit entfällt das externe Vorschaltgerät und die Leuchte kann sehr einfach und kompakt aufgebaut werden.

Im untenstehenden Artikel werden die Eigenheiten dieser Schaltung beschrieben und Vor- und Nachteile erläutert. 

 

Als Edison die Glühbirne erfand, hatte er ein bestechend einfaches Konzept entdeckt, um aus Strom Licht zu machen. Sein Glühwendel konnte direkt ans Netz angeschlossen werden – ohne Vorschaltgerät. Seither wurden immer effizientere Lichttechniken entwickelt, die aber komplexe Vorschaltgeräte benötigen. Auch die LED brauchte bisher Elektronik. Gerade diese Vorschaltgeräte stellen jedoch eine Schwachstelle dar, denn sie verkürzen die Lebensdauer und reduzieren den Wirkungsgrad. Die AC-LEDs bieten da eine interessante Alternative.

 

WechselstromLED B1

 

 

Aufbau einer Wechselstrom LED

Eigentlich gibt es gar keine AC LED, denn die Gesetze der Physik gelten weiterhin und LED-Dioden können nur in einer Richtung (DC) Strom führen. Um LEDs in einem Wechselspannungsnetz anzuschließen, existieren vier unterschiedliche Typologien:

  • Antiparallelschaltung: dabei werden die LEDs nur über einer Halbwelle betrieben. Somit müssen doppelt so viele LED verbaut werden als bei nachfolgenden Lösung mit einer externen Dioden-Brückenschaltung.
  • Externe Brückenschaltung: hier wird die Gleichrichtung über eine externe Dioden-Brückenschaltung erreicht welche die LEDs mit einer gepulsten DC-Spannung speisen.
  • Antiparallele interne LED-Brückenschaltung
  • Verschiedene Matrix-LED-Schaltung wie weiter unten am Beispiel der Acrich Lösung beschrieben

 

 WechselstromLED B2

 WechselstromLED B3

 

Vorteile der der AC-LED

  • Keine Netzteile notwendig
  • Lebensdauer: dadurch wird die Lebensdauer der reinen LED Leuchtmittel nicht verkürzt über diese Treiber, Betriebsgerät oder Ansteuerelektronik, wie sie oft auch benannt werden
  • Einfaches Dimmen: LED-Leuchtmittel lassen sich ohne Netzteil besser dimmen. Sie können also beispielsweise mit Phasen-schnittsteuerungen gedimmt werden.
  • Lineares Dimmen: zudem bestechen diese Schaltungen mit einem lineares Verhältnis zwischen der Dimmerposition und der abgegebenen Lichtstärke in Lumen

 

Schwachstellen der AC-LED

  • Kosten: Bei der AC-LED entfallen zwar die Kosten für die Netzteile, die LED-Module sind jedoch teurer, da eine grössere Anzahl LED-Chips (Englisch: «die») auf demselben LED-Modul mit dem gleichen Lichtstrom verbaut werden müssen. Zudem sind heute die Absätze dieser AC-LED-Module marginal, was die Preise noch hoch hält.
  • Reduzierter Wirkungsgrad: grundsätzlich haben mit Gleichstrom gesteuerte LED-Leuchten einen höheren Wirkungsgrad, da sie mit einem konstanten Strom angesteuert werden und somit auch einen konstanten Lichtstrom erzeugen. Im Gegensatz da-zu wird der gepulste Sinusstrom bei den AC-LEDs im Nulldurchgang für eine gewisse Zeit unterbrochen, bis die LED über die Schwellenspannung in Durchlassrichtung wieder leuchtet. Dies reduziert die Lichtausbeute um fast 20 %.
  • Ballastwiderstand: Zudem benötigen die AC-LED-Konzepten einen Vorschaltwiderstand (Ballast-Widerstand) zur Strombegrenzung, der den Wirkungsgrad zusätzlich reduziert. Dieser Verlust bei der Wechselstromvariante wird durch die Verlustlei s-tung der Netzgeräte, die für DC-LED-Lösungen benötigt werden, mindestens wieder kompensiert.
  • Flackern: Der gleichgerichtete 100-Hz-Sinus hat praktisch die gleiche Lichtwirkung wie eine Leuchtstoffröhre, bei der das Flackern nicht wirklich sichtbar ist. Wichtig ist jedoch, dass die LED nach dem Nulldurchgang möglichst bald «zündet». Bei einer Halbwelle von 10ms sollte die LED mindestens 9ms leuchten, damit kein Flackern sichtbar ist

 

Eine interessante Lösung diesbezüglich bietet SSC Seoul Semiconductor mit ihrer Acrich2 (Foto unten rechts). Dort werden LEDs zu unterschiedlichen Zeiten zusammengeschaltet (Bild unten links). Dabei verhalten sich die einzelnen Ausgänge des IC wie Konstantstromquellen, die nach dem Erreichen bestimmter Spannungspegel beim Spannungsanstieg geschaltet werden. So wird ein Ausgang nach dem andern eingeschaltet, bis alle an sind.

In einer LED-Gruppe sind jeweils mehrere LEDs in Reihe geschaltet. Es werden verschiedene LED-Typen implementiert, die sich u.a. in der Vorwärtsspannung unterscheiden.

Bei der mit 22 V betriebenen Gruppe sind 3 LEDs seriell geschaltet, bei der 13-V-LED sind es 2 LEDs und bei der 32,5-V-LED 5 LEDs. Somit besteht jede Gruppe aus einer Reihenschaltung mehrerer LEDs (abhängig von der Vorwärtsspannung der einzelnen LEDs). Bei dieser Lösung fällt die Dunkelphase sehr kurz aus.

  

WechselstromLED B4

 

Einsatzgebiete

AC-LEDs eignen sich dort, wo wenig Platz für das Netzteil vorhanden ist, beispielsweise bei Retrofit-LED-Leuchten oder bei Ersatz-FL-Röhren, bei denen die LED-Chips auf einer langen Platine angeordnet sind und für die Treiberelektronik nur wenig Platz vorhanden ist.

 

 

 

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