Eine lichtemittierende Diode (LED) ist eine Halbleitervorrichtung, die einen Halbleiter vom N-Typ und einen Halbleiter vom P-Typ enthält und Licht durch Rekombination von Löchern und Elektronen emittiert. LEDs sind von Natur aus Gleichstromgeräte (DC), die Strom nur in einer Polarität durchlassen und typischerweise von Gleichspannungsquellen mit Widerständen, Stromreglern und Spannungsreglern angesteuert werden, um die Spannung und den Strom zu begrenzen, die an die LED geliefert werden. Aus diesem Grund ist eine Stromversorgung oder ein "Treiber" erforderlich, um den Netzwechselstrom in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom umzuwandeln, der zum Ansteuern der LEDs geeignet ist. Ein LED-Treiber ist eine eigenständige Stromversorgung mit Ausgängen, die den elektrischen Eigenschaften des LED-Arrays entsprechen. Die meisten LED-Treiber sind so ausgelegt, dass sie konstante Ströme zum Betreiben des LED-Arrays liefern. Folglich werden die LEDs, die darauf zählen, dass eine Treiberschaltung kontinuierlich mit einem konstanten Strompegel arbeitet, als DC-LEDs bezeichnet.
Es kann jedoch eine Wechselstromquelle (AC) verwendet werden, um das LED-Beleuchtungssystem anzutreiben. Eine AC-LED ist eine LED, die direkt mit AC-Netzspannung betrieben wird, anstatt einen Treiber zu verwenden, um die Netzspannung in Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Ein AC-LED-Chip weist eine Vielzahl von LED-Einheiten auf, die auf einem Chip ausgebildet sind, und wird in eine Schaltungsschleife oder eine Wheatstone-Brücke eingebaut, um direkt in einem Wechselstromfeld verwendet zu werden. Eine AC-LED wird auch als Hochspannungs-Leuchtdiode (HV-LED) bezeichnet, da sie frei von einer Stromumwandlungstreiberkomponente ist und direkt in Netzstrom mit Hochspannung (220 V in Europa oder 110 V in den USA) eingesetzt werden kann ) und Wechselstrom (AC).
Die typische LED-Leuchte enthält eine komplexe Treiberschaltung, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten, einem erheblichen Verlust der Betriebslebensdauer, weniger Gestaltungsflexibilität als Folge des erhöhten Volumens mit zusätzlichen Treiber- und Dimmerschaltungen, geringer Energieeffizienz und Systemstabilität führen kann.
Die Einführung der Treiberschaltungen in ein DC-LED-Beleuchtungssystem bringt viele nachteilige Effekte mit sich. Zunächst einmal ist die Lebensdauer der elektronischen Schaltung deutlich geringer als die der LED. Wenn man bedenkt, dass die Eingangslasteigenschaften einer LED nicht während der gesamten Lebensdauer der LED konstant bleiben, sondern sich mit dem Alter und den Umgebungsbedingungen ändern, kann sich die Kompatibilität zwischen einer LED und ihrem Treiber letztendlich verschlechtern und somit zu einer instabilen LED-Leistung führen. Der Leistungswandler verringert die Effizienz der lichtemittierenden Vorrichtung. Die einem solchen Leistungswandler innewohnenden Leistungsverluste verringern den Gesamtwirkungsgrad der Lichtquelle. Eine Treiberschaltung kann Komponenten wie ohmsche Lasten, Induktionsspulen, Kondensatoren, Schalttransistoren, Taktgeber und dergleichen enthalten, um die Betriebsparameter zu modulieren. Im Laufe des Betriebs sind LED-Lampen und ihre LED-Treiber einer Reihe von parasitären Verlusten ausgesetzt, darunter Wärme, Vibration, Hochfrequenz oder elektromagnetische Interferenz, Schaltverluste und so weiter. Im Laufe der Zeit können Umweltfaktoren und parasitäre Verluste zu einem Absinken der Betriebsleistung der LED-Lampen führen, so dass sie die Betriebsanforderungen möglicherweise nicht erfüllen.
Für AC-LEDs sind keine zusätzlichen Spannungswandler oder Gleichrichter erforderlich, und AC-LEDs können durch direktes Anlegen von Wechselstrom betrieben werden. Aus diesem Grund werden die Kosten einer AC-LED-Lampe im Vergleich zu ihrem DC-Pendant reduziert und die schaltungsbezogenen Qualitätsprobleme werden minimiert. Insbesondere elektromagnetische Interferenzen (EMI) sind kein Problem mehr, da die lineare Stromversorgung keinen Hochfrequenzschaltbetrieb erfordert. Die Umwandlung für Gleichstrom mit niedrigerer Spannung ist nicht erforderlich, wodurch der Energieverbrauch in Leistungstransformatoren gesenkt wird. Der Stromrichter reduziert den Leistungsfaktor und erhöht die gesamte harmonische Verzerrung des Stroms. Die inhärente Effizienz eines AC-Direct-Designs ermöglicht einen hohen Leistungsfaktor über 0,9, ohne dass zusätzliche Leistungskonditionierungs- oder Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil der AC-LED-Konfiguration ist ihre intrinsische Vollbereichs-Dimmbarkeit, ohne auf eine Dimmschaltung zurückgreifen zu müssen. Eines der Kernmerkmale von AC-LED-Ansätzen ist die Kompatibilität mit Phasenschnitt- (Triac-) Dimmern. Es ist oft erwünscht, LED-Lampen mit einer Dimmfunktion zu implementieren, um eine unterschiedliche Lichtleistung zu liefern.
Aber nichtsdestotrotz gab es immer noch eine Herausforderung der Verbesserung bei der Herstellung der AC-LED. Das von netzbetriebenen AC-LEDs erzeugte Licht kann als Folge des beschleunigten Polaritätswechsels bei Netzfrequenz ein unzulässig hohes optisches Flimmern aufweisen. Dieses Flimmern kann irritierend sein, besonders wenn es um Beleuchtungsanwendungen in Innenräumen geht. Das Flimmerproblem kann durch den Einsatz eines Gleichrichters und eines Kondensators behoben werden, die typische Komponenten in DC-LED-Treibern sind. Weiterhin können LED-Leuchten mit einer Treiberschaltung so ausgelegt werden, dass sie die Netzwechselspannung in einem weiten Bereich (z. B. 100-277V) in die möglichst konstante Lastspannung und den möglichst konstanten Laststrom umwandeln. Die AC-LEDs sind nur in der Lage, einen schmalen Eingangsspannungsbereich zu akzeptieren, beispielsweise 220-240 V, was ihren Betrieb in Anwendungen mit starken Spannungsschwankungen einschränkt.
LEDs, die von Wechselstromquellen gespeist werden, bilden eine nichtlineare Last. Aufgrund der Nichtlinearität können LEDs, die von Wechselstromquellen betrieben werden, wahrscheinlich einen niedrigeren Leistungsfaktor und eine höhere harmonische Gesamtverzerrung aufweisen. Der Leistungsfaktor eines elektrischen Wechselstromsystems (AC) wird als das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung beschrieben, die zu einer Last fließt.
