Ansteuerelektronik Wie sich LEDs mit Stromsenken steuern lassen

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

LEDs lassen sich auf unterschiedliche Art ansteuern. Werden sie über Stromsenken gesteuert, lässt sich der Strom sehr genau regeln und die Schaltzeiten der LEDs im Dimm-Betrieb mit PWM sind kurz.

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Unterschiedliche Arten, um eine LED mit Strom zu versorgen. Werden LED-Ketten über eine elektronische Last betrieben, lässt sich ihr Strom sehr genau regeln.
Unterschiedliche Arten, um eine LED mit Strom zu versorgen. Werden LED-Ketten über eine elektronische Last betrieben, lässt sich ihr Strom sehr genau regeln.
(Analog Devices)

Es klingt einfach: Damit Leuchtdioden leuchten, benötigen sie einen Stromfluss. Dieser kann im einfachsten Fall mit einer festen Spannung und einem Stromeinstellwiederstand erzeugt werden. Allerdings ist der Strom dann nur ungenau eingestellt, da sowohl die Versorgungsspannung als auch die Flussspannung der LED in praktischen Anwendungen variieren. Dadurch verändert sich der Strom durch die LED, welcher sowohl die Helligkeit als auch die Farbtemperatur beeinflusst.

Die einfachste Variante ist in Bild 1 links gezeigt. Eine Stromquelle kann wie im mittleren Teil von Bild 1 gezeigt durch eine Spannungsquelle sowie einen Strommesswiderstand, welcher einen Stromfluss in eine Spannung überträgt, implementiert werden. Hier ist der Vorteil, dass der Strom durch die LED aufgrund der Regelschleife genau eingestellt wird. In der Praxis führt das zu einer steuerbaren Farbtemperatur der LED. Ganz rechts in Bild 1 ist die Möglichkeit dargestellt, mehrere LEDs von einer Spannungsquelle mit jeweiligen Stromsenken zu steuern. Damit hat man die Möglichkeit, mehrere parallele Leuchtdioden oder sogar Ketten von Leuchtdioden mit gleichen Strömen zu betreiben.

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Bis zu vier verschiedene Stromquellen für die LED

Das Bild 2 zeigt einen neuen LED-Treiber, welcher eine Stromsenke für bis zu vier LEDs oder Ketten von LEDs enthält. Der Strom lässt sich auf unterschiedliche Arten einstellen. Mit dem Baustein ADP8140 von Analog Devices werden vier Stromquellen zur Verfügung gestellt, welche jeweils für bis zu 500 mA ausgelegt sind. Die LED-Ketten können eine Länge von bis zu 100-V-Abfallspannung erreichen. Außerdem ist es möglich, mehrere Stromquellen parallel zu schalten, um die Stromfähigkeit zu erhöhen. Alle Stromquellen im ADP8140 stellen sich immer auf einen programmierbaren Strom ein. Am Pin FB_Out wird eine Spannungsquelle so geregelt, dass die LED-Kette mit der höchsten Abfallspannung mit dem gewünschten Strom betrieben werden kann. Durch diese Regelung wird die LED so effizient wie möglich betrieben. Es lassen sich auch mehrere Bausteine parallel betreiben, um beliebig viele Stromquellen mit einer Spannungsquelle zu versorgen.

Wenn die unterschiedlichen LED-Ketten nur kleine Abweichungen der gesamten Flussspannungen haben, wird in den Stromsenken nur wenig Energie in Wärme umgewandelt. Haben die verschiedenen LED-Ketten große Abweichungen der gesamten Flussspannungen, wird die Spannungsquelle so eingestellt, dass auch die LED-Kette mit der höchsten gesamten Flussspannung mit dem eingestellten Strom betrieben werden kann. Hierbei wird in den Stromsenken der anderen LED-Ketten mehr Energie in Wärme umgewandelt.

Die Spannungsquelle in Bild 2 kann ein typisches AC/DC-Netzteil, ein DC/DC-Schaltregler, Linearregler sowie ein einfacher P-Kanal MOSFET sein. Die Auswahl des Spannungsreglerkonzeptes hängt vom Anwendungsgebiet ab. Aufgrund der möglichen hohen Ströme kommen Linearregler sowie einfache P-Kanal MOSFETs als Spannungsquelle nur in Frage, wenn die Eingangsspannung des Systems sehr nahe an der gesamten Flussspannung der LED-Ketten liegt. Der ADP8140 ermöglicht es, beliebige Spannungsquellen für die präzise Ansteuerung von LEDs einzusetzen.

Die Stromquellen im Baustein können sowohl pulsiert (PWM-Dimmung) als auch im DC-Wert programmiert werden. Da beide Einstellungen gleichzeitig und unabhängig voneinander angepasst werden können, eignet sich der IC besonders für den Aufbau von geschlossenen optischen Regelschleifen, bei welchen sowohl die Helligkeit als auch die Farbtemperatur unterschiedlicher LED-Lampen aufeinander abgestimmt werden können.

Wenn mehr als vier Kanäle notwendig sind

Neben den Stromsenken enthält der IC verschiedene Überwachungsfunktionen für ein robustes LED-System. So erkennt das System eine Überspannung an der Spannungsversorgung. Sowohl die Temperatur des ADP8140 als auch die Temperatur der LED-Leuchte wird mithilfe eines NTC-Widerstands erkannt. Es besteht ein Schutz vor Kurzschlüssen sowie Leitungsunterbrechungen in den LED-Ketten. Das System erkennt Fehler über einen Power-Good-Pin. Damit lässt sich die Schaltung auch dort verwenden, wo es auf Zuverlässigkeit ankommt. Benötigt eine Anwendung mehr als vier LED-Ketten, können durch weitere ICs Kanäle hinzugefügt werden. Damit ist das gesamte System einfach skalierbar. Dazu schließt man die Kompensationspins der einzelnen ICs zusammen und verbindet diese mit dem FB-Eingang des Spannungsreglers. Der Spannungsregler generiert so genau die Spannung welche notwendig ist, um die LED-Kette im System mit der höchsten Gesamtflussspannung zu betreiben.

Wenn mehr als 200 mA notwendig sind

Ein Beispiel für die Integration einer LED-Stromsenke und einem Boost-Kontroller ist in Bild 3 dargestellt. Es handelt sich um eine Lösung für bis zu vier LED-Ketten mit einen Strom von je 200 mA pro Kette. Die Ketten lassen sich zusammen fassen, um höhere Ströme als die jeweiligen 200 mA zu ermöglichen. Der Boost-Kontroller steuert einen externen N-Kanal-MOSFET an. Dieses Konzept ist höher integriert, als die Lösung in Bild 2. Allerdings ist diese Lösung nicht mehr flexibel. Die Eingangsspannung muss immer niedriger sein als die maximale Abfallspannung (gesamte Flussspannung) der LED-Ketten. Als höchsten Wert kann die Eingangsspannung 40 V betragen. Die maximale Abfallspannung der LED-Ketten darf 90 V betragen.

Ein weiteres Beispiel zum Ansteuern von LEDs mit einer Stromsenke ist in Bild 4 dargestellt. Hier wird der Baustein ADD5203 verwendet, um bis zu 104 LEDs mit jeweils 30 mA anzusteuern. Dabei ist eine Regelung wie im ADP8140 integriert, die kombiniert ist mit einem Boost-DC/DC-Wandler. Diese Integration ist wie die Lösung in Bild 3 für Eingangsspannungen unterhalb der gesamten Flussspannung der LED-Ketten konzipiert. Neben der integrierten Schaltung sind nur sehr wenige externe Bauteile notwendig. Es lassen sich bis zu acht Kanäle ansteuern. Werden mehrere Kanäle zusammengefasst, erhält man höhere Ströme als die 30 mA pro Kanal.

Alle drei Konzepte arbeiten nach dem Prinzip von Stromsenken zwischen der Kathode und der Systemmasse und es stehen mehrere Stromsenken zum Treiben von mehreren LED-Ketten zur Verfügung. Die unterschiedlichen Ketten führen den gleichen Strom. Es wird jeweils eine Spannungsquelle dynamisch so geregelt, dass immer die minimal notwendige Spannung für die LED-Kette mit der höchsten Abfallspannung bereitgestellt wird. Dadurch wird eine hohe Leistungseffizienz erreicht. Außerdem lässt sich der Strom schnell verändern, um die Helligkeit per PWM einzustellen.

* Frederik Dostal arbeitet als Regional Marketing Manager für Power-Management-Produkte bei Analog Devices in München.

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