Hochvolt LED Module

Wie funktionieren AC LED Module?

Viele unserer Produkte besitzen hinter dem Produktnamen den Zusatz „AC“. Dieser Zusatz ist eine Kennzeichnung dafür , dass bei diesen Produkten AC LED Module verbaut sind. Bei dieser Technologie wird ein wesentlicher ein wesentlicher Teil eines üblichen LED-Moduls nicht benötigt. Das Vorschaltgerät.

Wie funktioniert das?

Nachstehendes Bild erläutert die prinzipielle Funktion der Hochvolt LEDs. Die Schaltung wird direkt an einer gleichgerichteten Wechselspannung betrieben. Die LED-Kette – hier können eine große Anzahl von Einzel-LED oder auch spezielle COB-Module verwendet werden – wird mit Hilfe des Controllers gesteuert.

AC LED Module Steuerung
Bild 1: Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise

Je nach momentaner Höhe der Sinushalbwelle schaltet der Controller die Schalter A-D und erzeugt dynamisch eine LED-Kette, deren Summe der Öffnungsspannungen gerade noch unterhalb der momentanen Höhe der Halbwelle liegt. Da die Anzahl der Kanäle begrenzt ist, erfolgt dies in Segmenten.

 

AC LED Module Schaltung
Bild 2: Aktivierte LED bei kleinen Momentanwerten

In diesem Beispiel ist der Momentanwert der Sinushalbwelle noch sehr gering. Folglich werden auch nur wenige Segmente angesteuert. Der Rest der Kette bleibt dunkel.

Das nächste Bild zeigt die Schalter, wie sie für den Zustand B gelten:

 

Hochvolt LED Module
Bild 3: Aktivierte LED bei weiter steigender Spannung

 

Hier ist die Anzahl der beleuchteten LED schon größer.

Die Folge lässt sich weiter fortsetzen, bis alle LED angesteuert werden. Man erkennt daraus, dass die Anzahl der beleuchteten LEDs dynamisch mit der Sinuswelle wächst und abnimmt. Der Betrachter bemerkt davon relativ wenig, da dieser Vorgang für das Auge kaum wahrnehmbar ist. Er nimmt eine gleichmäßig erleuchtete LED-Kette war.

Im nachfolgenden Bild wurden der Helligkeitsverlauf, der Stromverlauf und die Netzspannung aufgezeichnet:

AC LED Module
Bild 4: Darstellung einer Sinus-Vollwelle

Kanal 1:   Helligkeit
Kanal 2:   Strom einer Leuchte
Kanal 3:   Spannung Netz

Für diese Messung wurde ein Controller mit sechs Stufen verwendet. An der gelben Kurve erkennt man die sechs Sprünge, wenn die Segmente zugeschaltet werden. Auch im Strom (grün) sind die Sprünge erkennbar. Die blaue Kurve zeigt den Verlauf der Netzspannung. Es fällt auch auf, dass in der ersten Zeit nach dem Nulldurchgang noch kein Licht emittiert wird, weil die untere Schwelle erst überschritten werden muss. Für das Helligkeitsempfinden des Menschen ist das unproblematisch und die EMV-Vorgaben (z.B. Netzrückwirkungen) werden auch eingehalten.

Der Vorteil

Leuchten ohne elektronische Betriebsgeräte kommen mit weniger Bauelementen aus. Dies hat gleich mehrere Vorteile. Es reduzieren sich die Kosten, da große und teure Bauteile nicht benötigt werden  und die Ausfallwahrscheinlichkeit ist geringer. Für die mögliche Betriebsdauer hat dies einen weiteren wichtigen Vorteil: Gerade die in elektronischen Betriebsgeräten notwendigen Elektrolytkondensatoren fehlen hier gänzlich. Übliche AC/DC-Wandler erreichen typischerweise Lebensdauern um 15.000 Stunden, wobei diese Technologie durchaus 50.000 Stunden und mehr erreichen kann. Sie liegt damit in etwa gleichauf mit der Lebensdauererwartung der LED. Für den Anwender ist dies gleich in zweifacher Hinsicht ein Vorteil: AC LED Module sind sehr effizient, d.h. sparsam im Energieverbrauch und das komplette System ist auf eine sehr hohe Lebensdauer ausgelegt. Das Austauschen von Betriebsgeräten oder der Leuchtmittel entfällt daher gänzlich. Es entstehen keine Wartungskosten durch Teiletausch.

Eine weitere Betriebsart ist ganz automatisch und ohne zusätzliche Kosten in das Modul eingebaut: Die Verwendung der Module in einem Notlicht. Das Modul arbeitet mit Betriebsspannungen von 230V Wechsel- oder Gleichspannung. Bei Speisung mit Gleichspannung steigen die Lichtausbeute, die Leistung und die Erwärmung geringfügig an.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Für die Beurteilung der EMV müssen mehrere Faktoren bedacht werden. Welchen Aufwand muss man treiben, um die unvermeidlichen Störungen von Microcontrollern, Leistungswandlern oder anderen schwingenden Schaltungen zu beseitigen? Hier bietet die LED Module erhebliche Vorteile: Diese Schaltungsteile gibt es bei dieser Technologie nicht! Hinzu kommen Anforderungen an die Störfestigkeit gegenüber beispielsweise Burst- und Surgeimpulsen. Um die Festigkeit gegenüber diesen leitungsgebundenen Störungen zu gewährleisten wird eine relativ kleine, mit nur wenigen passiven Bauteilen bestückte Eingangsstufe benötigt. Diese Bauteile schützen die Leuchte vor Beschädigung.

Wo Licht ist, ist auch Schatten!

Einen kleiner Nachteil muss man in Kauf nehmen (können): Da Störsignale wie zum Beispiel Burst auf die Netzspannung gekoppelt werden, kann es während der Einwirkung zu leichtem Flackern kommen. Ein zusätzlicher Vorteil liegt in den geringen harmonischen Verzerrungen (THD – Total Harmonic Distortions) des aufgenommenen Stromes (Bild 6). Dieser Wert ist ein Maß für die nichtlineare Verzerrung des Stroms und liegt hier bei einem sehr geringen Wert.

AC LED Module und Dimmen

Die Dimmung ist allerdings nicht so sauber und glatt wie bei gleichspannungsbetriebenen LED mit PWM- oder analoger Dimmung. Wenn der Stromflusswinkel sehr klein gewählt wird und bereits in der ansteigenden Kurve wieder abgeschaltet wird, kann es sein, dass die Spannung im Bereich um eine der Schwellen liegt und die LEDs dieses Segments flackern. Die mehr oder weniger präzise Arbeitsweise von Dimmern hat ebenfalls Auswirkungen auf das Flackern.

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