LED-TECHNIK Ingenieurwissen LED-KONSTANTSTROMTREIBER IN SCHALTREGLERTECHNIK LEDs ansteuern – gewusst wie Ein Konstantstromtreiber variiert seine Ausgangsspannung so, dass der abgegebene Strom bei Veränderungen der Last, Eingangsspannung oder Temperatur innerhalb der Regeltoleranz unverändert bleibt. Konstantstrombausteine als Schaltregler waren früher zu kostenintensiv; inzwischen sind sie jedoch – etwa von Micropower Direct – preiswert verfügbar. Sie bieten den Entwicklern schnell einsetzbare, kompakte und ökonomische Lösungen, um LEDs von Gleich- oder Wechselspannung zu versorgen. 1 VERSORGUNG I Betriebsspannungsbereich 7 bis 30 V Maximale Eingangsspannung 40 V Ausgangsspannungsbereich 2 bis 28 V Konstanter Ausgangsstrom 300 mA Maximale Ausgangsleistung 8W Wirkungsgrad 95 % Steuerspannung für analoges Dimmen 0,3 bis 1,25 V Einstellbereich für Ausgangsstrom 25 bis 100 % Maximaler Takt für digitales Dimmen 1 kHz Ein-/Ausschaltzeit 200 ns LED-Stränge von bis zu 28 V Gesamt-Vorwärtsspannung speisen (Bild 2). Am Eingang sitzt der Überspannungsbegrenzer T1, der eventuelle SpannungsBild 1. Die einfachste Schaltung: zwei LEDs (2 V, 30 mA) am Konstantstromwandler LD24-08-300 MICHAEL WÜRKNER I m einfachsten Fall sind eine oder mehrere LEDs mit einem Konstantstrombaustein und ohne externe Bauteile verwendbar (Bild 1). Ein typisches Beispiel ist der LED-Treiber „LD24-08-300“ – ein kostengünstiger DC/DC-Wandler mit Konstantstromausgang in einem verkapselten Gehäuse von nur 20 x 10 x 7 mm3 Größe. Seine wichtigsten Spezifikationen fasst Tabelle A zusammen. Der LD24-08-300 ist ein Abwärtswandler. Die Ausgangsspannung ist um zirka 2 V niedriger als die Eingangsspannung: Bei einer zulässigen Eingangsspannung von 30 V kann er demzufolge 26 26-33_CME.indd Abs1:26 L Tabelle A. Eigenschaften des LEDTreibers LD24-08-300 im Überblick spitzen kappt, entsprechend EN 61000-4-5. Seine Begrenzungsspannung muss kleiner als 40 V sein. Dies verhindert, dass Spitzen über 40 V den Schaltregler er- WISSENSWERT Schutzmaßnahmen. LEDs sind hochzuverlässige Bauelemente mit durchschnittlichen Lebensdauern von 50 000 Stunden, bis die Lichtintensität auf 50 Prozent des ursprünglichen Werts gefallen ist. Unerwartete Ausfälle kommen als Folge von mechanischem oder thermischem Stress, falscher Anwendung oder fehlerhaftem Gehäuse vor. In der Praxis entsteht ein Totalausfall häufig durch eine Unterbrechung, wobei schnell der ganze Pfad ausfallen kann. Eine Hauptursache dafür ist ein überhöhter Strom. Die Verwendung eines Konstantstrom-Abwärtsreglers (wie in den Beispielen gezeigt) schützt in den meisten Fällen davor. Jedoch können auch Bauelemente falsch abgeglichen sein oder Spannungsspitzen auftreten, die von fremden Schaltungen oder Ereignissen verursacht werden. In Bild 2 ist zu jeder LED eine Schutzvorrichtung (Protection Device, PD) parallel geschaltet. Ein spannungsgesteuerter Schalterder reagiert, wenn eine LED unterbrochen wird. Er bildet bei Unterbrechung einen Strom-Bypass, der einen Ausfall der übrigen LEDs im Stromkreis verhindert. Wenn die LED ausgetauscht ist, setzt sich der PD automatisch zurück und stellt wieder eine hohe Impedanz parallel zur LED dar. Um die Kosten niedrig zu halten, kann man auch einen PD parallel zu zwei LEDs schalten. EL-info Elektronik Informationen 1 | 2013 08.01.13 12:55 Ingenieurwissen 2 LED-TECHNIK VERSORGUNG II Bild 2. Drei Stränge mit je fünf in Serie geschalteten LEDs, jede mit eigener Schutzvorrichtung; Stromspiegel für gleichmäßige Stromverteilung reichen und ihn eventuell zerstören. Das Pi-Filter aus C1, C2 und L1 blockt vom Schaltregler erzeugte Rückstörungen in die Zuleitung; so erfüllt der Wandler die EN 55015. Steht eine Wechselspannung zur Verfügung, so eignet sich die Schaltung wie in Bild 3 dargestellt, ausgelegt für den weltweiten Netzbetrieb von 90 bis 264 VAC. Ein miniaturisiertes 4-W-Netzteil am Eingang, der „MPM-04S-12“, speist den LED-Treiber mit einer geregelten Gleichspannung von 12 V, belastbar bis 333 mA. Dieser Zweistufen-Aufbau vereinfacht den Sicherheitsnachweis mit dem Zertifikat des Netzteils nach EN 60950 und macht das Design flexibel. Neben der Ausgangsleistung sind weitere Anforderungen wie Leistungsfaktorkorrektur und Betriebstemperaturbereich zu berücksichtigen. nicht überschritten werden. Bleibt der Anschluss offen, nimmt der Ausgangsstrom den Maximalwert von 300 mA an; wird er mit Masse verbunden, schaltet der Treiber ab. Um sicherzustellen, dass die Steuerspannung an VADJ die besagten 1,25 V nicht übersteigt, wird hier die 3 Spannungsreferenz (ein Nebenschlussregler) SR1 („TL431“) eingesetzt, an der die Spannung bei Eingangsspannungen zwischen 5 und 30 V immer auf 2,5 V konstant bleibt. An SR1 ist das Widerstandsnetzwerk R2 und R3 angeschlossen. Am Potentiometer R3 lässt sich die Spannung ZWEISTUFEN-AUFBAU Den Ausgangsstrom einstellen Bild 2 zeigt eine einfache analoge Schaltung zur Einstellung des Ausgangsstroms. Dieser lässt sich durch Verändern der Steuerspannung zwischen 0,3 und 1,25 V an Anschluss VADJ (Pin 2) zwischen 75 und 300 mA variieren. Um Schäden des Treibers zu vermeiden, darf der Maximalwert EL-info 26-33_CME.indd Abs1:27 Bild 3. Versorgung mit vorgeschaltetem Netzteil für 90 bis 264 V Elektronik Informationen 1 | 2013 27 08.01.13 12:55 LED-TECHNIK 4 Ingenieurwissen SCHALTREGLER Bild 4. Betrieb mit zwei Schaltreglern, LED-Strom analog variierbar an VADJ zwischen 0 und 1,25 V variieren. Der Ausgangsstrom errechnet sich nach Jetzt ist der Wert von R3 zu ermitteln, mit dem VADJ 0,375 V annimmt: 0,08925 x (R3 / (R2 + R3)) x VCNT IOUT = ––– . 0,372 R2 x VADJ R3 = – VCNT – VADJ VCNT ist dabei die Spannung, die als Quelle dient, um VADJ zu erzeugen – in diesem Fall die 2,5 V von der Referenz SR1. Oft steht die Eingangsspannung VIN oder eine geregelte Busspannung zur Verfügung. Im Beispiel soll der Gesamt-Ausgangsstrom 90 mA betragen, 30 mA für jeden LED-Strang: In diesem Fall gilt: IOUT x 0,372 VADJ = – – 0,08925 Um den Strom auf 90 mA einzustellen, ergibt sich der Wert 0,09 x 0,372 VADJ = – – = 0,375 V. 0,08925 VADJ berechnet sich nach R3 VADJ = – x VCNT. R2 + R3 28 26-33_CME.indd Abs1:28 § 10.000 x 0,375 R3 = – – = 1,76 kΩ 2,5 – 0,375 KONTAKT CompuMess Elektronik GmbH, 85716 Unterschleißheim, Wegen Bauelement-Toleranzen, Rundung und geringfügiger Nichtlinearität der IOUT/ VADJ-Kurve des LD24-08-300 kann der reale Wert abweichen. Mit etwas Nachtrimmen lässt sich der Rechenwert jedoch leicht erreichen. Bild 4 zeigt eine Alternative mit zwei kostengünstigen Schaltreglern – Austauschtypen für verbreitete analoge Spannungsregler mit geringem Wirkungsgrad. Der obere versorgt den LED-Treiber mit 12 V, der untere das Widerstandsnetzwerk für die Steuerspannung 5 V. Der Eingangsspannungsbereich der Schaltung umfasst 15 bis 32 V. Die Einstellung des Ausgangsstroms erfolgt wieder über den EL-info Spannungsteiler R1/R2. Die Gleichungen bleiben für diese Schaltung gleich, wobei für die Versorgungsspannung gilt: VCNT = 5 V. Tel. 089 321501-0, Fax 089 321501-11, www.compumess.de LEDs dimmen Die einfachen Schaltungen dimmen LEDs, indem sie den Strom durch die LED vermindern. Diese Standardmethode ist nicht für jede Anwendung optimal. Eine LED arbeitet am Effizienzmaximum, wenn sie mit dem vom Hersteller angegebenen Nennstrom betrieben wird. Ein niedrigerer Strom in Durchlassrichtung kann nicht nur den Systemwirkungs- Elektronik Informationen 1 | 2013 08.01.13 12:55 Ingenieurwissen 5 LED-TECHNIK PWM-DIMMEN Bild 5. Dimmen mit Pulsweitenmodulation vermeidet Farbverschiebungen grad beeinträchtigen, sondern auch eine Farbverschiebung zur Folge haben, was bei Beleuchtungsanwendungen stören kann. Um dies zu vermeiden kann die Pulsweitenmodulation (PWM) eingesetzt werden. Da LEDs auf Stromänderungen unverzögert reagieren, lässt sich die Lichtintensität durch schnelles Ein-/Ausschalten regeln. Eine Änderung des Tastverhältnisses variiert die vom Auge wahrgenommene Helligkeit. Ab einer Schaltfrequenz von 100 Hz ist praktisch kein Flimmern mehr wahrzunehmen. Bild 5 zeigt das digitale PWM-Dimmen. Statt einer Gleichspannung wird eine Rechteckspannung mit variablem Tastverhältnis an den Steuereingang VADJ des Treibers gelegt. Der Zeitgeber-Baustein EL-info 26-33_CME.indd Abs1:29 555, als Oszillator beschaltet, erzeugt das PWM-Signal. Wie der LED-Treiber wird er von der 12-V-Versorgung gespeist. Damit der Timer nicht gestört wird, ist es wichtig, dass seine Versorgung eine möglichst geringe Welligkeit hat. Dessen Frequenz bestimmen R1, R2 und C4. Der Kondensator C4 wird über R1 und D2 aufgeladen. Wenn seine Spannung zwei Drittel der Versorgungsspannung erreicht, wird der Entladungseingang (Pin 7) über einen internen Transistor gegen Masse durchgeschaltet und entlädt C4 über D1 und R2. Ist die Spannung an C4 auf ein Drittel von VCC abgefallen, wird der Entladungstransistor gesperrt, und ein neuer Aufladungszyklus von C4 beginnt. Mit TON = 0,67 x R1 x C4 , TOFF = 0,67 x R2 x C4 Elektronik Informationen 1 | 2013 ist die gesamte Periodendauer: T = TON + TOFF und die Frequenz 1 f=–. T Das Tastverhältnis ist τ R1 D=–=–. T R1 + R2 Der Spannungsabfall von 0,6 V an den Dioden D1 und D2 ist nicht berücksichtigt. Die Dioden erlauben die Einstellung eines Tastverhältnisses von unter 50 Prozent. D1 überbrückt R2, während C4 aufgeladen wird. D2 ist optional, um R2 während der Aufladephase unwirksam zu machen. 29 08.01.13 12:55 LED-TECHNIK 6 REIHENSCHALTUNG Ingenieurwissen (Pin 6) ist 1/3 VCC, was wiederum eine Kondensatorspannung VCAP von 2/3 VCC ergibt. Unter dieser Annahme errechnet sich RMAX zu 12 – 8 RMAX = – = 16 MΩ. 0,26 x 10-6 Bild 6. Serienbetrieb von fünf LEDs (30 mA) Als Beispiel sei ein Tastverhältnis von 50 Prozent gefordert. R2 berechnet sich zu R1 R2 = – – R1. D Für 50 Prozent Tastverhältnis: 10 000 R2 = – – 10 000 = 10 kΩ 0,5 Die Schaltung lässt Tastverhältnisse von etwa 5 bis 95 Prozent zu. Zur Einstellbarkeit ersetzt man R2 durch ein Potentiometer. Der Timer 555 arbeitet präzise. Ungenauigkeiten bei der Verwendung der Formeln resultieren aus Toleranzen anderer Bauteile. Der frequenzbestimmende Kondensator C4 sollte ein Tantal-, Mylar- oder ähnlicher Typ sein; von keramischen mit starker Temperaturabhängigkeit ist abzuraten. Sein Wert ist nicht kritisch, aber er sollte so verlustarm wie möglich sein. Die frequenzbestimmenden Widerstände R1 und R2 sollten Metallfilmtypen sein. Um allzu hohe Ströme durch den internen Entladungstransistor zu vermeiden, sollte R1 mindestens 5 kΩ betragen. Andererseits dürfen R1 und R2 nicht zu groß sein, weil der interne Komparator bei einem Eingangsstrom unterhalb von 0,25 μA nicht mehr zuverlässig schaltet. Zur Berechnung des Maximalwerts der Widerstände dient die Formel R3 x VADJ R4 = – VPK – VADJ Somit ergibt sich: Wenn die Temperaturstabilität der Taktfrequenz in der Applikation wichtig ist, sollten die externen Bauelemente einen leicht positiven Temperaturkoeffizienten haben. Dies gleicht den negativen Temperaturkoeffizienten des 555 und eine temperaturabhängige Frequenzdrift annähernd aus. Der Ausgangstreiber des 555 ist eine Gegentaktstufe (Totem Pole). Der Überbrückungskondensator C5 eliminiert daraus resultierende Spannungsspitzen auf der Versorgungsspannung VCC. C5 ist in seinem Wert nicht kritisch und liegt zwischen 0,01 μF und 10 μF; er sollte aber in unmittelbarer Nähe des TimerBausteins sitzen. Die maximale Ausgangsspannung ist VPK = VCC – 1,7 V; in dieser Schaltung 10,3-V-Pulse. Um diese an den LED-Treiber anzulegen, müssen sie mit dem Spannungsteiler aus R3 und R4 auf den zuvor berechneten Wert 0,375 V herabgesetzt werden. Für VADJ gilt: 30 000 x 0,375 – = 1,13 kΩ R4 = – 10,3 – 0,375 Die auf 0,375 V abgeschwächte Pulsfolge mit 50 Prozent Tastverhältnis wird an den VADJ-Eingang des LED-Treibers gelegt, und dessen Ausgangsstrom wird zu einer Pulsfolge mit 50 Prozent Tastverhältnis bei 30 mA Konstantstrom. Die LEDs geben scheinbar 50 Prozent ihrer vollen Lichtintensität ab, jedoch ohne Farbveränderung. Reihen- oder Parallelschaltung? Die Versorgung mehrerer LEDs ist in seriellen oder parallelen Strängen möglich. Meist wird die einfache Serienschaltung wie in Bild 6 verwendet. Da alle LEDs eines Strangs der gleiche Durchlassstrom durchfließt, werden Helligkeitsunterschiede vermieden. Die nötige Ausgangsspannung des Treibers berechnet sich zu: VOUT = VF x n, wobei VF die spezifizierte LED-Vorwärtsspannung und n die Anzahl der LEDs im R4 VADJ = – x VPK R4 + R3 7 R4 lässt sich nach der folgenden Gleichung ermitteln: SERIEN-PARALLELSCHALTUNG VCC x VCAP RMAX = – . ITHR Die Spannung am Schwellenwert-Eingang 30 26-33_CME.indd Abs1:30 Bild 7. Drei Stränge mit je fünf LEDs und Ausgleichswiderständen EL-info Elektronik Informationen 1 | 2013 08.01.13 12:55 Ingenieurwissen Strang ist. Bei einer Durchlassspannung von 2 V und fünf LEDs ergeben sich 10 V. Die meisten DC/DC-Wandler für LED-Betrieb sind Abwärtswandler. Der spezifizierte Eingangsspannungsbereich des Schaltreglers liegt mit einer Schwundreserve über der benötigten Ausgangsspannung VOUT. Der Ausgangsstrom des Treibers ist gleich dem Vorwärtsstrom durch jede LED. Durch alle LEDs in einem Strang fließt der gleiche Strom, hier 30 mA. Die Vorteile der Serienschaltung: Schaltungskomplexität sehr gering, jede LED erhält den gleichen Strom, hoher Wirkungsgrad der Schaltung (kein Abgleich von Widerständen nötig); eine kurzgeschlossene LED hat wenig Auswirkung auf die Gesamthelligkeit, denn die Helligkeit nimmt in diesem Fehlerfall bei n LEDs nur um 1/n ab. Die Nachteile der Serienschaltung: Bei vielen LEDs im Strang kann die benötigte Ausgangsspannung sehr hoch werden. Bei Unterbrechung an einer Stelle im Strang (wenn entweder eine LED oder der elektrische Kontakt versagt) fällt der gesamte Strang aus. Bild 7 zeigt eine Serien-Parallelschaltung mit 15 LEDs in drei parallelen Strängen. Für diese Schaltung ist der TreiberAusgangsstrom gleich 90 mA wie zuvor. IOUT = IF1 + IF2 + IF3 Die benötigte Treiber-Ausgangsspannung ist gleich der Summe der Vorwärtsspannungen in einem Strang, also wieder 10 V. Bei Parallelschaltung mehrerer Stränge bleibt die nötige Ausgangsspannung gleich. Dementsprechend lassen sich mehr LEDs ohne Überschreitung der maximal möglichen Treiberausgangsspannung betreiben. Diese 28 V des LD24-0-300 treiben maximal 14 LEDs mit 2 V Durchlassspannung in Reihe. Das Hauptproblem bei der SerienParallelschaltung sind kleine Unterschiede zwischen den Summen aller Durchlassspannungen der Stränge, die beträchtliche Unterschiede der Ströme der Stränge untereinander zur Folge haben können. Diese können zu unterscheidbaren Helligkeiten oder Farbtönen zwischen den Strängen oder gar zur Zerstörung führen. Um die Ströme anzugleichen, kann man in jeden Strang einen Vorwiderstand kleiner 20 Ω einfügen (RB1, RB2, RB3). Eine weitere Möglichkeit hat bereits Bild 2 gezeigt: Hier gleicht eine Stromspiegelschaltung die Ströme durch die einzelnen Stränge aus. EL-info 26-33_CME.indd Abs1:31 8 LED-TECHNIK MATRIXSCHALTUNG Bild 8. Erhöhte Zuverlässigkeit: Prinzip der Matrix- oder Kreuzverbindungsschaltung Im ersten Strang (links) ist der Transistor Q1 als Diode geschaltet ist (Kollektor und Basis verbunden); der hier entstehende Spannungsabfall steuert über die Transistoren Q2 und Q3 den Stromfluss in den beiden Nachbarsträngen. Wenn die Transistoren untereinander geringe Toleranzen bei VBE und deren Temperaturabhängigkeit haben, werden die Ströme durch jeden Strang gleich. Um die Temperaturabhängigkeit zu eliminieren, werden die drei Transistoren thermisch eng gekoppelt auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert. Die Widerstände RB1, RB2, RB3 gleichen kleine Unterschiede bei VBE aus. 1 FAZIT Jemanden fragen, der sich auskennt. Die Anwendungsfelder von LEDs dehnen sich schnell aus, da sich die Technologie immer weiter entwickelt, die Kosten sinken und eine Vielzahl neuer Produkte entsteht. Wer LED-Treiber effizient anwenden und dabei die Kosten in Grenzen halten will, sollte sich von seinem Vertriebspartner über die Alternativen beraten lassen. Der Vorteil der Parallelschaltung ist die Möglichkeit eine größere Anzahl von LEDs zu betreiben. Ihre Nachteile sind ein niedrigerer Wirkungsgrad, eine höhere Schaltungskomplexität sowie eine geringere Zuverlässigkeit (Bild 7). Letztere Elektronik Informationen 1 | 2013 wird von einem höheren Ausfallrisiko bei ungleichmäßigen Strömen verursacht. Eine kurzgeschlossene LED hat einen höheren Strom durch die verbleibenden LEDs im Strang des Defekts zur Folge, da der konstante Gesamtstrom vom Treiber vorgegeben wird. In den anderen Strängen schwächen sich die Ströme ab, sodass hier die Lichtintensität abnimmt. Der erhöhte Strom im Strang des Defekts kann dort weitere LED-Ausfälle zur Folge haben. Eine unterbrochene LED bewirkt dagegen, dass der ganze Strang ausfällt. Dadurch erhöht sich der Strom durch die anderen Stränge um den Faktor 1/(s–1), wobei s die Anzahl der angeschlossenen Stränge ist. Zuverlässiger: Die Matrixschaltung Um die Zuverlässigkeit von Parallelschaltungen zu erhöhen, eignet sich die Matrixschaltung aus Bild 8, auch Kreuzverbindungsschaltung genannt. Hier sind Querverbindungen zwischen den parallelen Strängen eingefügt: eine Serienschaltung von Parallelschaltungen. Die nötige Strangspannung und der TreiberAusgangsstrom entsprechen denen der Serien-Parallelschaltung. Wie dort ist die Anzahl der LEDs, die ohne Überschreiten der Maximalspannung des Treibers angesteuert werden können, viel höher als bei einer einfachen Serienschaltung. Die Matrixschaltung ist fehlertoleranter. Da keine Ausgleichswiderstände für 31 08.01.13 12:55 LED-TECHNIK den Parallelbetrieb nötig sind, ist ihr Wirkungsgrad höher. Aber die gleichmäßige Stromverteilung über die ganze Matrix bleibt ein Problem. Ungleichmäßigkeiten beim Stromfluss (wie in der Parallelschaltungsvariante verursacht durch Bauelemente-Toleranzen) können zu sichtbaren Unterschieden bei der Helligkeit oder beim Farbton des Lichts führen. Von Stromschwankungen verursachte Unterschiede der temperaturabhängigen Kenngrößen können dies weiter verschlimmern. Eine kurzgeschlossene LED lässt die ganze Zeile, in der sie sitzt, ausfallen. Die verbleibenden Zeilen arbeiten normal 26-33_CME.indd Abs1:32 Ingenieurwissen weiter. Ist eine LED unterbrochen, dann durchfließt die übrigen LEDs dieser Zeile ein um den Faktor 1/(L-1) erhöhter Strom, wobei L die Anzahl der LEDs in diesem Strang ist. Die anderen LEDs arbeiten normal weiter. Im Beispiel mit drei Spalten fallen anstelle der fünf LED einer Spalte nur drei LEDs in einer Zeile aus. Normalerweise wird empfohlen, Serienschaltungen zu verwenden um Probleme mit der Strom- und Wärmeverteilung in parallelen und Matrixschaltungen zu vermeiden. Die robusteste Schaltung ist es, einen separaten Treiber für jeden LED-Strang oder einen Mehrkanaltreiber zu verwenden. Dies ergänzt die Ansteu- erungs- und Zuverlässigkeitsvorteile einer Serienschaltung mit der erhöhten Kapazität der Parallel-/Matrixschaltung. Von Nachteil sind allerdings die größere Komplexität und die somit höheren (ml) Kosten. DER AUTOR DR. MICHAEL WÜRKNER ist Marketingleiter für OEM-Produkte bei CompuMess Elektronik in Unterschleißheim. www.EL-info.de 755401 08.01.13 12:55