Power-LEDs im Autoscheinwerfer als Temperaturfühler leben länger

| Autor / Redakteur: Jörg Niggemeyer; Martin Royer * / Thomas Kuther

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.

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* 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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