Schaltungskonzepte zum Betrieb von Leuchtdioden für die Allgemeinbeleuchtung

Doctoral thesis German OPEN
Pawellek, Alexander (2018)
  • Subject: Vorschaltgerät | Leuchtdiode | Schaltnetzteil | Netzrückwirkung | Beleuchtung | Stromversorgung | Lichttechnik | Technische Fakultät
    • ddc: ddc:620

Licht bestimmt das Leben der Menschen und ohne eine künstliche Beleuchtung wäre die Gesellschaft in der heutigen Form undenkbar. Aktuelle Lichtquellen beruhen auf der Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Spektrum. Hierbei nimmt die Beleuchtung insgesamt einen Anteil von ca. 15 % am weltweiten elektrischen Energiebedarf ein, wobei für die Zukunft eine steigende Tendenz erwartet wird. Die Senkung der benötigten Energiemenge erfordert zwingend die Entwicklung intelligenter und effizienter Beleuchtungslösungen. Zukunftsweisend ist hier die Lichterzeugung basierend auf anorganischen Halbleiterlichtquellen, den Leuchtdioden (LEDs). Im Vergleich zu anderen Lichtquellen kennzeichnen sich diese durch eine relativ hohe Lichtausbeute, dem Verhältnis von ausgesandtem Lichtstrom zur benötigten elektrischen Leistung, aus. Die Leuchten im häuslichen Umfeld sind zum Großteil allerdings noch auf die althergebrachten Glühlampen ausgelegt. Eine Austauschlösung stellen die sogenannten LED Retrofit Lampen dar, die bestehende Installationen nutzen und so die Glühlampe direkt ersetzen können. Dieser Lampentyp benötigt für den Betrieb am häuslichen Wechselspannungsversorgungnetz allerdings ein elektronisches Vorschaltgerät, welches es unter Wahrung des Formfaktors im Gehäuse zu integrieren gilt. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung effizienter LED Retrofit Lampen für die Allgemeinbeleuchtung. Dazu werden verschiedene Schaltungskonzepte für das Vorschaltgerät untersucht. Ein wesentlicher Punkt liegt dabei auf einer möglichst hohen Lichtausbeute der Kombination von verwendeten Leuchtdioden und entsprechender Vorschaltelektronik. Dabei muss das Vorschaltgerät die geltenden Gesetze, Verordnungen und Normen strikt einhalten. Vor allem die Norm für die Netzstromoberschwingungen nimmt starken Einfluss auf die Wahl geeigneter Schaltungskonzepte und erfordert eine entsprechende Auslegung der Elektronik. So muss das Vorschaltgerät zum einen eine Versorgung der LEDs mit einem konstanten Strom als auch einen geeignet geformten Wechselstrom am Eingang sicherstellen. Zudem verlangt der Markt nach einfachen und kosteneffizienten Lösungen. Hierdurch beschränkt sich die Arbeit auf nicht galvanisch getrennte und nicht dimmbare getaktete Topologien sowie auf einstufige Konzepte mit nur einem gesteuerten Schaltelement. Neben der Analyse der verschiedenen Schaltungskonzepte zeigen hardwaretechnische Realisierungen mehrerer Konverter und die anschließenden Messungen die praktischen Möglichkeiten auf. Der Beginn der Arbeit stellt die gesetzlichen und normativen Anforderungen an LED Re¬tro¬fits vor. Daraus leitet sich die Spezifikation ab, die als Grundlage für die Hardwareaufbauten dient. Das Ziel bildet die Ersetzung einer herkömmlichen Glühlampe mit einer Leistung von 75 W durch eine entsprechende LED Retrofit Lampe, die insbesondere in Lichtstrom, Lichtfarbe und in einem gewissen Maße im Formfaktor eine Äquivalenz zu ihr aufweist. Die folgenden drei Hauptkapitel der Arbeit analysieren verschiedene Schaltungskonzepte für das notwendige Vorschaltgerät. Das erste vorgestellte Konzept betrachtet Konverterschaltungen, die den LED Strom auf einen konstanten Wert regeln. Die geeignete Dimensionierung der Eingangsstufe erlaubt dabei die Nutzung eines Spezialfalls der Norm für die Harmonischen des Eingangsstroms. Die Konverter eines weiteren Konzepts stellen hingegen am Eingang eine definierte Stromform ein. Mehrere parametrierte Stromformen und ihre Realisierbarkeit mit verschiedenen Topologien werden vorgestellt. Der Ausgangsstrom wird lediglich auf einen festen Mittelwert geregelt und weist eine Modulation mit der doppelten Netzfrequenz auf. Eine entsprechende Dimensionierung der Ausgangskapazität reduziert diese Modulation unter einen spezifizierten Grenzwert. Die Kombination zweier Grundtopologien stellt ein weiteres Schaltungskonzept dar. Sie ermöglicht die Regelung auf einen konstanten LED-Strom, während eine inhärente Formung des Eingangsstroms stattfindet. Die Realisierbarkeit der neun möglichen Kombinationen von Buck , Boost- und BuckBoost Konverter wird gezeigt und ihre Eigenschaften sowie Einsatzmöglichkeiten als Vorschaltgerät werden dargelegt. Neben den theoretischen Herleitungen und Erörterungen zeigen insgesamt acht Hardwareaufbauten zu den verschiedenen Schaltungskonzepten ihre praktische Leistungsfähigkeit. Alle Prototypen erfüllen die gleiche, zu Beginn der Arbeit hergeleitete Spezifikation. So erreichen sie, nicht abschließend, mindestens die Energieeffizienzklasse A+ und halten die normativen Grenzwerte für die Oberschwingungen im Eingangsstrom gemäß der Klasse C der DIN EN 61000 3 2 sowie die Grenzwerte für leitungsgebundene Störungen im Frequenzbereich von 9 kHz bis 30 MHz nach DIN EN 55015 ein. Light determines life of mankind in a substantial way and society in its present form would be not possible without artificial lighting. Modern light sources perform the conversion of electrical energy into radiant energy in the visible spectrum. Lighting consumes approximately 15 % of the global demand for electrical energy and an upward trend is expected for the future. Reduction of energy consumption requires the development of intelligent and efficient lighting solutions. In this context, the light generation based on inorganic semiconductor light sources, the light emitting diodes (LEDs), is trend-setting. In comparison to other light sources, LEDs exhibit a relatively high luminous efficacy, which represents the ratio of the emitted luminous flux to the required electrical power. However, the luminaires in domestic environments are typically designed for the traditional incandescent light bulbs. The so-called LED retrofit lamps offer a solution for the majority of existing luminaires. They use existing installations and thus can replace the incandescent lamps directly. However, this type of lamp requires an electronic ballast for an operation at the domestic AC supply grid, which must be integrated into the housing while preserving the form factor. This work provides a contribution to the development of efficient LED retrofit lamps for general lighting. For this purpose, different concepts of the converter for the ballast will be investigated. An important design target is the achievement of the highest possible efficacy of the combination of used light emitting diodes and corresponding ballast. The ballast must strictly comply with applicable laws, regulations and standards. Especially, the standard for the line current harmonics strongly influences the choice of a suitable system concept and requires a proper design of the power electronics. The ballast must ensure a supply of the LEDs with a constant current as well as a suitable shaped alternating current at the input. In addition, the market calls for simple and cost-efficient solutions. Based on these restrictions the scope of this thesis is focused on non-galvanically isolated and non-dimmable switch mode power supply topologies and to single stage concepts with only one controlled switching device. In addition to the analysis of the various system concepts, hardware-related implementations of several converters and following measurements show the practical capabilities. As a starting point for the following chapters of this thesis, the legal and normative requirements for LED retrofits are defined. Based on these normative limitations a specification is derived which serves as the basis for the hardware designs. The general goal is to replace a conventional incandescent lamp with a rated power of 75 W by means of a corresponding LED retrofit lamp, which is in particular equivalent with respect to the luminous flux, light color and to some extent in the form factor. The following three main chapters of the thesis then analyze different system concepts for the ballast. The first presented concept considers converters which regulate the LED current to a constant value. The proper design of the input stage makes use of a special definition of the standard for the harmonics of the line current. The converters of a further concept draw a defined current waveform at the input. Several parameterized current wave shapes and their feasibility with different topologies are presented. The converter regulates the output current to a fixed average value. However, a modulation with twice the mains frequency inherently results. A proper design of the output capacitance reduces this modulation below a specified threshold. The combination of two basic topologies represents a further concept. It allows the control of the LED current to a constant value, while an inherently shaping of the input current takes place. The feasibility of the nine possible combinations of Buck-, Boost- and BuckBoost converter is demonstrated and their properties as well as their field of application as a ballast are presented. In addition to the theoretical derivations and discussions, a total of eight hardware designs for the various circuit concepts show their practical performance. All prototypes meet the same specification derived at the beginning of the work. They achieve at least the energy efficiency class A+ and comply with the normative limits for the line current harmonics according to the class C of the standard DIN EN 61000 3 2 as well as the limit values for the conducted emissions in the frequency range from 9 kHz to 30 MHz according to the DIN EN 55015.
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