LED-Treiberschaltungen

Die Verlustleistung in linearen Regelsystemen günstig verteilen

| Autor / Redakteur: Andre Sudhaus * / Hendrik Härter

Linearregler mit Leistungsverteilung: In den Rückleuchten eines Autos leuchten LEDs. Die Leuchte muss eine stabile Helligkeit bieten, komplexe Signale Darstellen und schnell auf das Steuergerät antworten.
Linearregler mit Leistungsverteilung: In den Rückleuchten eines Autos leuchten LEDs. Die Leuchte muss eine stabile Helligkeit bieten, komplexe Signale Darstellen und schnell auf das Steuergerät antworten. (Bild: Elmos)

Ein IC im Auto sorgt dafür, dass die LED eine stabile Helligkeit bietet und auf das Steuergerät antwortet. Wir zeigen, wie sich die Verlustleistung verteilen lässt.

Es ist schon einige Zeit her, dass die Rückleuchten an einem Auto dazu dienten, ein Fahrzeug zu erkennen und anzuzeigen, welche Richtung es fährt. Bei aktuellen Automobilen ist es vielmehr ein optisches Differenzierungsmerkmal, Style-Element und ganz eindeutig ein Statuselement. Ein moderner Blinker schaltet nicht einfach ein, sondern setzt auf Optik und wischt zur Seite. Die Leuchte der Zukunft wird in der Lage sein, komplexe „Welcome-Animationen“ wiederzugeben, sobald der Fahrer den Wagen aufsucht. Grundlage für diese Entwicklungen ist flexible LED-Technik und lässt sich täglich im Straßenbild erkennen.

Eine Lichtfunktion in einer Leuchte muss sich einer Vielfalt an Anforderungen stellen: Dazu gehören stabile Helligkeit, komplexe Darstellung und eine schnelle Antwort auf Anforderungen durch das Steuergerät. Außerdem erwarten die Hersteller und Käufer ein hohes Maß an Robustheit gegen Umwelteinflüsse und Spannungsschwankungen sowie Fehlertoleranzen und -diagnosen. Gleichzeitig werden günstige Lösungen für den maximalen Effekt gesucht.

Schaltreglerlösung vs. günstigere lineare Regler

Die elektrische Leistung einer Rückleuchte ist auch in LED-Technik erheblich. Farb- oder Diffusionsfilter und Lichtwellenleiter erzeugen optische Verluste. Die LED muss ausreichend mit Strom versorgt werden, um das zu kompensieren. Auf der anderen Seite steht aus Kostengründen der Wunsch nach einer Hoch-Integration möglichst vieler Treiberstränge für LEDs, bevorzugt in eine integrierte Schaltung.

Bei der Topologie kann man zwischen den tendenziell teuren Schaltreglerlösungen oder günstigeren linearen Reglern wählen. Integrierte Schaltungen stoßen schnell an die Grenzen ihrer eigenen Aufbautechnik. Eine Verlustleistung im Gehäuse eines ICs von mehr als zwei bis drei Watt ist eher selten. Dazu kommen Anforderungen der Fahrzeughersteller, ausgeprägte Hotspots auf Leiterplatten zu vermeiden. Dies kann die Grenzen der Leistung pro Komponente weiter herabsetzen. Marktübliche Linearregler für Ströme verursachen Verlustleistungen in einer Größenordnung von:
PV = ILED * (VSUPPLY - VLED) (Formel 1).

Die Abwärme ist damit eine lineare Funktion der Spannung VSUPPLY. Auch wenn die Boardnetzspannung im PKW auf dem Papier eine 12-V-Batteriespannung ist, muss ein statischer Betrieb zwischen 6 V und 18 V ermöglicht werden. Kombiniert man die angenommene maximale Leistung PIC,MAX von 2 W mit einer LED-Spannung VLED von typ. 6 V, so liegt der maximale lineare Summen-Strom IIC,MAX bei:

Formel 2
Formel 2

Linearregler für komplexe Beleuchtungsmuster mit mehreren Ausgangskanälen sind damit beispielsweise als Regler für 3x 55 mA, 2x 80 mA oder 1x 160 mA auslegbar. Doch wie lassen sich die Grenzen erweitern? Beispielsweise auf 3x 150 mA?

Moderne Linearregler mit einer Leistungsverteilung

Da Verlustleistung in linearen Regelsystemen unvermeidbar ist stellt sich die Frage, wie man diese auf kostengünstige Art anders verteilen kann. Eine sehr kosteneffiziente Lösung hierfür sind Widerstände in Reihenschaltung mit der LED. Das aber widerspricht zunächst dem Wunsch, auch bei niedriger Versorgung die LED bei voller Helligkeit zu betreiben. Vorzugsweise muss die Widerstandslösung erweitert werden. Das Funktionsprinzip der Lösung im Bild 1 basiert darauf, dass zwei Ausgänge sich einen Summenstrom teilen.

Ein interner Verteilungsmechanismus bevorzugt immer einen primären Ausgang. Sollte dieser aufgrund mangelnder Versorgungsspannung nicht mehr hinreichend sein, wird automatisch der fehlende Strom durch einen parallelen, zweiten Zweig geliefert, den sogenannten Bypass. Das Bild 2 zeigt den Verlauf von Spannungen und Strömen am Treiberbaustein und der LED. Bei sehr niedrigen Spannungen führt die LED noch keinen Strom. Erst wenn die Versorgung VSUPPLY > VLED erreicht wird, beginnt die Diode auch Strom zu führen. Der widerstandsbehaftete, primäre Treiberausgang und der Bypass teilen sich den Strom auf. Daraus ergibt sich für den Treiberbaustein eine deutlich geringere Leistungsaufnahme als im klassischen Linearregler. Im Bild 3 ist das genauer dargestellt.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44247853 / LED & Optoelektronik)