LED regeln und steuern Wie ein LED-Treiber aktiv die Farben eines DLP-Projektors regelt

Autor / Redakteur: Jeff Gruetter und Kevin Jensen * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Hochstrom-LEDs eignen sich dank ihrer Helligkeit für DLP-Projektoren. Die Farben werden von Sensoren gemischt und der LED-Treiber überwacht aktiv die Farben des abgegebenen Lichts.

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DLP-Anwendung: Der True-Color-Sensor MTCSiCF im QFN16-Gehäuse ist mit einer Filterfunktion ausgestattet und auf das Farbempfinden des menschlichen Auges ausgelegt.
DLP-Anwendung: Der True-Color-Sensor MTCSiCF im QFN16-Gehäuse ist mit einer Filterfunktion ausgestattet und auf das Farbempfinden des menschlichen Auges ausgelegt.
(Bild: MAZeT)

Mit der LED in der Beleuchtung für Haushalt, Gewerbe und Industrie lässt sich die Leistungsaufnahme um 88 Prozent senken. Weiße LEDs ersetzen auch Kaltkathodenröhren, die bisher Flachbildschirme beleuchteten. Man kann sie lokal dimmen und so Kontrastverhältnisse von über 7 Millionen zu 1 erzielen, das ist um Größenordnungen besser als bei einem Bildschirm, der von Kaltkathodenröhren beleuchtet wird. Ein homogenes Licht zu erzeugen ist nicht einfach. Vor allem nicht dann, wenn die verwendete Steuerelektronik von verschiedenen Herstellern stammt, speziell wenn die LEDs dynamisch gesteuert werden sollen.

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Das Problem der Lichtqualität beim Wechsel der LED

Früher kaufte man üblicherweise eng tolerierte, ausgesuchte LEDs. Das ist allerdings eine teure Lösung. Im Rahmen von Projekten steigert das die Kosten erheblich: Eng tolerierte LEDs sind nur begrenzt verfügbar, es stellt sich das Problem der Ersatzteilhaltung, und es kann sein, dass die gleiche Lösung kein zweites Mal reproduzierbar ist.

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Viele Hersteller, unterschiedliche Lichtfarben

Das Problem ist bekannt: Die Farben und Helligkeiten von LEDs unterschiedlicher Hersteller weichen ab. MAZeT bietet dafür seine RGBW-Cube an. Mit dem Spotlight-Demonstrator ist es möglich, dass die LEDs von unterschiedlichen Herstellern zusammen mit Sensoren von MAZeT problemlos das gleiche Erscheinungsbild der LED-Leuchte in Bezug auf Lichtfarbe und Helligkeit bieten. Diese bleibt zusätzlich über Temperatur und Lebensdauer stabil und kompensiert den Helligkeitsverlust infolge der Alterung. Die mit SmartMesh-Technologie vernetzten RGBW-Cubes sind mit LEDs unterschiedlicher Hersteller bestückt.

Eine Kostenersparnis durch den Wechsel der eingesetzten LED oder des Herstellers sind kritisch, denn Farbe und Helligkeit von LEDs hängen sehr stark von dem verwendeten Herstellungsverfahren, dem Leuchtstoff, der Alterung und der Betriebstemperatur ab. Muss man in größeren LED-Installationen später eine defekte LED austauschen, steht man manchmal vor unvorhersehbaren Problemen bezüglich Lichtqualität und -homogenität, auch wenn man hochqualitative LEDs verwendet.

Die Helligkeit sinkt beispielsweise um fast 40 Prozent, wenn die Betriebstemperatur von 5 auf 70 °C steigt. Wird das Licht aus verschiedenen LEDs gemischt, verschieben sich die Farbwahrnehmung und Helligkeit. Außerdem muss der Anwender entscheiden, wie er die Lichtquelle je nach Temperatur und Druck kalibriert, um die gewünschte Lichtfarbe zu erhalten. Speziell in größeren Projekten mit vielen Lichtquellen ist es schwierig, die Lichtfarbe langfristig stabil zu halten. Auch der unerfahrene Betrachter erkennt Farbunterschiede und ungleiche Lichtverteilung bei Lichtpunkttoleranzniveaus von ΔE = 2,5 bis 3.

Eine Hochstrom-LED für einen DLP-Projektor

Mit der Einführung von Hochstrom-LEDs kamen weitere Hochleistungsanwendungen in Reichweite, bei denen Glühlampen mit relativ geringem Wirkungsgrad ersetzt wurden. Das gilt beispielsweise für die Illumination von Gebäuden und für Videoprojektoren. Bisher hat man für diese Anwendungen Halogenlampen mit Leistungen von 500 bis 1000 W eingesetzt. 20-A-LEDs bieten den gleichen Lichtstrom [lm]. Für die Illumination von Gebäuden muss der LED-Treiber einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen und einen breiten Dimmbereich, damit der abgegebene Lichtstrom weitgehend unabhängig von den Umweltbedingungen konstant gehalten werden kann.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft LED- und OLED-Beleuchtungstechnik II erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Hochleistungs-DLP-(Digital-Light-Processing-)Projektoren sind bisher stets mit leistungsfähigen Glühlampen gebaut worden. In Verbindung mit einem Farbrad und einer Anordnung von beweglichen Mikrospiegeln konnten sie ein recht hochauflösendes Bild projizieren. Viele der Projektoren arbeiten mit Glühlampen mit Leistungen von 500 W oder 5 kW, deswegen ist die Wärmeabfuhr bei ihnen ein zentrales Designproblem. Auch mit gutem Kühlsystem mit ständigem Luftstrom leben die Projektionslampen nur relativ kurz. Sie zu tauschen ist teuer. Neue Designs arbeiten statt mit einer leistungsstarken Glühlampe, Farbrad und Mikrospiegeln mit einer Anordnung vieler Hochstrom-RGB-LEDs. Das reduziert die Wärmeentwicklung erheblich, verbessert die Farbmischung und erhöht das Kontrastverhältnis sowie die Auflösung.

Um allerdings die gewünschte Leistung zu erreichen, braucht man ein spezielles Design des LED-Treibers. Dieser muss erstens einen Dauerstrom von 20 A und gepulste Ströme bis 40 A an die LED liefern können. Zweitens muss sein Wirkungsgrad über 90 Prozent liegen, um die Wärmeentwicklung zu minimieren. Schließlich muss er ohne Unterbrechung schnell und genau zwischen drei wohldefinierten Stromzuständen hin- und herschalten können, damit bei der Farbmischung ein breiter Dynamikbereich erreicht wird.

Die Farben in DLP-Anwendungen mischen

In High-End-DLP-Projektoren ersetzt eine Anordnung von roten, grünen und blauen LEDs die herkömmliche Konstruktion, die bislang aus Halogenlampe, Farbrad und Mikrospiegeln bestand. Damit allerdings die Farbmischung stimmt, muss ein LED-Treiber schnell und ohne Unterbrechung zwischen zwei unterschiedlichen geregelten Spitzenströmen umschalten und darüber ein PWM-Dimming legen können. Solche Systeme überwachen aktiv die Farbe des abgegebenen Lichts und regeln die LEDs mit einem Mikrocontroller auf den gewünschten Farbton ein. Dazu sendet der Mikrocontroller Steuersignale direkt an die LED-Treiber.

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Die vorgestellte Lösung unterscheidet sich von der ungeregelten Option durch einen Farbsensor, der abhängig vom Lichtkonzept RGB- oder andere Farbwerte zu einem Mikrocontroller schickt, der wiederum direkt den Lichtstrom der LEDs steuert. Die Software des Mikrocontrollers vergleicht Ist- und Sollwerte und schickt ein Korrektursignal an die LED-Treiber. Dieses Verfahren funktioniert bei jeder LED-Lichtquelle, bei RGB, RGBW oder RGBx, und in verschiedenen Anwendungen. Ein weiterer Vorteil für DLP-Projektoren ist, dass man mit diesem Verfahren die Startzeit drastisch reduzieren kann, denn die Regelung kompensiert den Einfluss der Temperatur auf die Lichtfarbe.

Ein Interferenzfilter für spezielle Wellenlängen

Der MTCSiCF ist ein True-Color-Sensor-IC mit einer Filterfunktion basierend auf CIE1931/DIN5033, dem Farbempfinden des menschlichen Auges, in einem QFN16-Gehäuse. Der Sensor-IC ist stabil über die gesamte Produktlebensdauer und dank eines speziellen Interferenzfilters von MAZeT unempfindlich gegen Einflüsse wie etwa Temperaturdrift. Das Geheimnis hinter den Sensoren ist die Interferenzfiltertechnik. Die Interferenzfilter mit Mikrostapeln sorgen dafür, dass nur spezielle Wellenlängen den Detektor erreichen. Bezüglich der Wellenlänge zeigen sie keine zeitliche oder temperaturabhängige Drift. Anders als die üblicherweise in Farbsensoren eingesetzten Absorptionsfilter hängt die Interferenzfiltertechnik nicht von Filtermaterialien ab, deren Eigenschaften sich verschlechtern können.

Sie sind daher für eine langzeitstabile Kompensation und Korrektur von speziellen Farbwerten wie Farbtemperatur, Helligkeit oder Koordinaten der Farbe geeignet. Hohe Transmission, verbunden mit starker Dämpfung jenseits des 95-Prozent-Punktes, sind in anspruchsvollen Anwendungen und Umgebungen hoch genau. Die True-Colour-Sensoren können in Farbregelkreisen von LED-Systemen eingesetzt werden und erreichen eine Genauigkeit von bis zu 1 bis 2 Mac-Adams-Ellipsen.

Bei dem MCDC04 handelt es sich um einen vierkanaligen Analog-Digital-Wandler mit einer Auflösung von 16 Bit und I²C-Schnittstelle. Er arbeitet nach dem Ladungsbilanzverfahren und hat eine Empfindlichkeit von 20 fA/LSB bei einem Dynamikbereich von 1 zu 1 Million. Der Signalaufbereitungs-IC ist temperaturkompensiert und kann von außen über PWM synchronisieren.

Synchron-Abwärtswandler für Hochstrom-LEDs

Der LT3743 ist ein Synchron-Abwärtswandler für Hochstrom-LEDs. Mit einer Eingangs-Spannung von 5,5 bis 36 V eignet sich das Bauteil für industrielle Anwendungen, in DLP-Projektoren und für die Illumination von Gebäuden. Er liefert bei einer Eingangsspannung von 12 V einen Dauerstrom von bis zu 20 A und hat eine Ausgangsleistung von mehr als 80 W.

In Anwendungen mit gepulstem LED-Strom kann die Schaltung bis zu 40-A-LED-Strom liefern oder 160 W aus einer Eingangsspannung von 12 V. Bei einem Wirkungsgrad von 95 Prozent muss auch nicht extern gekühlt werden. Über einen Pin lässt sich die Schaltfrequenz zwischen 100 kHz und 1 MHz programmieren und die Größe der extern notwendigen Bauelemente lässt sich damit ebenfalls minimieren. Der Abwärtswandler-Baustein ist in einem 4 mm x 5 mm großen QFN- oder einem TSSOP-28-Gehäuse verbaut.

* Jeff Gruetter ist Senior Product Marketing Engineer, Power Products bei Linear Technology. Kevin Jensen ist für International Sales & Marketing bei MAZeT verantwortlich.

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