Prinzip Step-Down-Converter

Der im Eingangskreis liegende Schalter wird durch einen PWM- Regler so gesteuert, dass der mittlere Strom durch die Induktivität gleich dem Betriebsstrom der LED ist. Sobald der Strom durch den Schalter den oberen Grenzwert (Ausgangsstrom + halber Ripplestrom) erreicht hat, wird der Schalter geöffnet, und der LED- Strom wird durch die nun leitende Diode aufrechterhalten. Sinkt der Strom durch die LED auf den Wert (mittl. Ausgangsstrom – halber Ripplestrom) ab, wird der Schalter wieder eingeschaltet, und der LED- Strom steigt wieder an. Es ergibt sich ein dreieckförmiger Stromverlauf mit hoher Frequenz, der durch einen kleinen Kondensator im Ausgangskreis geglättet wird und einen kontinuierlichen LED- Strom bereitstellt. Diese Arbeitsweise des Abwärtswandlers wird als Continuous Conduction Mode (CCM) bezeichnet und ist für den Betrieb von LEDs optimal, da nur kleine Eingangs- sowie Ausgangskondensatoren erforderlich sind und der LED- Spitzenstrom in keinem Fall überschritten wird.

Die Erzeugung des Taktes, mit dem der Schalter geschlossen und geöffnet wird, kann auf unterschiedliche Art erfolgen – entweder durch einen in der Ansteuerschaltung eingebauten Oszillator mit fester Frequenz oder durch die Strommessung selbst. Bei der Verwendung von Festfrequenz- Oszillatoren in der Ansteuerung muss die Regelung durch einen Strom- Messverstärker entsprechend der komplexen Übertragungsfunktion des Systems aus Schalter, Induktivität und Eingangs- und Ausgangskapazität ausgelegt werden. Um genügend Phasenreserve für alle Betriebsfälle vorzuhalten, ist eine Korrektur des Phasen- Frequenzgangs des Fehlerverstärkers im Rückführungszweig der Regelung erforderlich (Kompensation). Diese Kompensation ist abhängig von einer Reihe von Parametern. Fehler in der Kompensation können zu Überlastung der LED infolge von Überschwingen bei Eingangsspannungsänderungen oder sogar zum Schwingen der Regelung führen. Kommt es hingegen wie bei den meisten LED- Anwendungen nicht auf die exakte Einhaltung der Schaltfrequenz des Wandlers an, lässt sich die Regelung stark vereinfachen. In diesem Fall wird die Strommessung dazu herangezogen, um die Einschaltzeit des Schalters im Wandler entsprechend dem mittleren LED- Strom zu steuern. Da der Schalter beim Erreichen des eingestellten Maximalstroms geöffnet wird, würde der LED- Strom in der OFF- Zeit des Schalters über die Diode so lange weiter fließen, bis die in der Induktivität gespeicherte Energie nicht mehr ausreicht, die LED zu speisen. Es ist also eigentlich nötig, eine Möglichkeit zu finden, den minimalen Strom zu bestimmen, bei dem der Schalter wieder eingeschaltet werden muss, um die nötige Energie in der Induktivität zu speichern. Leider ist eine solche Stromerfassung recht aufwändig und erfordert zusätzliche Bauteile.

Interessant ist die Alternative, eine feste Ausschaltzeit vorzugeben, nach der der Schalter automatisch wieder geschlossen wird. Solche Lösungen sind als „COT“- Regler (constant off- time) bekannt, wobei die Ausschaltzeit teilweise durch ein Monoflop eingestellt werden kann. Bei solchen Lösungen muss lediglich die Induktivität so dimensioniert werden, dass der Ausgangsstrom während der Ausschaltzeit nicht unter den erforderlichen Minimalwert absinkt, um den mittleren LED- Strom einzuhalten. Für MR16- LED- Retrofit- Lampen kann von einer weitgehend konstanten Speisespannung von ca. 12V AC ausgegangen werden. Da der Duty cycle, also das Verhältnis von Einschaltzeit zur gesamten Periodendauer des Ein-/ Ausschaltzyklus - und damit auch die Schaltfrequenz selbst, direkt vom Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung (Flussspannung der LED) abhängt, ergibt sich bei konstanter Eingangsspannung auch eine weitgehend konstante Schaltfrequenz. Diesekann durch entsprechende Bemessung der Induktivität relativ gut bestimmt werden. Ist die minimale Ausschaltzeit klein genug, ergeben sich automatisch auch hohe Schaltfrequenzen, die kleine Abmessungen für die Induktivität und kleine Kapazitätswerte gestatten.