Spannungsreduzierung
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Schaltungen von LED http://www.atx-netzteil.de/strombegrenz_spannungsreduz_led_anschluss.htm Strombegrenzung: Blatt 1 Sollen geringe Gleichströme begrenzt werden, z.B. damit eine LED an verschiedenen Spannungen immer gleich hell ist, bietet sich die Schaltung mit dem BF 245 an. (N-Kanal-Sperrschicht-FET = Junction-FET = JFET) Spannungsreduzierung: Wenn es sich nur um einige Milliampere handelt und die Genauigkeit keine große Rolle spielt, kann man Spannungen einfach durch Vorschalten von Dioden reduzieren. (auch mehrere Dioden in Reihe) Im Unterschied zum Vorschalten eines (Vor-)Widerstandes ändert sich beim Vorschalten einer Diode die Spannung bei geringfügigen Änderungen des Stroms nicht gravierend. Eine Schottky-Diode bringt in Durchflußrichtung meistens einen Spannungsabfall von 0,2 Volt, eine Silizium-Diode 0,6 Volt. Anders ist es bei der Verwendung von Zenerdioden. Die werden in Sperrrichtung geschaltet. Die Spannung reduziert sich um den Wert, welcher auf der Zenerdiode aufgedruckt ist. (nebenbei bemerkt: dies ist nicht das eigentliche Anwendungsgebiet von Zenerdioden und die Bezeichnung hat nichts mit der Zahl "Zehn" zu tun) Blatt 2 Herkömmliche Gleichstrombegrenzung mit 2 PNP-Transistoren. Handelt es sich um höhere Spannungen über 30 V, ist der BF 245 nicht geeignet. Dann verwendet man die Schaltung mit NPN-Transistoren. Der BC546 verkraftet Spannungen von 80 Volt. Die Schaltung arbeitet sogar noch mit 1,5 Volt zufriedenstellend. Blatt 3 Gleich- und Wechselstrombegrenzung mit dem BF 245. Allgemein: Für Festströme von 2,5 mA nimmt man den BF 245A, für 8 mA den BF 245B und für 20 mA den BF 245C. Weitere Bauteile sind nicht erforderlich. Soll der Strom einstellbar sein, kommt lediglich ein Miniatur-Trimmer 2,5 k-Ohm hinzu. Der so begrenzte Strom ist von 2 - 30 Volt nahezu gleichbleibend. (bei der einstellbaren Variante gilt das ab ca. 6 Volt, darunter ist der Strom erkennbar spannungsabhängig) Wichtig ist, daß die Maximalleistung des BF 245 (0,3 Watt) nicht überschritten wird. z.B 20 mA U = N : I = 0,3 : 0,02 = 15 Volt oder bei 30 Volt I = N : U = 0,3 : 30 = 0,01 A = 10 mA Blatt 4 Eine Strombegrenzung mit LED-Spannungsreferenzen. Sehr präzise, mit Grob- und Feineinstellung. LED_Schaltungen.doc LED_Schaltungen.doc LED_Schaltungen.doc LED_Schaltungen.doc LED_Schaltungen.doc http://www.weli.org/themen/technik/Licht/elektronik-lichttechnik.html LED-Ansteuerung Vorbemerkungen: Zur Ansteuerung von LEDs können verschiedene Verfahren angewendet werden, welche jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Am Fahrrad bietet sich der Dynamo selbst als Strombegrenzer an. Der Wechselstrom, ggf. abweichende LED-Belastbarkeiten und der gleichzeitige Betrieb von Vorder- und Rücklicht machen aber dennoch eine Ansteuerelektronik notwendig. Sollen LEDs dennoch auch per Akku betrieben werden, dann ist hierfür eine Strombegrenzung nötig (in Akku-LED-Lampen meist bereits integriert). Fehlt eine LED-Strombegrenzung, bzw. ist die Elektronik nur für Dynamobetrieb ausgelegt, dann gibt es unterschiedliche Möglichkeiten externer Beschaltung, vom einfachen Vorwiderstand bis zum Schaltregler. Mit Schaltreglern wollen wir uns hier aber nicht befassen, sondern mit sehr einfach aufgebauten Strombegrenzungen beginnen. LED-Gleichstrombegrenzungen (Eigenkonstruktionen): ACHTUNG: Gesetzliche Vorschriften lassen nicht alle Lampen und Stromversorgungen im Straßenverkehr zu. Alle Bastelarbeiten, Änderungen usw. auf eigene Gefahr! Die nachfolgend aufgeführten Schaltungen hat Martin entwickelt, um seine LED-Dynamolampe ("LUMOTEC IQ Fly") an einem Akku zu betreiben. In diesem Beispiel gehen wir also von einer Strombegrenzung bei knapp 400 mA, und einer Akkuspannung von ca. 8 V aus, um annähernd die volle Helligkeit der Lampe zu erreichen. Für andere Lampen und Akkuspannungen lassen sich die Schaltungen in Grenzen auch betreiben bzw. anpassen (Details in der jeweiligen Schaltungsbeschreibung). Grundsätzlich gilt für diese Schaltungen (korrekte Justage vorausgesetzt): - Eine relativ gleichmäßige Helligkeit wird erreicht, wenn am Eingang der Schaltung eine Spannung anliegt (z.B. vom Akku), die mindestens 0,2 V über der benötigten Lampenspannung liegt. Die Schaltung muß so justiert werden, dass auch bei höheren Spannungen oder veränderlicher Belastung, der zulässige Strom nicht überschritten wird (Schaltung begrenzt). Eine ev. zu hohe Akkuspannung wird in Wärme "verbraten". - Der höchste Wirkungsgrad ( bis knapp 95 % ) wird erreicht, wenn die Schaltung den Strom nicht begrenzt (also z.B. bei zu geringer Akkuspannung) Da sich diese beiden Eigenschaften widersprechen, mußt du den richtigen Kompromiß für deine persönlichen Bedürfnisse finden. Martin hat im Laboraufbau zunächst mit einer einfachen Schaltung (Schaltung 1) begonnen, und diese für höhere Ansprüche erweitert (Schaltung 2 und 3). Schaltung 3 ist an seinem Liegerad im Einsatz. Auf dieser Seite werden die 3 Schaltungsvarianten vorgestellt: Schaltung, Variante 1 erfüllt bei geringem Bauteilaufwand einfache Ansprüche Schaltung, Variante 2 hat eine wirksamere Strombegrenzung (mehr Sicherheit) Schaltung, Variante 3 hat 3 Ausgänge, Akkuschutz und viele Einstellmöglichkeiten LED_Schaltungen.doc Schaltung, Variante 1: Eigenschaften der Schaltung Das Diaramm zeigt das Verhalten der Schaltung am Prüfwiderstand bei schwankenden Betriebsspannungen. Die Betriebsspannung ist nur einer von vielen externen Faktoren, welche den Ausgangsstrom der Schaltung beeinflussen können. Das Verhalten verschiedener Schaltungen unter schwankenden Ausgangslasten wird später gezeigt. (siehe die Diagramme im Kapitel Variante 2 und 3). weitere Details zu den Schaltungseigenschaften und zum Diagramm anzeigen alle Eigenschaften der Schaltung einblenden Schaltungsbeschreibung und Montagetips Prüfung und Justage Schaltung, Variante 2: LED_Schaltungen.doc Eigenschaften der Schaltung Vergleich Schaltung 1 mit Schaltung 2: Bei Schaltung 1 steigt der Ausgangsstrom noch recht deutlich mit zunehmender Betriebsspannung und Ausgangsbelastung an. Bei der Schaltung 2 soll dieses Problem vermindert werden. Je nach Bauteilauswahl kann der Ausgangsstrom mit steigender Betriebsspannung oder Belastung sogar sinken bzw. ganz abschalten (elektronische Sicherung). Martin hat einen Kompromiß gewählt, bei dem eine kleine Delle in der Kennlinie auftritt. Für weitere Details beachte bitte das Diagramm und die Schaltungsbeschreibung. Besonders bei schwankender Ausgangslast wird der Unterschied der Schaltungen deutlich ( Vergleich der dicken Linien mit den gestrichelten Linien. Zum Vergleich wird hier mit der roten Linie auch das ungefähre Stromaufnahmeverhalten eines LED_Schaltungen.doc kalten LED-Scheinwerfers "LUMOTEC IQ Fly" (Dynamoversion) gezeigt, wenn er ohne Schutzmaßnahmen an Gleichspannung betrieben wird (das wichtige Warmlaufverhalten der Lampe blieb hier unberücksichtigt) . alle Eigenschaften der Schaltung einblenden Schaltungsbeschreibung und Montagetips Prüfung und Justage Schaltung, Variante 3: Schaltplan groß im neuen Fenster darstellen... Hinweis: Der groß dargestellte Schaltplan ist vermutlich breiter als dein Bildschirm. Dein Browser wird vielleicht den Schaltplan automatisch an die Bildschirmgröße anpassen, wodurch der Plan ggf. unleserlich werden kann. In diesem Fall deaktiviere bitte die Bildschirmanpassung, bzw. lasse den Plan per Maus-Funktion in voller Größe anzeigen. Beschreibung zum oberen Bild: Über dem Masseanschluß wurde ein zusätzlicher Transistor (T1) und ein Widerstand (R2) zeichnerisch angedeutet. Diese Verbesserung hat Martin nach praktischen Tests auf seiner Schaltung nachträglich eingebaut. Im Schaltplan ist diese Verbesserung bereits berücksichtigt. Die Kühlfahne des Spannungsreglers "L7905CV" hat Martin aus Platzgründen abgetrennt. LED_Schaltungen.doc Eigenschaften der Schaltung Das oben dargestellte Diagramm zeigt die Betriebsspannungsabhängigkeit der Kennlinien von Ausgang 1 und 2 bei mittlerer Kennlinienkorrektur mittels P2.1 bzw. P2.2. blaue Linie: Akkuschutz abgestellt ( P1) grün-gestrichelte Linie: Akkuschutz justiert ( P1, Einstellung vom Akku abhängig) LED_Schaltungen.doc rote Linien: Zum Vergleich wird hier das ungefähre Stromaufnahmeverhalten eines LED-Scheinwerfers "LUMOTEC IQ Fly" (Dynamoversion) gezeigt, wenn er ohne Schutzmaßnahmen an Gleichspannung betrieben wird . alle Eigenschaften der Schaltung einblenden Vergleich: In diesem Diagramm werden die Unterschiede der verschiedenen Schaltungsversionen, Ausgänge und Einstellmöglichkeiten verdeutlicht. Die grau-gestrichelte Linie zeigt den Stromverlauf des Prüfwiderstandes, wenn dieser ohne Schaltung betrieben würde. Der Ausgang 3 von Schaltung 3 (orange Linie) ähnelt stark der Schaltung 1(blaue Linie). Der Unterschied liegt hauptsächlich darin, daß in Schaltung 3 generell eine andere und präzisere interne Referenzspannung verwendet wird. Dort wo bei Schaltung 3 keine Angabe zum Ausgang gemacht wird, sind die Ausgänge 1 oder 2 gemeint. Lastverhalten LED_Schaltungen.doc zur Diagrammbeschreibung Energieverbrauchseigenschaften und Wirkungsgrade Schaltungsbeschreibung und Montagetips Prüfung und Justage und externes Beschaltungsbeispiel http://www.led-treiber.de/html/ldo-treiber.html LDO heißt Low-Drop-Out oder manchmal auch nur Low-Drop. Im Falle des LED-Treibers bedeutet das, dass die Differenz (der Spannungsabfall, die Treiber-Arbeitsspannung) zwischen Spannungsquelle (Batterie) und Verbraucher (LED) ggf. auch sehr gering sein darf bzw. dass die LED bei voller und leerer Batterie in einem gewissen Maß trotzdem einigermaßen gleichmäßig hell leuchtet, auch wenn die LED-Flussspannung knapp unter der Spannung der (leeren) Batterie ist. Normalerweise wird unter einem LDO-Regler immer ein linearer Regler verstanden - so auch hier. LED_Schaltungen.doc Bei einem "normalen" Linearspannungsregler liegt der erwähnte Mindestspannungsabfall in der Größenordnung >2V (Beispiel LM317T). Beim LDO-Spannungsregler sind es auf jeden Fall <1V, typ. sind 0,2V. Bei einem Stromregler (wie er zum Treiben einer LED nötig ist) kommt dann meist noch ein weiterer Spannungsbetrag dazu. Bei der nun folgenden Schaltung sind es insgesamt <0,5V, d.h. eine weiße oder blaue LED lässt sich damit schon ab ca. 4V Versorgungsspannung betreiben, nach oben (fast) keine Grenzen. Diskret aufgebauter LDO-Treiber mit Opto-Koppler (17.12.2003) Als Anfang einer Serie zunächst die Schaltung eines ziemlich einfachen (aber pfiffigen) diskret aufgebauten LDO-LED-Treibers. Die Schaltung besteht grundsätzlich aus der allgemein bekannten Gegeneinanderschaltung von zwei Stromquellen LED+R1+T1 und OK1+R2. Das Besondere dabei ist die Verwendung eines Optokopplers OK1 als zweite Stromquelle (ist eigentlich ein modifizierter Stromspiegel). Meist ist in dieser Konfiguration noch ein Widerstand zwischen den beiden Kollektoren vorhanden. Das Weglassen desselben bringt in diesem Vorschlag ausschließlich Vorteile! Überspannungsabschaltung Mit R3 wird bekanntermaßen dem Stromanstieg bei höheren Versorgungsspannungen entgegengewirkt. Weniger bekannt ist, dass man mit R3 auch eine Überspannungsabschaltung realisieren kann, indem man diesen ausreichend klein macht (typ. 10k) und den erwähnten Widerstand zwischen den beiden Kollektoren weglässt. LED_Schaltungen.doc Wird eine bestimmte Versorgungsspannung überschritten, schaltet der Treiber die LED einfach ab! Zum Wiedereinschalten muss die Versorgungsspannung ein ganzes Stück zurückgenommen oder ganz abgeschaltet werden. An dieser Stelle (mit R3) kann man also noch einiges selbst experimentieren, denn eine Berechnung dieser Schaltung ist aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Stromquellen nicht mehr ganz so einfach. Auch eine Möglichkeit des Herantastens und Verstehens wäre die Simulation dieser an sich sehr simplen Schaltung mittels SwitcherCAD III oder einem anderen Simulator. Die in der Schaltung angegebene Dimensionierung gilt unter Verwendung einer weißen bzw. blauen LED mit einer Flussspannung von ca. 3,3V @20mA. Verlustleistung Da wir es bei unserem diskreten LDO-LED-Treiber mit einem linearen Regler zu tun haben, müssen wir bei höheren Eingangsspannungen auf jeden Fall die Verlustleistung berücksichtigen - hier besonders im Optokoppler. Das heißt: ab einer bestimmten Vesorgungsspannung ist je nach LED-Strom endgültig Schluss. Und da kommt die erwähnte Überspannungsabschaltung wie gerufen! Andererseits ist der Sinn eines Lowdrop-LED-Reglers ja eine möglichst niedrige Versorgungsspannung (s.o.). Mit etwas anderer Dimensionierung1 kann man mit dieser Schaltung ohne weiteres auch eine 1W-Luxeon™-LED z.B. mit 50 mA treiben (ist auch noch ganz schön hell!). Genau so gut kann man damit auch SuperFlux™-LEDs mit 50mA treiben. In beiden Fällen ist aber bei etwa 9V Versorgungsspannung das Maximum der Gefühle erreicht, denn der Optokoppler beginnt dann deutlich warm zu werden ... Der optimale Einsatz des vorgeschlagenen LDO-LED-Treibers liegt bei 4 bis 5 Batterie/Akku-Zellen und einem LED-Strom bis 50mA. Steuereingang Ein weiteres praktisches Feature dieser Schaltung ist der im Schaltplan eingezeichnete Steuereingang: durch Kurzschließen der Optokoppler-Diode z.B. mittels Transistor T2 oder statt dessen mit einem Opendrain- bzw. Opencollector-Ausgang eines ICs kann man die LED abschalten (Anschluss ON mit Masse verbinden). Der nötige Steuerstrom an dieser Stelle ist äußerst gering (µA). (13.3.2004) LED_Schaltungen.doc Am selben Anschluss ON könnte man auch mittels PWM-Dimmschaltung eingreifen, indem man den Open-Kollektor-Ausgang PWM (dort Pin 8 und 9 für korrekte Funktion vertauschen) direkt anschließt und den Pullup-Widerstand (dort R5) des PWM-Dimmers weglässt. (26.12.2007) Nach demselben Prizip des LDO-Treibers mit Opto-Koppler arbeiten auch die Mini-LED-Treiber für kleine LED-Ströme, die aber genau genommen nicht zu den LDO-Treibern gehören, auch wenn die Mindestversorgungsspannung sogar kleiner ist als die Summe der LED-Flussspannungen (denn es sind zwei LEDStränge parallel geschaltet). nach oben LDO-Treiber mit Operationsverstärker und MOSFET (7.2.2005) Schon lange auf der Wunschliste meiner Besucher steht ein LDO-Treiber mit Operationsverstärker und MOSFET. Man sollte meinen, eine solche Schaltung ist allgemein bekannt, jedoch weit gefehlt! Deshalb hier nun endlich ein einfacher Vorschlag (gleich mit Dimm-Option) realisiert mit Standard-Bauteilen, die es normalerweise auch beim HobbyLieferanten2 gibt. LED_Schaltungen.doc Dieser LDO-Treiber benötigt einen Spannungsspielraum von etwa 0,5V über der LED-Flussspannung und kommt bevorzugt bei Batterie/Akku-Versorgung nach folgender Tabelle (NiCd/NiMH-Akkus und weiße/blaue 1W-Luxeon™-LEDs als Beispiel) mit den angegebenen Wirkungsgraden (Best-Case) zum Einsatz: Zellen min. nominal LEDs max. nominal min. 4 4V 4,8V 1 87% 73% 58% 5 5V 6,0V 1 70% 58% 46% 8 8V 9,6V 2 87% 73% 58% 11 11V 13,2V 3 95% 79% 63% Da bei einem frisch geladenen Akku die Spannung schnell von der Ladeschlussspannung (min. Wirkungsgrad) auf die Nominalspannung fällt, hat der Wirkungsgrad des LDO-Treibers je nach Akku/LED-Kombination und Ladezustand trotz Linear-Treiber durchaus akzeptable Werte. Man sollte sich dennoch nicht dazu verleiten lassen, diesen linearen LED-Treiber ohne ausreichende Kühlung des MOSFETs an zu hohen Versorgungsspannungen zu betreiben ... Falls Dimmung gewünscht ist, kann der PWM-Dimmer direkt am /PWM-DIMEingang (aktiv LOW) der Schaltung angeschlossen werden. Derselbe Anschluss kann natürlich auch als Enable-Eingang (ebenfalls aktiv LOW) dienen. LED_Schaltungen.doc Der Pull-Up-Widerstand (R5 bei der Dimmerschaltung, R7 in obiger Treiber-Schaltung) ist natürlich nur einmal nötig. Er wurde deshalb in obiger Schaltung auch eingezeichnet, damit er bei Verwendung eines anderen PWM-Dimmers mit Open-Kollektor- oder Open-Drain-Ausgang nicht vergessen wird. Denn sonst wird die aus R6, D1/D2, T2 und R5 bestehende Hilfsstromquelle beim PWMDimmen nicht sauber abgeschaltet. Diese 1,5mA-Stromquelle3 wird durch das PWM-Signal gepulst und versorgt so den 2,5V-Shunt-Regler IC2, dessen Spannung über R2/R3 auf den relativ niedrigen Vergleichswert von 115mV für die Stromfühlerspannung der Leistungsstromquelle IC1, T1 und R14 heruntergeteilt wird - immer schön mit dem PWM-Tastverhältnis getaktet. Das PWM-Signal darf auf seinem Weg zur Leistungsstromquelle IC1/T1 aber nicht durch störende Kapazitäten ausgebremst werden. Deshalb entfällt bei PWM-Dimm-Betrieb hier auch der sonst übliche Siebkondensator parallel zu IC2. Offset-Abgleich Damit die Luxeon™-LED(s) bei 0% Dimmgrad auch wirklich dunkel ist (sind), ist normalerweise mittels R4 ein Offset-Abgleich von IC1 nötig. Dieser kann entfallen (einfach R4 weglassen), falls kein Dimmen bis herab auf 0% bzw. kein Ein/Ausschalten des LED-Treibers mittels Steuer-Signal vorgesehen ist. Es scheint etwas aufwendig, die Spannungsreferenz umständlich über T2 anzusteuern. Das hat allerdings seinen Grund: Würde man z.B. den ShuntRegler IC2 nur mit einem Vorwiderstand betreiben und per PWM nach GND kurzschließen (technisch durchaus möglich), bliebe an dieser Stelle immer noch die Sättigungsspannung des schaltenden PWM-Transistors, die sich selbst nach Teilung durch R2/R3 besonders bei höheren Versorgungsspannungen kaum mehr durch den Offset-Abgleich an IC1 korrigieren ließe und schlimmstenfalls sogar nicht den gewünschten Maximalstrom für die LED erlauben würde. Schwingneigung bei großer kapazitiver Last Der TLC271 ist ein preisgünstiger CMOS-Operationsverstärker mit OffsetAbgleich-Möglichkeit, der in der Lage ist, die kleine Stromfühlerspannung von ca. 115mV in der Nähe des GND-Pegels zu verstärken. Allerdings neigt er bereits bei relativ kleinen kapazitiven Lasten zum Schwingen. Das Gate eines Leistungs-MOSFETs stellt jedoch eine vergleichweise große Kapazität im Bereich von (0,5...1,5)nF dar. C1 ist die raue aber herzliche Methode, IC1 bei kapazitiver Last das Schwingen abzugewöhnen. MOSFETs mit noch größeren Gate-Eingangskapazitäten sind aber auch damit nicht mehr beherrschbar. Es ist an dieser Stelle bei Verwendung anderer MOSFETs also Vorsicht angebracht - schlimmstenfalls riskiert man ein LatchUp von IC1 und anschließenden LED-Tod durch eine Stromüberdosis! LED_Schaltungen.doc Falls die Versorgungsspannung immer ≥5V ist bzw. mehr als nur eine Luxeon™LED getrieben wird, kann statt des empfohlenen IRLZ34N evtl. auch ein WeltWald-Wiesen-MOSFET BUZ10 oder BUZ11A mit höherer Gate-SourceSchwellspannung (<4V) verwendet werden. nach oben LDO-Treiber mit High-Side-Power-Switch (8.2.2009) Der nachfolgende LDO-LED-Treiber ist grundsätzlich geeignet für Versorgungsspannungen bis 5,5V, ist aber in erster Linie für Lithium-IonenAkkus mit 3,7V Nennspannung gedacht, deren Spannung einigermaßen gut zu LEDs passt, aber wegen dem geringen Spannungsspielraum zwingend einen Low-Drop-LED-Treiber voraussetzt. Aber auch bei Betrieb mit drei Akku/Batterie-Zellen (nominal bis zu 4,5V) sind bei ausreichend Wärmeabfuhr keine Probleme zu erwarten. Dennoch - wie bei jedem linearen LED-Treiber - immer die maximal auftretende Verlustleistung beachten! Wichtige Voraussetzung (17.2.2009) Falls eine Versorgung durch Akkus oder Batterien vorgesehen ist, unbedingt vorher überprüfen, ob die Spannungen von Akku bzw. Batterie und zu treibender LED auch wirklich zusammenpassen. Hierfür zunächst die LED-Flussspannung bei Nennstrom messen. Wenn die Akku/Batterie-Nennspannung bei Nennlaststrom (nicht die Leerlaufspannung in geladenem bzw. neuem Zustand) nicht wenigstens um 0,2V größer ist als die gemessene LED-Flussspannung, ist dieser LDO-Treiber für die ausgesuchte LED nicht geeignet. Strom begrenzt Diese durchaus interessante Variante eines LDO-LED-Treibers basiert auf einem High-Side-Power-Switch5 MIC2042 von Micrel, der eine einstellbare Strombegrenzung besitzt. Da diese aber eigentlich nur zum Schutz der Spannungsquelle und des Bausteins selbst gedacht ist, ist die exemplarabhängige Einstelltoleranz (nicht die Regelgenauigkeit!) des per Widerstand einstellbaren LED-Stroms nicht ganz so gut, wie man es sich gerne wünschen würde. D.h., dass man - je nach den gestellten Anforderungen - aufgrund der geringeren Reproduziergenauigkeit den LED-Strom ggf. durch Anpassung des strombestimmenden Widerstandes nachjustieren muss (siehe Abschnitt "Feintuning"). LED_Schaltungen.doc Aber dann ist dieser LED-Treiber ausgesprochen einfach und robust, da er neben einer integrierten Temperaturüberwachung (schaltet ggf. den LED-Strom vorübergehend automatisch ab) optional noch ein paar weitere praktische Eigenschaften hat. Indirekte Stromfühlung Bei LED-Treibern liegt der strombestimmende Widerstand (der "Stromfühlerwiderstand") meist im Hauptstrompfad, wird also vom LED-Strom direkt durchflossen. Durch die Stromfühlerspannung (= Spannung, die am Stromfühlerwiderstand abfällt) wird der minimale Spannungsspielraum erhöht, der schließlich einen guten LDO-Treiber ausmacht. Es gibt neben der direkten Stromfühlermethode aber auch indirekte Methoden der Laststrommessung ohne Stromfühlerverluste. Leider beträgt die Einstelltoleranz prinzipbedingt meist typisch 10% bis 20%6 (in seltenen Fällen darunter) gegenüber 1% bis 2% bei guten direkten Methoden. Dafür wird bei der indirekten Methode aber kein Spannungsabfall erzeugt, um den der Akku bzw. die Batterie deshalb tiefer entladen werden kann (beim Akku natürlich nur bis zur zulässigen Entladeschlussspannung) und damit länger Energie zum Treiben der LED liefert. Eine solche Methode wird auch beim MIC2042 angewandt. LED_Schaltungen.doc Power pur Der MIC2042 wurde wegen folgenden Eigenschaften aus einer größeren Familie von High-Side-Power-Switches ausgewählt: • • • • • für HB-LEDs passender Strombereich von 500mA bis >1A einstellbare Strombegrenzung geringer Spannungsabfall (Dropout-Spannung) integrierte Temperaturüberwachung kleines Gehäuse Im Schaltplan ist die Dimensionierung von R1 für LED-Ströme von 480mA bis 1A angegeben. Andere Werte (sowohl drunter als auch drüber) sind auch möglich, wobei bei größeren Strömen und vollem Akku die Verluste des LED-Treibers möglicherweise nicht mehr so gut abgeführt werden können. Als Folge würde bei größeren LED-Strömen die Übertemperatur-Sicherung (s.u.) ansprechen und aus dem LED-Konstantstrom-Treiber ein undefinierter LEDBlinker werden ... Wird der MIC2042 zur Stromversorgung einer USB-Schnittstelle im Schaltbetrieb verwendet, beträgt der Spannungsabfall bei 1A Laststrom über den Baustein immer <80mV. Im Strombegrenzungsbetrieb, wie er Voraussetzung für den LED-Treiber ist, benötigt er zur soliden Regelung des LED-Stromes dagegen wenigstens 200mV. Ist dieser Mindestspannungsspielraum aufgrund eines entladenen Akkus nicht mehr erfüllt, nimmt der LED-Strom stetig ab. So gesehen ist dieser Schaltungsvorschlag (wie jeder LED-Treiber) auch ein Strombegrenzer, nämlich auf den laut Formel bzw. Tabelle eingestellten LEDStrom. Feintuning des LED-Stroms (Nachtrag 9.2.2009) Um den gewünschten LED-Strom I_led ggf. etwas genauer einstellen zu können (falls der tatsächliche Wert wegen der exemplarabhängigen Einstelltoleranz des MIC2042 zu sehr von der Angabe im Schaltplan abweicht), muss man bei R1 nicht unbedingt ein Potenziometer vorsehen, sondern: • • • man wählt für R1 den nächst höheren Wert der E12-Normreihe misst den tatsächlichen LED-Strom I_ledm in der Zuleitung des LEDTreibers mit R1 und bei vollem Akku7 und schaltet zu R1 einen weiteren Widerstand R1’ parallel. Dieser Parallelwiderstand R1’ berechnet sich zu: R1’ = R1 / [(I_led/I_ledm) - 1] LED_Schaltungen.doc Den berechneten Wert muss man nicht akademisch genau nehmen, denn meist kommt man mit dem am nächsten gelegenen Widerstandswert der E12Normreihe ganz gut hin. Die in der angegebenen Formel nötige Bedingung I_led > I_ledm ist automatisch erfüllt, wenn man R1 groß genug gewählt hat. Akku-Standzeit verlängert Aufgrund der Strombegrenzung kann im Unterschied zu einem schlichten LEDVorwiderstand der LED-Strom bei vollem Akku geringer sein und erlaubt deshalb gemäß der verfügbaren Kapazität (mAh) des Akkus eine längere Stromentnahme bei konstantem LED-Nennstrom und schließlich eine längere Akku-Standzeit bis zur Entladung auf die Entladeschlussspannung (dann ggf. mit stetig abnehmendem LED-Strom). Extras Neben der bereits erwähnten chipinternen Temperaturüberwachung, die den LED-Strom bei Überhitzung vorübergehend abschaltet, gibt es beim MIC2042 einen Status-Ausgang (/FAULT), der sowohl den Übertemperatur-Status als auch den Konstantstrom-Betrieb anzeigt (jedoch sind diese beiden Zustände nicht direkt unterscheidbar). Bei der im Schaltplan angegebenen 8-Pin-Ausführung MIC2042-1YM steht neben diesem Status-Pin nur noch ein Enable-Pin zur Verfügung, mit dem man die LED durch ein digitales Steuersignal mit einem High-Pegel aktivieren oder per PWM dimmen kann. Für die umgekehrte Funktion (also mit Low-Pegel aktiv) gibt es die sonst gleiche Ausführung MIC2042-2YM. Dann sollte aber statt R3 ein Pull-DownWiderstand vorgesehen oder das EN-Pin bzw. das /EN-Pin fest mit VIN bzw. GND verbunden werden, falls diese Funktion nicht benötigt wird. Akku-Tiefentladung verhindert Eine weitere vorteilhafte Funktion des MIC2042 ist die integrierte Überwachung der Versorgungsspannung (also der Akku-Spannung) und der automatischen Abschaltung der Last (= LED) bei Unterspannung, sprich entladenem Akku, was schließlich eine Tiefentladung des Akkus verhindert. Die Akku-Überwachung wird gemäß Entladeschlussspannung des verwendeten Akkus mittels zweier Widerstände festgelegt und ist nur bei den beiden TSSOP14-Ausführungen MIC2041-1YTS bzw. MIC2041-2YTS verfügbar. Diese beiden im Schaltplan nicht dargestellten Ausführungen (mit anderem Pinout) sind zwar kaum größer als die beiden "kleinen" Ausführungen im SOP-8Gehäuse, dürften allerdings aufgrund der kleineren Pin-Abstände (ca. 0,66mm!) löttechnisch schon die Verarbeitungsgrenze eines Hobby-Elektronikers erreicht haben. LED_Schaltungen.doc Das Datenblatt des MIC2042 gibt es im Download-Bereich. nach oben LDO2-Treiber mit MIC29372 und Poti-Dimmer (15.3.2009) Dieser etwas aufwendigere LDO-LED-Treiber ist gleich doppelt "LDO" (deshalb LDO2), denn er verwendet LDOs (deren sogar gleich zwei) und hat als LEDTreiber auch LDO-Eigenschaften, die immer dann von Interesse sind, wenn zwischen LED-Gesamtflussspannung und minimaler Versorgungsspannung nicht viel Spielraum ist. Bei diesem Vorschlag mit einem MIC29372 beträgt dieser Spannungsspielraum minimal 0,9V bei maximalem LED-Strom von 750mA und maximalen Temperaturverhältnissen (125°C Chip-Temperatur). Da aber bei geringem Spannungsabfall über dem LDO wenig elektrische Verluste im LDO auftreten, wird auch die Temperaturerhöhung gering sein, so dass man im Normalfall sogar mit nur typisch 0,6V minimalem Spannungsspielraum rechnen kann. Das heißt, dass die Mindestversorgungsspannung nur ca. 0,6V über der LEDGesamtflussspannung (beim gewünschten Strom!) liegen muss. Mit 12V könnte man also leicht drei HB-LEDs in Serie betreiben, gegenüber nur zwei mit einem Nicht-LDO-Treiber. Aber der folgende Vorschlag bietet noch mehr. Gute Eigenschaften Der zum Treiben des LED-Stroms verwendete LDO MIC29372 kommt aus verschiedenen Gründen zum Einsatz: • • • • geringe Dropout-Spannung von typisch 0,4V bei 750mA Strom ausreichend für 700mA-LEDs geringer GND-Strom (falls LEDs abgeschaltet) Load-Dump-Schutz zum Einsatz im KFZ (max. 3 LEDs in Serie) Eine Eigenschaft passt aber nicht gerade zu einem LDO-LED-Treiber, nämlich seine Referenz-Spannung von 1,24V, die früher grundsätzlich bei Linearreglern üblich war, aber bei neueren LDOs immer öfter auch unter 1V liegt. Das macht aber nichts, denn auch 1,0V oder 0,7V oder gar nur 0,5V wäre noch immer nicht der gewünschte geringe Wert für die Stromfühlerspannung. Die Differenz macht’s Um eine noch kleinere Stromfühlerspannung von z.B. ca. 100mV zu erhalten, bildet man "ganz einfach" die Differenz zweier genauer Spannungen. Die Tücke dabei aber ist, dass diese beide möglichst bis auf die zweite Stelle hinter dem Komma (±1%) reproduzierbar genau sein sollten, wenn man den LED_Schaltungen.doc LED-Strom per Potenziometer linear bis herunter auf null einstellbar machen möchte. Und so schaut schließlich die doppelt LDO-basierende Lösung aus: Das Prinzip dieser Leistungs-Differenzstromquelle ist eigentlich fast dasselbe, wie beim Power-Poti-Dimmer, nur eben jetzt als Lowdrop-Ausführung. Damit man den LED-Strom mit dem Potenziometer R2 auch wirklich bis auf null einstellen kann (Maximum bei Rechtsanschlag Richtung R3!), muss die Referenzspannung des MIC5233 entweder genau gleich oder minimal größer sein als jene des MIC29372. Laut Datenblatt gilt das wenigstens für den typischen Wert, was aber nicht heißt, dass es für alle willkürlich kombinierten MIC5233/MIC29372-Paare gilt. Bei den im Schaltplan angegebenen vereinfachten Formeln für den LED-Strom und die Stromfühlerspannung wird angenommen, dass beide Referenzspannungen gleich sind. Restleuchten Aber selbst für den weniger wahrscheinlichen Fall, dass diese Bedingung nicht erfüllt ist und die LEDs bei Nullstellung noch geringfügig leuchten, gibt es eine einfache Abhilfe, nämlich der gestrichelt gezeichnete Widerstand R4, der ggf. einen kleinen Strom an den LEDs vorbei ableitet. LED_Schaltungen.doc Derselbe Trick wurde schon bei den Poti-Dimmer-Treibern (mit LM358 bzw. TDA2050) beschrieben, um die Offset-Spannung der dort verwendeten Operationsverstärker zu kompensieren. Zur Dimensionierung von R4 misst man zunächst den Null-Strom Inull, indem man die LEDs bei Null-Stellung des Potis (Linksanschlag) mit einem AmpèreMeter überbrückt. Den benötigten Widerstand kann man dann wie folgt überschlagen: R4 ≤ (ULEDs-1V)/Inull Ohne Dimmen Falls eine stufenlose (und lineare) Einstellung des LED-Stroms nicht nötig ist, nimmt man statt dem Poti R2 einen Festwiderstand R2 (gestrichelte Verbindung statt Verbindung zum Poti-Abgriff) und R4 entfällt dann natürlich. PWM-Dimmen und Dunkel-Schalten Beim analogen Dimmen werden bei Serienschaltung von LEDs besonders bei kleinen LED-Strömen Helligkeitsunterschiede sehr deutlich, d.h. kurz vor dunkel leuchtet noch eine der LEDs und andere sind bereits ganz aus. Wenn das stört (und auch eventuelle Farbverschiebungen bei RGB-LEDs durch analoges Dimmen), hilft nur noch PWM-Dimmen. Hierzu steht bei diesem Vorschlag der Shutdown-Eingang des MIC29372 zur Verfügung, der zum Deaktivieren wenigstens mit 2V beaufschlagt werden muss, aber auch bis hoch zur Versorgungsspannung gehen darf. Falls SD nicht benötigt wird und die LEDs immer aktiviert sein sollen (bzw. ausschließlich per Poti gedimmt werden), legt man ihn am besten über einen Pull-Down-Widerstand oder direkt auf GND. Mehr oder weniger Power Falls bis zu 750mA nicht reichen, die ein MIC29372 liefern kann, kommt bei sonst unveränderter Schaltung der MIC2941AWU/WT (TO-263/TO-220) für bis zu 1,25A in Frage. Für bis zu 400mA für 1W-LEDs wäre es alternativ ein MIC29202WU (TO-236) bzw. ein MIC29202WT (TO-220), ggf. als MIC29204YM/YN auch im SO8/DIP-8-Gehäuse. Für alle Ausführungen gilt (wie immer bei linearen LED-Treibern): Verluste im LDO beachten, die sich beim LDO-Treiber etwas vereinfacht (hier sind 112mV Stromfühlerspannung unterschlagen) so berechnen: PLDO = (UVersorgung - ULEDs) * ILED LED_Schaltungen.doc Tipps zum erfolgreichen Nachbau Häufig habe ich bei Nachbauproblemen mit LED-Treibern (mit welcher Technik auch immer) gesehen, dass zum Versorgen der LED-Treiber lange Leitungen aus Klingeldraht verwendet wurden. Das geht natürlich NICHT - vor allem nicht bei LED-Strömen über ein paar Hundert mA! Neben dickeren Kabeln (wenigstens 0,75mm2) schafft meist ein "dicker" Elko C4 von 470µF (oder mehr) entsprechender Spannungsfestigkeit Abhilfe. Falls die Schaltung im KFZ betrieben wird, muss man natürlich die Eingangskondensatoren C3 und C4 entsprechend auslegen bzw. eine Filterspule davor schalten, auch wenn die beiden LDOs MIC5233 und MIC29372 die im KFZ auftretenden hohen Spannungstransienten durchaus aushalten (sogar dafür ausgelegt sind, siehe Datenblätter). Auf einen anderen Kondensator kann man keinesfalls verzichten, nämlich den Siebkondensator C2, der auch sicherstellt, dass der Ausgang von IC2 beim Einschalten immer kleiner bleibt als dessen Referenzspannung. Ansonsten8 ist eine Regelung nicht möglich und die LEDs bleiben dunkel (nachdem sie beim Einschalten kurz aufgeblitzt haben). nach oben [1] Für 50 mA LED-Strom je nach LED z.B. R1 = 1,2 kOhm und R2 = 2,2 Ohm. [2] Auch wenn es manchmal an enger tolerierten Kohleschicht-Widerständen fehlt. [3] Der TL431 soll mit mindestens 1mA betrieben werden. Der Spannungsteiler R2/R3 benötigt <0,5mA. Deshalb muss die Hilfsstromquelle ≥1,5mA liefern. [4] Falls für R1 kein 0,33-Ohm-Widerstand zur Hand ist, schaltet man einfach 3 Stk. gängige 1Ohm-Kohleschicht-Widerstände parallel. [5] High-Side-Power-Switches werden u.a. zur Versorgung von USB-Schnittstellen verwendet. [6] Demgegenüber erlaubt ein guter LDO durchaus ±1% Einstelltoleranz bzw. ±2% über den gesamten zulässigen Temperaturbereich. [7] Die Status-LED muss leuchten, sonst ist der LED-Treiber nicht im Konstantstrom-Mode. Alternativ kann man natürlich auch ein Labornetzteil nehmen, das man z.B. auf 4,0V einstellt, dabei aber sicherstellt, dass der gewünschte LED-Strom auch fließen kann (und nicht die Strombegrenzung des Netzteils zu niedrig eingestellt ist). [8] Der aus dem ADJ-Pin von IC1 herausfließende (relativ kleine) Strom würde das OUT-Pin von IC2 bei hochohmiger Auslegung von R2/R3 sonst möglicherweise deutlich über dessen Referenz-Spannung ziehen und somit verhindern, dass IC2 korrekt arbeiten kann. LED_Schaltungen.doc
