LED-Beleuchtungstechnik

Treiber-IC unterstützt breiten DC-Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich

28.09.2009 | Autor / Redakteur: Bernie Weir* / Andreas Mühlbauer

Osram-Ostar-Multi-LED-Gehäuse – um eine LED-Kombination dieser Art anzusteuern, ist ein leistungsfähiger, kompakter und kosteneffizienter Konstantstromwandler erforderlich

Um eine beliebige Kombination von Power-LEDs, beispielsweise für Beleuchtungen anzusteuern, ist ein leistungsfähiger, kompakter und kosteneffizienter Konstantstromwandler mit einem breiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich erforderlich. Da eine reine Buck- oder Boost-Schaltreger-Topologie nicht flexibel genug ist, sollte ein stromgeregelter, nicht invertierender Buck-/Boost-Wandler zum Einsatz kommen. Dieser Artikel zeigt anhand von Beispielen, wie eine solche Schaltung dimensioniert wird.

Es gibt viele Gründe, warum sich Beleuchtungsdesigner zunehmend für LED-Technik entscheiden: Die lange Lebensdauer bis zu 50.000 h, geringe Wartungskosten und die sofortige Betriebsbereitschaft selbst bei Temperaturen bis zu –40 °C tragen dazu bei. LEDs sind klein genug, dass sie sich in eine Vielzahl von Anwendungen integrieren lassen. Ihr Wirkungsgrad ist höher als der von Glüh-, Halogen- und fluoreszierenden Lampen, was den wirtschaftlichen und umweltpolitischen Druck mindert, den Leistungsverbrauch zu senken.

Die LED-Wirkungsgrade verbessern sich sogar immer weiter, wie die neuesten Produkte von Cree und Nichia mit 130 bis 150 lm/W im Labor aufzeigen. Technologie- und Fertigungsfortschritte tragen ebenfalls dazu bei, dass die halbleiterbasierte Beleuchtung weiter an Attraktivität gewinnt und die Kosten pro Lumen zunehmend fallen.

Um eine bestimmte Helligkeit und Farbe zu erzielen, müssen LEDs mit einem konstanten Strom versorgt werden. Für High-Brightness-Leistungs-LEDs reichen diese Ströme von 100 bis 1500 mA, wobei 350 mA ein gängiger Wert ist. Tabelle 1 listet Herstellerdaten verschiedener Produktfamilien auf, die als Basis zur Bereitstellung einer minimalen und maximalen Spannung für eine gängige LED dienen. Der Ausgangssteuerbereich für Anordnungen mit drei oder sechs dieser LEDs ist ebenfalls enthalten. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass unter normalen Betriebsbedingungen Abweichungen von ±30% zu erwarten sind.

Die Wahl der geeigneten Schaltungstopologie

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, LEDs in Serie oder in seriellen/parallelen Anordnungen zu kombinieren. Als Beispiel diene eine Innenraumbeleuchtung in Fahrzeugen, die 200 lm erfordert. Je nach Wahl der LED sind dafür serielle Anordnungen mit drei bis sechs LEDs erforderlich. Das Aufmacherbild zeigt ein Multi-LED-Gehäuse. Um eine beliebige LED-Kombination dieser Art anzusteuern, ist ein leistungsfähiger, kompakter und kosteneffizienter Konstantstromwandler mit einem breiten Eingangs- (8 bis 19 V) und Ausgangsspannungsbereich (6,9 bis 30 V) erforderlich.

Bild 1: Blockschaltbild des LED-Treibers – ein stromgeregelter, nicht invertierender Buck-/Boost-Wandler ermöglicht eine flexible LED-Ansteuerung
Bild 1: Blockschaltbild des LED-Treibers – ein stromgeregelter, nicht invertierender Buck-/Boost-Wandler ermöglicht eine flexible LED-Ansteuerung

Eine reine Buck- oder Boost-Schaltreger-Topologie wäre nicht flexibel genug. Als LED-Treiber sollte ein stromgeregelter, nicht invertierender Buck-/Boost-Wandler zum Einsatz kommen. Eine High-Side-Stromabtastung ermöglicht es, die Kathode der LED-Anordnung direkt mit Masse zu verbinden. Um die Leistungsfähigkeit des Wandlers zu maximieren, ist eine verlustarme Abtastung (z.B. mit 200 mV) erforderlich. Das Blockschaltbild des LED-Treibers ist in Bild 1 dargestellt.

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