LEDs nehmen heutzutage eine wichtige Stellung auf dem Beleuchtungsmarkt ein. Ihre hohe Helligkeit, der geringe Stromverbrauch, die lange Lebensdauer, die schnelle Startzeit, der flimmerfreie Betrieb und die geringere Anfälligkeit für Augenermüdung machen sie zu einem wichtigen Faktor bei den Verbrauchern. In der LED-Treiberindustrie sind „isoliert“ und „nicht isoliert“ wohl die beiden gebräuchlichsten Begriffe. Was bedeuten sie also? Wie lassen sie sich schnell unterscheiden?
Untere Seite des Schaltkreises
Isolierte und nicht isolierte Treiber lassen sich auf einen Blick anhand der Schaltung auf der Unterseite unterscheiden! Bei isolierten LED-Treibern befindet sich unterhalb der Transformatoren keine weitere Schaltung, da Ein- und Ausgang isoliert sind. Siehe dazu die folgenden Abbildungen.
Worin bestehen die Unterschiede zwischen ihnen?
Isolierung
Bei DC/DC-Wandlern bezieht sich die Isolation auf die galvanische Trennung. Das bedeutet, dass kein metallischer oder direkter Leitungspfad zwischen zwei Teilen des Stromkreises besteht. Die Isolation bildet stets eine Barriere zwischen Eingangs- und Ausgangsstufe und kann für die Funktionalität, die Sicherheit oder beides erforderlich sein. Der Wandlungsprozess des Transformators ist elektrisch-magnetisch-elektrisch. Da er nicht geerdet ist, besteht keine Gefahr eines Stromschlags.
Warum ein isoliertes Netzteil verwenden?
Isolierte Netzteile sind ein wesentlicher Bestandteil der Kontrolle über die Übertragung hoher Energiemengen und der Entwicklung von Elektronikgeräten, die für den menschlichen Kontakt sicher sind. Sie können ein isoliertes Netzteil beispielsweise für folgende Zwecke verwenden:
Vereinfachtes Design und einfachere Anwendung: Viele Geräte wie Computer und Fernseher verfügen über empfindliche Bauteile, die von einem kontrollierteren Energiefluss profitieren. Obwohl sie mehr Komponenten erfordern, können isolierte Netzteile Entwicklern und Ingenieuren helfen, diese Anforderungen an kontrollierte Ströme problemlos zu erfüllen. Sie vereinfachen zudem die Anwendung des Endprodukts, da keine speziellen Schulungen erforderlich sind.
Einhaltung von Sicherheitsvorschriften und -normen: Regierungs- und Branchenorganisationen – wie die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), die Internationale Organisation für Normung (ISO) und Underwriters Laboratories (UL) – fordern häufig die Isolierung bestimmter Produkte. Diese Vorschriften können je nach Risiko und Produkttyp bestimmte Arten oder Güteklassen der Isolierung festlegen.
Unterbrechen von Erdschleifen: Erdschleifen entstehen, wenn zwei Geräte über unterschiedliche Wege sowohl miteinander als auch mit der Erde verbunden sind. Sie können den Stromfluss unterbrechen und Störungen verursachen. Durch Isolation lassen sich diese Schleifen unterbrechen; sie wird häufig bei störungsanfälligen Schaltungen eingesetzt.
Erzeugung eines potentialfreien Ausgangs: Potentialfreie Ausgänge sind nicht geerdet und beziehen sich nicht auf einen anderen Ausgang. Viele Produkte verwenden potentialfreie Ausgänge, um die Sicherheit zu erhöhen. Andere, wie beispielsweise Flugzeuge, benötigen potentialfreie Ausgänge, da eine Erdung nicht möglich ist. Durch die Verbindung eines Anschlusses mit einem anderen Schaltungsknoten, um ihn auf diese Spannung festzulegen, können potentialfreie Ausgänge auch die Ausgangsspannung innerhalb der Schaltung invertieren oder verschieben.
Nicht isoliert
Im Allgemeinen sind nicht-isolierte Wandler weniger flexibel einsetzbar als ihre isolierten Pendants. Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein nicht-isolierter Wandler keinen Transformator besitzt und keine physische Trennung zwischen Ein- und Ausgang benötigt. Dadurch sind sie typischerweise kleiner und leichter. Zudem verbessert sich der Wirkungsgrad, da keine Transformatorverluste berücksichtigt werden müssen. Diese Reduzierung der Materialkosten führt dazu, dass nicht-isolierte Wandler in der Regel kostengünstiger sind. Der nicht-isolierte Schaltkreis wird direkt an die LED-Last angeschlossen, nachdem die Eingangsleistung über den Auf-/Abwärtswandler zugeführt wurde. Dadurch besteht die Gefahr eines Stromschlags.
Warum ein nicht isoliertes Netzteil verwenden?
Obwohl sie nicht über die Sicherheitsfunktionen eines isolierten Netzteils verfügen, bieten nicht-isolierte Netzteile andere Vorteile, beispielsweise hinsichtlich Geschwindigkeit und Design. Werden sie in der Nähe der Last auf der Platine montiert, spricht man von Point-of-Load-Netzteilen , die dazu beitragen, hohe Eingangsspannungen zu reduzieren. Die Platzierung eines nicht-isolierten Netzteils nach einem isolierten Netzteil kann einige Sicherheitsbedenken ausräumen.
Da sie die zusätzlichen Komponenten einer isolierten Stromversorgung nicht benötigen, bieten nicht-isolierte Einheiten folgende Vorteile:
Kompaktere Bauformen: Nicht-isolierte Systeme benötigen keine Bauteile wie Transformatoren und Optokoppler, wodurch kleinere Netzteile realisiert werden können. Diese können jedoch bei beengten Platzverhältnissen erforderlich sein. Nicht-isolierte Netzteile bieten zudem tendenziell höhere Schaltfrequenzen, was die Verkleinerung bestimmter Bauteile wie Kondensatoren und magnetischer Komponenten ermöglicht und somit die Größe des Geräts weiter reduziert.
Kosteneinsparung: Durch den Verzicht auf zusätzliche Komponenten kann ein nicht-isoliertes Netzteil günstiger sein. Ein wesentlicher Grund für die geringeren Kosten liegt im Austausch eines Transformators gegen eine Spule. Transformatoren müssen oft individuell angefertigt werden, während Spulen leichter im Handel erhältlich sind. Auch ein hoher Isolationsgrad kann die Kosten eines isolierten Netzteils erhöhen, was bei nicht-isolierten Geräten nicht erforderlich ist.
Effizienterer Betrieb: Nicht-isolierte Netzteile bieten auch einen Effizienzvorteil. Durch den Verzicht auf Isolationsbarrieren ist eine direkte Steuerung und Überwachung der Ausgangsleistung möglich, was eine bessere Leistung und Regelung ermöglicht. Da sie zudem kleiner sind, können nicht-isolierte Netzteile näher an der Last platziert werden, wodurch negative Auswirkungen auf die Übertragungsleitung minimiert werden.
Zusammenfassung
Die Isolation ist eine sehr nützliche Funktion bei Stromversorgungslösungen, da sie einen sicheren Betrieb ermöglicht, Rauschen und Masseschleifen reduziert und Flexibilität bei der Konfiguration der Spannungsschienen zueinander bietet.
Wo jedoch nicht-isolierte Wandler eingesetzt werden können, profitieren die Entwickler von einer geringeren Größe, einer höheren Leistungsdichte, einem besseren Wirkungsgrad und niedrigeren Kosten.
Auch wenn isolierte Treiber teurer und weniger effizient sind, bieten sie mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit. Daher verwendet Jroming in seinen Lampen stets isolierte Treiber.
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