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Power-LEDs im Autoscheinwerfer als Temperaturfühler leben länger

Autor / Redakteur: Jörg Niggemeyer; Martin Royer * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

In immer mehr Fahrzeugscheinwerfern kommen LEDs zu Einsatz, deren Lebensdauer aber bei hohen Betriebstemperaturen drastisch sinken. Nutzt man die LEDs als Temperaturfühler, lässt sich dies verhindern.

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Blick in einen LED-Scheinwerfer: Zu viel Hitze senkt die Lebensdauer, deshalb ist eine Temperaturregelung erforderlich.
Blick in einen LED-Scheinwerfer: Zu viel Hitze senkt die Lebensdauer, deshalb ist eine Temperaturregelung erforderlich.
(Bild: LED_Headlamp_inside.jpg / LED_Headlamp_inside.jpg / Cschirp / CC BY-SA 3.0 / BY-SA 3.0)

LEDs in Fahrzeugscheinwerfern verbrauchen wenig Strom mit hoher Lebensdauer. Dass der Autobesitzer LED-Leuchtmittel selbst tauscht, ist nicht vorgesehen. Falls ein Scheinwerfer dennoch einmal gewechselt werden müsste, weil eine LED vorzeitig ausgefallen ist, dann kann dies teuer werden. Eine gestresste oder gealterte LED kann auch ohne elektrischen Defekt keine ausreichende Helligkeit mehr abgeben. Eine Halogen- oder Xenonlampe geht hingegen zuverlässig kaputt, wenn am Ende der Lebensdauer die Helligkeit unzureichend geworden ist.

Aus der Energieerhaltung folgt: Die elektrische Energie, die nicht als Licht von einer LED abgestrahlt wird, wird in Wärme umgewandelt. Eine LED, die weniger Helligkeit abgibt, erwärmt sich daher stärker. LEDs können sehr lange Lebensdauern erreichen, wenn man sie nicht bei zu hohen Temperaturen und oder Strömen betreibt. Doch wie garantiert man mit konkreten Maßnahmen, dass die LEDs nicht zu heiß betrieben werden, insbesondere bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen wie bei der Anwendung im Automobil?

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Temperatur-Mess-Widerstände sollen die Power-LEDs schützen

Bislang kommen im Scheinwerfer meist Temperatur-Mess-Widerstände (NTC) zum Einsatz, die mit auf dem Kühlkörper bzw. der LED-Platine platziert werden. Ein NTC kann nicht dicht bei jeder einzelnen LED eines Arrays liegen und mehrere LED Kanälen benötigen entsprechend mehrere NTCs.

Wieso also nicht die LEDs selbst als Temperaturfühler einsetzen? Man kann dadurch die als Temperatursensoren eingesetzten NTC-Widerstände und deren Anschlussleitungen einsparen – und vielleicht am wichtigsten – man spart Pins am Stecker der Steuereinheit, die man dann für andere Funktionen gewinnt.

Es kann über die Temperaturerhöhung der Junction gegenüber der Temperatur des Kühlkörpers bei bekannter elektrischer Leistung eine Aussage über die Effizienz der LED bzw. des Systems gemacht werden. Dabei ist es egal, ob eine Alterung der Leuchtschicht oder des Halbleiters vorliegt. Ein Schmutzfilm auf dem Emitter erhöht ebenfalls die Erwärmung, da weniger Licht abgestrahlt wird. Eine Zunahme der Temperaturerhöhung durch Eigenerwärmung der Junction kann als Hinweis für einen Alterungsprozess, Verschmutzung oder schlechtere Kühlanbindung gewertet werden, die alle auf eine verringerte Lichtabgabe hinauslaufen und eine entsprechende Warnung auslösen kann.

Die LED als Temperatursensor selbst auszunutzen, bietet also verschiedene Vorteile. Der Aufwand von Hard- und Software sollte jedoch minimal sein, um nicht Kosten an anderer Stelle zu erhöhen. Um die Vorwärtsspannung als verlässliche Größe zum Berechnen einer Temperatur verwenden zu können, benutzte man bisher einen niedrigen konstanten Referenzstrom. Andere Spannungsabfälle sind dann gegenüber der Spannung der Energielücke der LED VGap vernachlässigbar. LEDs aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien oder unterschiedlicher Energielücke VGap haben ein anderes Temperaturverhalten (K). Durch zu hohe Ströme oder Alterung kann sich die Gitterstruktur und der Bahnwiderstand ändern und dadurch auch K. Bezüglich einer Methode ist es deshalb notwendig, dass sich LEDs, egal welcher Art, an einer Hardware betreiben und ohne großen Aufwand bzw. automatisch kalibrieren lassen.

Nucon hat nun eine Methode entwickelt und patentiert bekommen, die einen kleinst möglichen Bauteilaufwand bedeutet. Der niedrige Referenzstrom wird jetzt aus der Kondensatorentladung über die LED während eines Abschaltvorgangs genutzt, wie es üblicherweise beim PWM-Dimmen wiederholt und ständig abläuft. Hierfür kann z.B. ein Buck-LED-Treiber verwendet werden, der über eine PWM zur Dimmung kontrolliert werden kann. Genau für die Methode bestens geeignete LED-Treiber werden von NXP angeboten.

Boost- und Buck-Wandler im Autoscheinwerfer

Bei einem automobilen Frontlichtmodul wird ein Boost-Wandler mit mehreren Buck-Wandlern kombiniert. Eine relativ neue Treiberfamilie sind die digitalen Hysterese-Wandler ASL4500SHN und ASLx416SHN von NXP (siehe https://goo.gl/ht7i95).

Bild 2 zeigt die LED-Treiber von NXP in einer typischen Schaltung. Es wurde vereinfacht nur ein einphasiger Boostwandler und zwei Buck-Ausgangskanäle gezeichnet. Der Shunt zum Ausregeln des Stroms des Buckwandlers liegt "hoch" im Plus-Pfad der Versorgung. Dies begrenzt sicher bei möglichen Kurzschlüssen den Ausgangsstrom. LED-Kanäle können eine gemeinsame negative Leitung nutzen.

Die ICs werden über einen SPI-BUS konfiguriert, um z.B. die interne Boostspannung oder die LED-Stromstärken einzustellen. Für das Temperaturmessverfahren vorteilhaft sind die PWM-Port-Pins, die direkt ohne interne Zeitverzögerung die LED-Kanäle von einer externen MCU aus aktivieren bzw. deaktivieren können.

Wird eine Dimmung vorgenommen so bekommt man grob aufgelöst rechteckförmige LED-Stromsignale, die in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 1 kHz liegen. Je höher man die Frequenz wählt, desto weniger Flicker tritt dabei auf.

Bei gemessenem Stromverlauf mit zeitlich höherer Auflösung, sieht man deutlich den Brumm des Buck-Converters, der durch den Kondensator C1 geglättet wird. Dieser Kondensator glättet nicht nur den Brumm des Konverters, er verzögert auch den Anstieg und Abfall des Stromverlaufs der PWM-Dimmung: Bevor die LED durchschaltet, wird der Kondensator auf die LED Vorwärtsspannung geladen. Und bis die LED abschaltet, entlädt sich der Kondensator über die LED.

Der Entladevorgang des Kondensators wird zur Temperaturberechnung ausgenutzt. Die LED-Vorwärtsspannung wird wiederholt bei gleichen geringen Stromstärken von wenigen mA gemessen und Spannungsabfälle anderer Übergänge sind vernachlässigbar. Samples von Vfk werden mit einer gleichen Verzögerung zum Abschaltzeitpunkt gesammelt und ein Mittelwert zur Erhöhung der Auflösung des ADCs daraus gebildet. Die Junction-Temperatur wird dann aus der folgenden Formel berechnet:

Tj = Toffset – K . Vfk (1)

Dabei ist Toffset eine Offset-Temperaturkonstante [K]. Der Faktor K ist eine vom LED-Material abhängige Konstante [K/V]. Verringert sich die Vorwärtsspannung und damit auch Vfk wird weniger abgezogen, die errechnete Junction-Temperatur steigt dann also an.

Dimmen der LED mit unterschiedlichen Duty-Zeiten

Die Junction Temperatur der LED selbst ist immer etwas größer als die Umgebungstemperatur und nähert sich der Umgebungstemperatur an je kleiner der thermische Widerstand von der Junction zur Umgebung ist und je geringer die LED-Leistung ist.

Bei einer festen Stromstärke der LED kann man durch unterschiedliche Dutyzeiten der Dimmung unterschiedliche elektrische Leistungen und damit auch Wärme innerhalb der Junction erzeugen. Die spontane Änderung von Tj nach dem Einschalten der LED sollte proportional zur gewählten Leistung erfolgen, solange die Temperatur der Kühlanbindung sich nicht nennenswert ändert. Ist der thermische Widerstand zum Kühlkörper bekannt, kann man so direkt K ermitteln. Verändere ich experimentell die Umgebungstemperatur und halte die Leistung der LED selber klein, kann man K differentiell über eine externe Temperaturreferenz abgleichen bzw. überprüfen.

Bei der Offset-Konstanten Toffset ergibt es sich nun, dass wenn K geändert wird, Toffset ebenfalls angepasst werden muss. Das ist zunächst sehr problematisch, da nun zwei Konstanten der Formel (1) von der Materialkonstanten abhängig sind und so ein einfacher automatischer Abgleich auf eine unbekannte LED nicht möglich zu sein scheint.

Demoboard mit 4-Phasen-Booster und sechs LED-Kanälen

Die Offset-Konstante ist somit zunächst eine komplexe Funktion von mehreren Parametern und eine kostengünstige Anwendung in einer Serie damit unmöglich, wobei der experimentelle Beweis siehe unten, eine einfache Ermittlung erlaubt. Hierzu wurde das Verhalten der beiden Konstanten Toffset und K von verschiedenen LEDs unterschiedlichen Typs mit einem NXP ASL Demoboard untersucht.

Das Demoboard hat einen 4-Phasen-Booster sowie sechs LED-Kanäle. Über das serielle USB Interface des Controllerboards werden die Messdaten der LEDs an den PC übertragen und das ASL Board angesteuert. Auf dem Demoboard wurde eine Drossel von 100 µH und ein Kondensator mit 1 µF bestückt. Diese Bauteilwerte kommen auch in einem aktuellen Seriengerät zum Einsatz.

Das für die Methode nun vorteilhafte Ergebnis ist, dass sich Toffset als eine lineare Funktion von K darstellt und zwar für völlig verschiedene LEDs. LEDs gleicher Art und Alterung weichen nur gering voneinander ab!

Somit kann nun Toffset, eine bislang durch das LED-Material bestimmte unbekannte Größe, durch eine fest definierte Eigenschaft eines elektrischen Steuergeräts EVG ersetzt werden. TEVG und CEVG ist nur noch eine Funktion der elektrischen Dimensionierung der Komponenten des Steuergerätes (L,C,R) und des Stroms der LED und nicht mehr Funktion einer Halbleitermaterial-Konstanten einer unbekannten LED.

Tj = TEVG + K . CEVG – K . Vfk (2)

Der Abgleich eines Kanals des EVGs kann auf einer Referenzdiode mit bekannter Temperatur Tj beim Bandtest des EVGs erfolgen. Eine automatische Kalibrierung auf unterschiedliche LEDs erfolgt, wenn beim Automobilhersteller Steuergerät und Scheinwerfer in der Montage am Band verbunden werden oder einem späteren Scheinwerferwechsel.

Damit können Kosten und Aufwand in einer seriellen Anwendung minimiert werden. Das Verfahren kann somit verfügbare Kapazitäten eines Mikrocontrollers nutzen, um externe Temperatur-Sensoren einzusparen, Übertemperatur der LED-Junction sicher vermeiden und die Alterung der Leuchteinheit überwachen ohne Kosten an anderer Stelle dabei zu erzeugen.

Zweistufige Topologie bietet eine Reihe von Vorteilen

Der mehrphasige Boostwandler erzeugt eine Zwischenkreisspannung, aus der die Buckwandler versorgt werden. Diese zweistufige Topologie kombiniert hohe Wirkungsgrade mit günstigen Bauteilen und exzellenten Regeleigenschaften. Dadurch eignen sich die ASL Treiber hervorragend für den Einsatz in Kfz-Lichtsteuergeräten.

* Jörg Niggemeyer ist Inhaber der Nucon GbR in Buchholz südlich von Hamburg, Martin Royer ist System Architekt LED Drivers and Controllers bei NXP.

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