LED-Leuchten entwerfen Wenn ein Spannungswandler als LED-Treiber arbeitet

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Sie sind preiswert, sind in den unterschiedlichsten Ausführungen verfügbar und flexibel: Mit einem Spannungswandler lassen sich LEDs betreiben. Dazu ist eine geschickte Schaltung notwendig.

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Treiben von LEDs: Mit den günstigen und flexibel einsetzbaren Spannungswandlern lassen sich Leuchtdioden treiben.
Treiben von LEDs: Mit den günstigen und flexibel einsetzbaren Spannungswandlern lassen sich Leuchtdioden treiben.
(Bild: © Mykhailo Kovtoniuk - Fotolia)

Um das Jahr 2000 haben wir einen starken Entwicklungssprung der LED-Technik beobachtet. Es wurden LEDs mit hoher Leistung sowie weiße LEDs eingeführt. Damit verbunden gab es einen Schub an Stromversorgungsentwicklungen. Allerdings gab es in der frühen Zeit für viele Anwendungen noch keine spezifischen LED-Treiber-ICs. Somit musste ein Entwickler allgemeine Produkte aus der Spannungswandlung nutzen. Diese wurden mit externer Schaltung zu Stromquellen zum Treiben von LEDs umfunktioniert.

Das änderte sich in den folgenden Jahren: Mittlerweile gibt es eine große Auswahl an optimierten Stromversorgungs-ICs, um damit LEDs betreiben zu können. Trotzdem sind für viele Anwendungen auch heute noch ICs für die Spannungswandlung die beste Lösung zum Treiben von LEDs. Die Gründe sind verschieden. Da generelle Spannungsregler in sehr großer Auswahl zur Verfügung stehen, kann man häufig ein kostenoptimiertes Produkt verwenden. Ebenfalls ist es einfacher zwei Hersteller für ähnliche Bausteine zu finden. Außerdem kann in manchen Fällen eine leicht angepasste generelle Stromversorgungslösung besser zum System passen, als eine Lösung basierend auf einen spezifischen LED-Treiber-IC.

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Das Bild 1 zeigt eine einfache Lösung, um einen Spannungsregler in eine Stromquelle zum Treiben von LEDs umzuwandeln. Nachdem der Spannungsregler immer sicherstellt, dass die Spannung am FB-Pin eingehalten wird, lässt sich ein Strom mit dem Widerstand R1 einstellen. Der im Bild 1 gezeigte Schaltregler ADP2301 liefert am FB-Pin im Betrieb eine Spannung von 0,8 V. Dieser mit R1 eingestellte Strom fließt auch durch die LED. Hierbei handelt es sich um eine einfache Regelung mit einem großen Nachteil: Der Strom durch den Stromeinstellwiderstand R1 verursacht relativ hohe Verluste.

Wenn beispielsweise eine LED mit einer Leistung von 1 W eine Flussspannung von 3,6 V hat und mit 300 mA versorgt wird, dann verliert man über dem Stromeinstellwiderstand R1 bei einer Feedbackspannung von 0,8 V bei 0,24 W. Die LED benötigt eine Leistung von 1,08 W. Das entspricht einem Leistungsverlust in R1 von über 22% der genutzten Leistung in der LED.

Eine Schaltung ohne Operationsverstärker

Um die Verluste im Stromeinstellwiderstand R1 zu reduzieren, lassen sich ein Operationsverstärker und einige Widerstände hinzufügen, welche prinzipiell als Spannungsübersetzer funktionieren. Eine solche Schaltung ist in Bild 2 gezeigt. Der Stromeinstellwiderstand R1 führt den gleichen Strom wie das Beispiel aus Bild 1, jedoch bei einer sehr viel niedrigeren Spannung von beispielsweise nur 100 mV. Die Verluste durch den Widerstand betragen knapp 3%. Trotz funktionierender Lösung findet die Schaltung keine Anwendung, da neben dem hohen Platzbedarf die Kosten für den zusätzlichen Operationsverstärker sehr hoch sind.

Eine mögliche Lösung ohne Operationsverstärker ist in Bild 3 gezeigt. Zudem wird eine zusätzliche gut geregelte, positive Spannung benötigt, die höher ist als die Spannung FB-Pin, um den Spannungsabfall über dem Stromeinstellwiederstand R1 zu reduzieren. Allerdings ist der eingestellte LED-Strom ungenau, was mit einer ungenauen Referenzspannung einhergeht.

Hinzu kommt, dass die Referenzspannung erzeugt werden muss. Bei einigen Spannungsreglern steht eine zusätzliche positive Spannung zur Verfügung. Viele Spannungsregler, wie beispielsweise der ADP2441, bieten einen VCC-Anschluss. Er führt eine feste Spannung, welche vom internen Low Drop Out (LDO) des Schaltreglers generiert wird. Mit dieser Spannung werden die Funktionsblöcke des Schaltregler ICs versorgt.

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Auch möglich: LEDs mit Stromsenken steuern

Werden LEDs über eine Stromsenken angesteuert, dann lässt sich ihr Strom genau regeln und die Schaltzeiten der LEDs im Dimm-Betrieb mit der Pulsweitenmodulation sind kurz. Damit stellt dieses Prinzip eine weitere Möglichkeit dar, LEDs zu betreiben. Der Text zeigt drei Konzepte auf, die nach dem Prinzip der Stromsenke zwischen Kathode und der Systemmasse arbeiten und zudem noch mehrere Stromsenken zum Treiben von mehreren LED-Ketten zur Verfügung stehen. Mehr finden Sie unter der Beitragsnummer: 42627512

Das Bild 3 zeigt, wie mit dem VCC-Pin und zwei Widerständen über R1 der Spannungsabfall auf 100 mV gesenkt werden konnte, während der FB-Pin des Schaltreglers weiterhin 0,6 V regelt. Beim ADP2441 beträgt die VCC-Spannung ungefähr 5 V. Allerdings ist diese nicht sehr genau geregelt und in den Datenblättern der ICs ist die Spannung ungenau spezifiziert. Das hat zur Folge, dass die LED-Ströme nicht genau geregelt werden können. Ist in einem System bereits eine Spannungsreferenz vorhanden, sollte diese anstelle von VCC genutzt werden. In manchen Fällen ist es sinnvoll, eine günstige kleine Spannungsreferenz für diesen Zweck bereitzustellen. Das ist dann sinnvoll, wenn die Kosten niedriger sind als für einen Operationsverstärker (Bild 2).

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