LED-Beleuchtung

Ein LED-Array sicher überwachen und ansteuern

27.02.12 | Autor / Redakteur: Fabien Franc * / Hendrik Härter

LED-Array: Mit dem LED-Controller CAT4026 lassen sich über sechs Kanäle ansteuern und er regelt mehrere Stränge mit hohen Spannungen (Foto: A. Liebhart, pixelio.de)
LED-Array: Mit dem LED-Controller CAT4026 lassen sich über sechs Kanäle ansteuern und er regelt mehrere Stränge mit hohen Spannungen (Foto: A. Liebhart, pixelio.de)

Wir stellen Ihnen einen Linear-Controller vor, mit denen sich lange LED-Stränge bis 200 V oder mehr und einer Ausgangsleistung von mindestens 100 W realisieren lassen.

Anstelle von Leuchtstofflampen oder auch Cold Cathode Fluorescent Lamps, kurz CCFL, sind es zunehmend die LEDs, die beispielsweise als Lichtquelle für die Hintergrundbeleuchtung in LCD-TV-Geräten eingesetzt werden.

In industriellen und universellen Beleuchtungen ersetzen sie schrittweise Glühlampen, die Kompakt-Leuchtstofflampen oder Compact Fluorescent Lamps sowie Hochintensitätslampen. LEDs bieten eine Lichtintensität, die proportional zum fließenden Strom ist. Die Verlustleistung ist dabei proportional zum Strom und zur LED-Durchlassspannung.

Wenn eine große Anzahl LEDs notwendig sind

Die Lichtausbeute und die Verlustleistung lassen sich besser verteilen, wenn mehrere LEDs mit kleineren Strömen vorhanden sind. Wenige High-Power-LEDs einzusetzen, die zudem eine teurere Leiterplatte und zusätzliche Kühlkörper benötigen, erhöht die Gesamtkosten des Beleuchtungssystems.

Bei einer LCD-Hintergrundbeleuchtung sind die LEDs in gleichmäßigen Abständen entlang einer Seite oder mehreren Seiten des LCDs verteilt. In LED-Leuchten sorgen zahlreiche LEDs für eine diffusere Beleuchtung und eine bessere Wärmeverteilung auf der Leiterplatte und dem Kühlkörper. Aus diesen Gründen ist es üblich, dass eine große Anzahl von LEDs verwendet wird.

Der Treiberschaltkreis sollte offene und kurzgeschlossene LEDs erkennen

Die Ansteuerung eines Stranges aus LEDs anstelle paralleler LEDs bringt eine inhärente Stromanpassung und weniger Anschlüsse mit sich. Würde solch ein LED-Strang durchtrennt, fällt die gesamte Beleuchtung aus. Darum sollte eine Art Redundanz eingeführt werden, wobei mindestens zwei Stränge parallel verbaut werden. Damit verringert sich die Anodenspannung zum Vorspannen der LEDs, was die Sicherheit erhöht.

Eine gleichmäßige Lichtausbeute in einer Konfiguration mit mehreren LED-Strängen erfordert allerdings auch angepasste Ströme. Die Stränge weisen jeweils leicht unterschiedliche Durchlassspannungen auf, die überwacht werden müssen, da sie zusammen mit linearen Treibern zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung beitragen würden. Wichtig ist auch, dass der Treiberschaltkreis offene und kurzgeschlossene LEDs erkennt und den Betrieb weiter fortsetzt

Kurzgeschlossene LED-Kanäle vom Controller erkennen lassen

Aufwärtswandler: Blockdiagramm eines DC/DC-Boost-Wandlers mit linearem Treiber
Aufwärtswandler: Blockdiagramm eines DC/DC-Boost-Wandlers mit linearem Treiber

TV-Geräte enthalten ein Schaltnetzteil, das einen Gleichstrom von 24 V bereitstellt. Dieselbe Stromversorgung kann einen DC/DC-Boost-Wandler oder Aufwärtswandler versorgen. Der Aufwärtswandler erzeugt die notwendige Vorspannung von 80 bis 200 V, die für lange LED-Stränge erforderlich ist.

Dieser besteht aus einem Pulsweitenmodulations-(PWM-)Controller wie der UC3843 oder NCP1252 von ON Semiconductors. Ein linearer LED-Controller regelt dann mehrere Strangströme und bietet eine Rückkopplung zum Aufwärtswandler.

Damit wird die Anodenspannung automatisch so niedrig wie möglich gehalten, um die Verlustleistung des Lineartreibers zu minimieren (Bild 1). Während des Betriebs können mehrere Fehler auftreten, die dann vom Controller verarbeitet werden müssen. Gängige Fehler können offene LEDs und kurzgeschlossen LED-Kanäle sein.

Die Spitzen-Anodenspannung auf einen sicheren Wert begrenzen

Open-LED-Fehler: Der LED-Treiber erkennt den offenen Kanal und meldet das mit einem Flag an das System
Open-LED-Fehler: Der LED-Treiber erkennt den offenen Kanal und meldet das mit einem Flag an das System

Im Falle einer Überspannung oder wenn ein LED-Strang zu einem offenen Schaltkreis wird, erhöht der Boost-Wandler die Anodenspannung VOUT. Die Spitzen-Anodenspannung muss auf einen sicheren Wert begrenzt werden, genannt „Open-LED-Spannung“, um Schäden im Boost-Schaltkreis, an dessen Ausgangskondensator oder beim Lineartreiber zu verhindern, die durch Überspannung entstehen können.

Eine Möglichkeit, eine offene LED zu erkennen, wird mit der Anbindung des Anodenanschlusses an einen Widerstandsteiler Ra und Rb und dessen Mittelanzapfung an einen Niederspannungs-Komparator (OCA-Eingang) erreicht.

Erreicht die Anodenspannung den Wert der Open-LED-Spannung, kann der LED-Treiber einen offenen Kanal feststellen. Das erfolgt, indem erkannt wird, dass die Kathode durch den Stromregler-Schaltkreis gegen Masse gelegt wird. Der offene Kanal kann dann deaktiviert und von der Stromversorgung ignoriert werden, bis das System zurückgesetzt oder der DC/DC-Boost-Wandler abgeschaltet wird.

Ein Open-LED-Fehler wird mit einem Open-Drain Output Flag (OPEN) an das System gemeldet. Dazu die Signalform in Bild 2. Die Open-LED-Spannung lässt sich auf 10 oder 20% über der maximalen Anodenspannung einstellen, was der höchsten LED-Durchlassspannung entspricht, ähnlich wie bei kalter Umgebungstemperatur.

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