LED-Treiberlösungen Leistungs- und Kontrollfunktionen im LED-Treiber vereint

Autor / Redakteur: nach Material von Future Electronics* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In unserem Beitrag zeigen wie Ihnen, warum LED-Treiberschaltungen besonders sorgfältig ausgelegt werden müssen und mit welcher Hardware Sie das umsetzen können.

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Bild 1: Das Verbindungskabel für den MultiOne und die Programmierschnittstelle. Mit dem GUI lassen sich Dimmerprotokolle und Einstellungen konfigurieren.
Bild 1: Das Verbindungskabel für den MultiOne und die Programmierschnittstelle. Mit dem GUI lassen sich Dimmerprotokolle und Einstellungen konfigurieren.
(Future Electronics)

Mit der Einführung der LED-Technologie steigen die Anforderungen an die Entwicklungsingenieure aus Elektronik, Optik und Wärmemanagement. Im Fall der Leistungselektronik müssen moderne LED-Treiberschaltungen besonders sorgfältig ausgelegt sein, um die Spannungen und Ströme bereitzustellen, die die gewünschte Lichtleistung ergeben. Das soll nicht auf Kostten der Lebensdauer einer LED gehen. Diese Anforderung führt bei den Herstellern der Leuchten zu Risiken, Kosten und Verzögerungen.

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Mit einer neuen Generation LED-Treiber soll sich die Leistungselektronik einfacher, schneller und flexibler in LED-Beleuchtungen implementieren lassen. Sie schließen die Lücke zwischen Elektronik und Beleuchtung helfen Kunden dabei, LED-Beleuchtungssysteme schneller und einfacher zur Marktreife zu bringen.

LED-Leuchtenhersteller und eingebettetes System-Design

Jede LED-Leuchte benötigt eine Treiberschaltung. Zusätzlich ist vielfach die Regelung des Lichts erforderlich. Für die interne Entwicklung kundenspezifischer Treiberschaltungen mit Halbleitern wie Gleichspannungswandlern, Linearreglern, PFC-Controllern und Mikrocontrollern ist Erfahrung und Fachwissen zur Entwicklung der Elektronik nötig. Deshalb fällt bei vielen Leuchtenherstellern die Entscheidung zugunsten von Treibermodulen oder fertigen Leistungsbausteinen. Komplettmodule werden eingangsseitig mit der Netzspannung betrieben und arbeiten als Konstantstromquelle mit den Werten, die in LED-Beleuchtungsanwendungen benötigt werden.

Allerdings enthalten Treibermodule für gewöhnlich keine Steuerfunktionen, oder sie sind auf eine einfache analoge (1 - 10 V) oder digitale Dimmerfunktion beschränkt. Wenn sich Leuchtenhersteller für den Einsatz von LEDs entscheiden, verlassen sie die einfache Welt der Glühlampen. Die Implementierung von LED-Systemen ist deutlich komplexer und verlangt häufig nach ausgeklügelten Steuermöglichkeiten, um einen sicheren Betrieb und eine lange Lebensdauer zu erreichen. Da die Leuchtstärke von LEDs mit der Zeit abnimmt, muss der Treiberstrom im Lauf der Zeit allmählich zunehmen, um während der Lebensdauer eine konstante Helligkeit zu erzielen.

LEDs bieten außerdem die Möglichkeit, die Lichtleistung zu regeln. Somit kann dieselbe Lichtquelle in verschiedenen Leuchten unterschiedliche Helligkeiten abgeben. Durch den Einsatz einer regelbaren Ansteuerung können die Leuchtenhersteller dieselben Grundkonstruktionen von LEDs und Treibern in verschiedenen Endprodukten verwenden. Dadurch lassen sich nicht nur Kosten senken, sondern auch die Lagerhaltung und die Komplexität der Lieferkette vereinfachen. Außerdem lässt sich einfacher mit der raschen Entwicklung der LED-Technologie Schritt halten.

Eine weitere praktische Eigenschaft von LED-Leuchten ist, dass sie sich präzise dimmen lassen. Bei der Straßenbeleuchtung oder der Beleuchtung von Büroräumen sind durch intelligentes Dimmen enorme Energieeinsparungen möglich. Dabei werden Leuchten zu bestimmten Tageszeiten oder wenn niemand anwesend ist gedimmt oder ganz abgeschaltet.

Grundlagenwissen einfacher Embedded-Systeme

In allen drei beschriebenen Fällen werden intelligente Steuerfunktionen benötigt, die über die Fähigkeiten herkömmlicher LED-Treibermodule hinausgehen. Bisher haben die Leuchtenhersteller dafür sowohl ein LED-Treibermodul als auch eine eigene Steuerschaltung benötigt. Zur Entwicklung dieser getrennten Steuerschaltungen muss sich der OEM Wissen über einfache Embedded-Systeme aneignen, da sie gewöhnlich per Software auf 8-Bit-Mikrocontrollern implementiert werden.

Eine neue Generation intelligenter LED-Treiber fasst die Funktionen des Treibermoduls und der Steuerschaltung in einer Einheit zusammen. Damit gehen unterschiedliche Vorteile einher. Da weniger Bauteile benötigt werden, wird die Systemhardware einfacher, kompakter und billiger. Der Hersteller der Leuchte muss keinen Code für einen Mikrocontroller mehr programmieren, was ihm die Entwicklung erleichtert. Stattdessen konfiguriert er die Leuchte über eine einfache grafische Benutzerschnittstelle, der GUI, die eine große Auswahl programmierbarer Optionen bietet. Dieser Ansatz macht die Entwicklung und den Einsatz erheblich flexibler, da die Konfiguration im Werk, bei der Installation oder auch später im Betrieb geändert werden kann.

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Ein LED-Treiber erleichtert die Entwicklung

Der Umfang an Funktionen eines LED-Treiber eröffnet den Entwicklern von LED-Leuchten vielfältige Möglichkeiten. Ziel dabei ist es, Kosten und Energieverbrauch zu senken und die Entwicklung zu vereinfachen.

Zu den weiteren Vorteilen moderner LED-Treiber gehört es, zukunftssichere Plattformen zu entwickeln, aus der zahlreiche Produktvarianten abgeleitet werden können. Diese lassen sich dann nach Kundenanforderungen oder Anwendungen anpassen lassen. Der Ausblick ist vielversprechend: Kosten für die Realisierung kundenspezifischer Projekte lassen sich senken, oder die Attraktivität der Standardprodukte steigern durch einfach Anpassung der Spezifikation.

Die neue Generation LED-Treiber bietet verschiedene Funktionen. Der Ausgangsstrom lässt sich programmieren und ermöglicht es, den Treiber beispielsweise in Schritten von 50 mA oder über einen externen Widerstand zu programmieren. Ein kundenspezifisches, flexibles Dimmverhalten mit Reaktion auf verschiedene Eingangsgrößen ist ebenfalls möglich. Dazu zählen Umgebungshelligkeit, die Uhrzeit oder die Anwesenheit von Personen. Eine konstante Lichtleistung wird durch Anhebung des Ausgangsstroms proportional zur Abnahme der Lichtleistung der LED im Lauf der Zeit erzielt. Die Steuerung mit 1 - 10 V und das DALI-Protokoll werden unterstützt.

Beim Einschaltvorgang werden zu hohe Ströme vermieden, da diese die LED beschädigen könnten. Eine thermische Schutzschaltung ermöglicht automatisches Abregeln des Treiberstroms, wenn die Temperatur der LED einen bestimmten Wert überschreitet. Und letztlich lassen sich protokollierte Daten zur Betriebszeit, zum Stromverbrauch, zum Ausgangsstrom auslesen.

Zwei Unternehmen, die interessante Beispiele für diese neuen kombinierten Treiber- und Regeleinheiten herstellen, sind Philips Lighting und Roal Electronics. Beide haben Schnittstellen zur grafischen Programmierung entwickelt, die intuitiv und benutzerfreundlich sind. Philips bietet Treiberbausteine, die aus programmierbaren Modulen der Xitanium-Serie und dem Konfigurationswerkzeug MultiOne bestehen. Diese programmierbaren Treiber regeln die Lichtleistung, nutzen voreingestellte Dimmerprotokolle und sind in der Lage, die Systemspezifikationen sowohl im Werk als auch bei den installierten Einheiten zu verändern.

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