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LED-Treiber Referenzdesign für den Ersatz von Halogenlampen durch Leuchtdioden

Autor / Redakteur: DaFeng Weng, Mehmet Nalbant* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Halogenlampen sind beliebt und weit verbreitet, aber sie brauchen viel Strom und haben eine relativ kurze Lebensdauer. Viel günstiger schneiden da Leuchtdioden ab, die sich bei gleicher Helligkeit mit deutlich weniger Energie begnügen und zudem wesentlich länger halten. Wie sich herkömmliche MR16-Halogenlampen einfach durch Hochleistungs-LEDs ersetzen lassen zeigt das hier vorgestellte Referenzdesign für LED-Treiber.

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MR16-Halogenlampen sind bei Geschäfts- und Heimbeleuchtungen als dekorative Elemente weit verbreitet, obwohl verschiedene Nachteile ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzen. Die Verlustleistung der am häufigsten benutzten MR16-Lampen bewegt sich zwischen 10 und 50 W bei einer Lichtausbeute zwischen 150 und 800 lm. Dies entspricht einem 15 lm/W oder einem Wirkungsgrad von rund 15%. Die Lebensdauer einer typischen Halogenlampe beträgt etwa 2000 Stunden, wobei der Glühdraht jedoch keiner großen Vibration ausgesetzt werden darf, wenn die Glühlampe nicht frühzeitig ausfallen soll. Heutige LED-Technologien bieten eine MR16-kompatible und kostengünstige Halbleiteralternative zu Halogenlampen an. So liefern beispielsweise aktuelle Hochleistungs-LEDs von LedEngin rund 45 lm/W bei einer Lebensdauer von 100.000 h. Verfügbar ist eine 5-W-Version als Einchiplösung im Gehäuse mit 4 mm x 4 mm) sowie eine 10-W-Vierchiplösung mit 7 mm x 7 mm). Bei realistischen Betriebsbedingungen entspricht dies bei der 5-W-Version einem typischen Lichtstrom von 155 lm (Stromaufnahme 1000 mA, Sperrschichttemperatur TJ = 120 °C) bzw. 345 lm (700 mA/120 °C) bei der 10-W-Version. Wenn diese LEDs mit dem gleichen Helligkeitspegel wie Halogenlampen arbeiten sollen, reduziert sich die Verlustleistung um etwa 50%. Zusätzlich prognostiziert LedEngin eine bemerkenswerte Lebensdauer, bezogen auf 90% des Lichtstroms, von 100.000 h bei einer Sperrschichttemperatur TJ = 120 °C. So lässt sich ein etwaiger Birnenaustausch während der Lebensdauer eines Produkts vermeiden.

LED-Referenz-Design

Für die in Bild 1 gezeigte MR16-LED-Referenzschaltung wurde eine weiße LED von LedEngin mit 5 W gewählt. Als Treiber wird ein MAX16820 von Maxim eingesetzt, der eine LED mit einer Stromaufnahme von 1000 mA betreiben kann. Die beiden Tabellen zeigen die detaillierte Stückliste und die elektrische Spezifikation der Referenzschaltung.

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Die Eingangsspannung VAC beträgt 12 V ±10%, die bei den meisten MR16-Anwendungen üblich ist. Der MAX16820 wurde gewählt, da er u.a. speziell als LED-Treiber für MR16-Anwendungen entwickelt wurde. Er ist in einem sehr kleinen 6-beinigen TDFN-Gehäuse verfügbar und arbeitet mit Eingangsspannungen von 4,5 bis 28 V. Zudem kann er externe, kostengünstige MOSFETs ansteuern. Damit lassen sich viele verschiedene LEDs einsetzen. Der Baustein ist für einen Temperaturbereich von -40 bis 125 °C spezifiziert und eignet sich somit auch für Automotive-Anwendungen.

Aufgrund des erweiterten Temperaturbereichs kann der MAX16820 auch bei den hohen Umgebungstemperaturen in einer MR16-Fassung innerhalb der Spezifikation betrieben werden. Obwohl er Leistungen von 25 W und darüber ansteuern kann, benötigt er dank der hohen Schaltfrequenz von typ. 2 MHz nur sehr kleine externe Spulen und Kondensatoren, sodass die Treiberschaltung in eine MR16-Lampenfassung eingebaut werden kann.

Die Schaltung im Detail

Bild 1 zeigt die 5-W-MR16-LED-Treiberschaltung, bestehend aus einer Gleichrichterbrücke (D1 bis D4), den Filterkondensatoren mit 100 µF (C1 und C2) sowie der Wandlerschaltung. Die Wandlerschaltung besteht aus dem MAX16820, der Wandlerspule L, dem Leistungs-MOSFET Q, der Freilaufdiode D und dem Sense-Widerstand R. Die 5-W-High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) benötigen einen Treiberstrom von 1 A für den der LED-Treiberbaustein spezifiziert ist.

Der Wandlerstrom in der Spule ergibt sich aus dem Strombedarf der LED von 1 A und wird über eine Hysteresenregelung gesteuert. Diese spezielle Wandlerstromregelung ist im MAX16820 implementiert und ermöglicht den Aufbau eines einfachen und robusten LED-Treibers mit einer Toleranz von gerade einmal 5% Toleranz beim eingestellten LED-Strom.

Um die 5-W-HB-LED-Schaltung mit einem konstanten Strom von 1 A über die gesamte Periode der Netzfrequenz betreiben zu können, wurden Filterkondensatoren der Schaltung hinzugefügt, welche die Spannungsschwankungen auf der DC-Seite begrenzen. Die Gesamtkapazität sollte mindestens 200 µF betragen und wird kostengünstig mit einem Tantal- oder Elektrolyt-Kondensator mit 200 µF/25 V erreicht.

Damit der Ausgangsstrom möglichst genau eingehalten wird, muss die maximale Änderung des Spulenstroms über der Zeit (di/dt) auf einen Wert von 0,4 A/µs begrenzt werden. Wie in Bild 1 gezeigt, ist der maximale Spannungsabfall an der Spule VLMAX. Zur Berechnung der Spuleninduktivität lassen sich die Gleichungen (1) und (2) verwenden.

Für eine Eingangsspannung VAC_IN = 12 V, δ = 10% und V0 = 3,6 V, ergibt sich ein Wert für L von größer als 37 µH. 39 µH wird deshalb als Standardwert für die Induktivität L ausgewählt. Der Wert δ beschreibt die prozentual erlaubte AC-Eingangsspannungschwankung und V0 ist die Durchlassspannung der LED.

Minimale Schwankung des Ausgangsstroms

Die Schaltung wurde mit einer 5-W-WLED-MR16-Fassung getestet.

Bild 2 zeigt den Aufbau und Bild 3 die an der Schaltung gemessenen Signale. Die Eingangsspannung beträgt nominal 12 VAC und der Ausgangsspannungsripple rund 10%.

Im Bild 3b ist zu erkennen, dass mit einem 200 µF DC Filterkondensator, der Ripple auf dieser Spannung 8,5 V beträgt. Die im MAX16820 implementierte Regelung zeigt ein sehr gutes Line-Regulation-Verhalten. Der LED-Ausgangsstrom schwankt damit bei Eingangsspannungsänderungen nur minimal. Im Falle des 5-W-MR16-LED-Lampentreibers lässt sich zeigen, dass der LED-Ausgangsstrom konstant auf 1 A geregelt wird, obwohl der Ripple und Änderungen der Eingangsspannung mehr als 8,5 V betragen können.

Die MR16-Lampentreiber-Platine besteht aus zwei Lagen. Alle Komponenten befinden sich auf der Oberseite, einschließlich der beiden Wechselspannungseingänge und der beiden Gleichspannungsausgänge (mit LED+ und LED- bezeichnet). Die Rückseite wird ausschließlich zur Massekontaktierung benutzt.

Muss eine Lebensdauer von mehr als 100.000 h bei einer garantierten Langzeit-Lichtstromstärke von 90% des Anfangswerts erreicht werden, so ist es sinnvoll bei HB-LED-Anwendungen die Sperrschichttemperatur der 5-W-LedEngine-LEDs auf weniger als 120 °C zu begrenzen. Der Einsatz von Kühlkörpern ist eine kostengünstige Methode, um die Verlustwärme, die in der LED-Sperrschicht erzeugt wird, an die Umgebungsluft zu übertragen. Die 5-W-MR16-LED-Lampe hat einen Kühlkörper, der die Verlustleistung der LEDs abführen kann. Die Platine für den 5W-MR16-LED-Treiber ist auf der Rückseite des Kühlkörpers der LED-Lampe montiert.

Bemerkenswert ist die Konstruktion des Kühlkörpers. Im Gegensatz zum Design von Halogenlampen, wo die Lampenabwärme in erster Linie abgestrahlt wird, wird beim Design von LED-Lampen die Abwärme zum Kühlkörper geleitet (siehe Bild 2) und dort mithilfe von Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben.

Gegenüber Schaltungen für 1- oder 3-W-LEDs erreicht man mit dem vorgestellten 5-W-MR16-Referenzdesign eine wesentlich höhere Lichtausbeute. Da keine Multiple-Emitter-Lösungen nötig sind, lässt sich die MR16-Leistungspezifikation für eine 10-W-Halogenlampe einhalten.

*DaFeng Weng ist Product Definer und Mehmet Nalbant Director of Applications Engineering bei Maxim Integrated Products in Sunnyvale, Kalifornien.

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