LED Dimmer für Deckenfluter

Übersicht

DimmerDiese Projekt ist letztlich aus der Not heraus geboren. Ein Halogen-Deckenfluter sollte auf LED umgerüstet werden. Aber fertige LEDs für R7s Sockel sparen die den meisten Strom dadurch, dass sie kein Licht machen.

Leistungsfähige Halogenlampen haben eben keinen soo schlechten Wirkungsgrad (ebenso wie NV-Halogen) und so ein Standard-Halogen-Deckenfluter bringt durchaus 4000 lm und mehr. Um in diese Dimension vorzudringen, muss man halt schon mal mit gut 30 W LED anrücken. Und das gibt es schlicht nicht in R7s, geschweige denn in per Phasenanschnitt dimmbar. Es wäre auch kühlungstechnisch völlig unmöglich.

Die gewählte Lösung ist, die Dimmer-Elektronik durch das LED-Vorschaltgerät mit Dimmerfunktion zu ersetzen und den R7s-Sockel nebst Reflektor durch ein LED COB mit Kühlkörper.

LED COB

Da LEDs nur in einen Halbraum abstrahlen und keinen Reflektor brauchen, der wieder etwas Licht kostet, habe ich mich mit ca. 3000 lm begnügt, was gerade so ausreicht und sich auch gerade mal eben so noch mit vertretbarem Aufwand im gegebenen Bauraum passiv kühlen lässt.

Es ist ein COB Modul von Seoul Semiconductor geworden, und zwar SDW85F1C. Dieses kann dauerhaft bis zu 40 W, das hier vorgestellte Netzteil erzeugt aber nur ca. 25 W, sonst wird die LED zu heiß.

Deckenfluter anDeckenfluter ausDeckenfluter von oben
links: bei minimaler Leistung
rechts: aus

Schaltun

Schaltplan

Funktionsweise

Oszillogram
Spannung an der Drosselspule (Anode von D4) im Teillastbetrieb (ca. 20%). 50 V/div, 2 µs/div

Die Schaltung arbeitet als PWM-Schaltnetzteil, das die notwendige LED-Spannung von ca. 35 V direkt per Step-Down aus der Zwischenkreisspannung von ca. 320 V gewinnt. Die Schaltfrequenz beträgt ca. 75 kHz.

Durch das extreme Spannungsverhältnis und den verwendeten Current-Mode Controller kann komplett auf einen Regelkreis verzichtet werden. Der UC3842 arbeitet also im Open-Loop-Mode.
Arbeitshypothese: die Ausgangsspannung ist aufgrund der LED praktisch konstant. Damit hängt die abgegebene Leistung nur von der Dauer des Stromflusses in der Drosselspule ab und zwar quadratisch. Und die Dauer wiederum hängt fast ausschließlich vom geladenen Spitzenstrom in der Drossel ab, da die Ladezeit vernachlässigt werden kann. Faktisch bleibt die Helligkeit bis etwa 150 V Zwischenkreisspannung stabil.

Helligkeitsregelung

Die Helligkeit wird geregelt, indem die Spannung am Eingang (2) von IC1 über P1 variiert wird. Dabei würde eine lineare Abhängigkeit des Spitzenstroms in der Drossel von der eingestellten Spannung und mithin der Position des Potentiometers entstehen, wovon die abgegebene Leistung quadratisch abhängt. Die subjektive Helligkeitsempfinden ist aber näherungsweise logarithmisch, weshalb zusätzlich ein logarithmisches Potentiometer verwendet wurde. Die quadratische Funktion ist bei weitem nicht steil genug.

Stand-By-Verbrauch und Versorgung des Schaltreglers

Technisch gesehen, lässt sich die Schaltung nicht ausschalten. Der Stand-By-Verbrauch ist allerdings trotzdem sehr gering (≤ 0,25 W). Der Trick ist, dass der Strom durch den Anlaufwiderstand R1 bei weitem nicht ausreicht, um den Schaltregler zu versorgen. Es reicht nur gerade so, um C5 aufzuladen, während der Schaltregler noch nicht aktiv ist. Sobald sich selbiger aktiviert, steigt der Verbrauch deutlich an und C5 entlädt sich wieder bis die Mindestversorgungsspannung von IC1 unterschritten wird. Anders gesagt, die Schaltung prüft nur zwei, drei mal pro Sekunde, ob eine von null verschiedene Helligkeit eingestellt ist. Des weiteren geht R1 an die nicht gesiebte Spannung was zusätzlich knapp 40 % spart. Der Strom durch R1 beträgt im Mittel ca. 1 mA. Dabei fällt die Versorgung für die Stand-By-LED nebenbei ab, welche allerdings mit 50 Hz flimmert. Das fällt bei der geringen Helligkeit aber kaum auf. Es wurde extra eine LED mit geringem Wirkungsgrad verwendet.

Sobald eine größere Helligkeit eingestellt wird, versorgt sich der Schaltregler über eine Hilfswicklung auf der Drosselspule selbst. Die Hilfswicklung hat die halbe Windungszahl, wie die Hauptwicklung. Es kommen also ca. 18 V heraus. Aufgrund von R5 und D3 werden daraus aber nur ca. 15 V, vor allem bei geringer Helligkeit.

Im Anlaufmoment des Schaltreglers kann es aufgrund der verschiedenen Kondensatoren passieren, dass einzelne Steuerimpulse bis zum MOSFET T2 durch kommen, auch wenn die Helligkeit auf null steht. Damit das auch bei völliger Dunkelheit kein sichtbares Licht in der LED erzeugt, wird diese geringe Strommenge über R2 abgeleitet. Verbrauchsrelevant ist das nicht.

Wirkungsgrad und Strommessung

Die Schaltung hat einen Wirkungsgrad von ca. 93%. Die größten Verluste entstehen in der Drossel selbst (bei Vollast) gefolgt von der Freilaufdiode D4.

Die Strommessung für den Current-Mode-Regler erfolgt über einen Stromtrafo TR2. Einerseits, weil das Störungen reduziert, hauptsächlich aber, weil andernfalls der Wirkungsgrad deutlich schlechter wäre.

Schutzschaltung

Falls die Verbindung zur LED unterbrochen wird, würde das Netzteil die Leistung nicht mehr los werden und die Spannung an C1 über Gebühr anwachsen. Selbst wenn C1 das überlebt, würde bei Wackelkontakten die in ihm gespeicherte Energie das LED COB zerstören.

Deshalb ist mit D2, R3, R4 und T1 eine Schutzschaltung integriert, die beim damit verbundenen Hochlaufen der Versorgungsspannung des Schaltreglers selbigen abschaltet, und zwar so lange, bis die Spannung durch den Eigenverbrauch wieder gesunken ist.

Aufbau

Dimmer, geöffnet

Sicherheitshinweis

WarnungDie Schaltung ist nicht potentialfrei. Es ist unbedingt erforderlich die Kontaktpunkte am LED COB griffgeschützt zu isolieren, beispielsweise mit Silikon.

Recycling

Die Schaltung ist vollständig aus altem Elektronik-Schrott aufgebaut.

Die Hauptdrossel ist aus einem alten Fernseher, Der (übertrieben große) Kühlkörper aus der alten Phasenanschnitt-Dimmer Elektronik und auch die restlichen Bauteile entstammen ausnahmslos der Grabbelkiste. Einige Bauteile wurden durch kompatible Bauteile ersetzt, so z.B. T1 durch einen uralten BC147 oben rechts. ;-)

EMV

Um unerwünschte Störstrahlung und die Störung anderer Geräte zu vermeiden, sind die Stromschleifen T2, TR2, TR1, C1, C3 und TR1, C1, D4 möglichst eng zu halten. Zudem ist das Kühlblech des FET mit GND verbunden und der FET isoliert montiert.

Damit ist die einzig wesentliche Abstrahlung das Streufeld von TR1. Das bekommt man nicht ganz auf null, im Besonderen nicht bei einem EI-Kern. Mit einem Toroid wäre da sicher noch etwas zu holen gewesen, aber da hat die Grabbelkiste nichts passendes hergegeben.

Sonstiges

Aufgrund des sehr begrenztem Platzes mussten die ursprünglich in diesem Gehäuse vorhandenen Polklemmen einem Steckverbinder weichen.

Die Verwendung von Lochraster ist natürlich Geschmackssache. Aber eine dedizierte Platine wäre definitiv an der Unverhältnismäßigkeit der Mittel gescheitert.

Schaltungsvariationen

Kein logarithmisches Potentiometer

Wenn kein logarithmisches Potentiometer verfügbar ist, kann man die Schaltung auch mit einem linearen Exemplar aufbauen. dafür ist der Spannungsteiler zu belasten, also ein zusätzlicher Widerstand zwischen dem Schleifer des Potentiometers und dem oberen Anschlag erforderlich, Größenordnung 1 kΩ. Dabei müssen allerdings R14, R12 und R10 so angepasst werden, dass der Strom durch R12 und mithin die Spannung an Pin 2 bei den beiden Potianschlägen gleich bleibt.

Größe von C3

Aufgrund der guten Regelung könnte man den Zwischenkreiskondensator C3 durchaus auch noch kleiner auslegen. Allerdings muss er in jedem Fall den Ripple-Strom von ca. 1,6 A aushalten. Wenn er das kann, würden 10 µF auch ausreichen.

Abweichende Leistung

Die maximale Ausgangsleistung wird im wesentlichen durch R7 bestimmt. Er legt fest, welcher Strom in die Drossel geladen wird, wenn das Potentiometer auf Anschlag steht. Selbstverständlich darf man den Ferritkern dabei nicht in die Sättigung fahren.

Die Variation ist allerdings nicht unabhängig von der Hauptspule. Ändert sich diese nicht, läuft man bei Erhöhung der Leistung Gefahr, dass die Spule in den Continous-Mode fährt. Dann funktioniert die Open-Loop-Regelung der Ausgangsleistung nicht mehr richtig. In diesem Fall ist zusätzlich die Schaltfrequenz zu reduzieren. Das erreicht man durch eine Erhöhung von R11 und/oder C9. Das verringert die Ausgangsleistung natürlich wieder. Aber eben nicht quadratisch, wie der Anstieg durch die Erhöhung des Maximalstroms.

Anstelle einer niedrigeren Schaltfrequenz empfiehlt sich daher besser eine Drosselspule mit reduzierter Induktivität. Diese baut den Strom dann schneller auf und hat typischerweise auch weniger Probleme mit dem höheren Strom.

Anderer Drosselspule

Wenn man keine genau passende Spule hat, kann man auch solche mit kleinerer oder größerer Induktivität nutzen. In jedem Fall muss sie aber in etwa den 2½-fachen, gewünschten LED-Stroms aushalten. Die Anpassung an die Spule erfolgt dann über die Schaltfrequenz mit R11 und C9. Es ist allerdings zu beachten, dass der verwendete Schaltregler UC 3842 wirklich nicht für mehr als 100 kHz taugt.