(Bild: Nexperia)
Für die Ansteuerung von Hochleistungs-LEDs gibt es verschiedene Highend-Lösungen in Boost-Buck-Technik mit komplexen Controllern, die ein tiefgehendes Verständnis der Topologie erfordern, um zuverlässige und EMV-konforme Designs zu entwickeln. Für LEDs im niedrigen und mittleren Leistungsbereich gibt es eine sehr unkomplizierte und robuste Treiberlösung, bei der Konstantstrom-LED-Treiber als einfache Linearregler zum Einsatz kommen. Im Hinblick auf die Verlustleistung sind Konstantstrom-LED-Treiber vielleicht nicht die ideale Wahl, aber ihr ausgezeichnetes EMV-Verhalten, die Zuverlässigkeit, die einfache Realisierung und nicht zuletzt die erheblich geringeren Systemkosten machen sie zur bevorzugten Wahl, wenn es um die Ansteuerung von LEDs bis etwa 500 mA geht.
Bild 1: Konstantstrom-LED-Treiber in Low- und High-Schaltung. Das Innenleben des Treibers besteht aus einem Bipolartransistor, zwei Dioden und zwei Widerständen. Nexperia
Die hier genannten Treiber mit dem Präfix NCR sind bei Nexperia erhältlich. Sie kommen als Konstantstromquellen und in Automotive-Anwendungen im Bereich der Innen- und Außenbeleuchtung zum Einsatz, die vom Türgriff über die Armaturen und das Nummernschild bis zu Blinkern und Rückleuchten reicht.
Das Innenleben des Treibers
Bild 1 zeigt Grundschaltungen für die LED-Ansteuerung mit einer Konstantstromquelle. Das Innenleben eines solchen Treibers besteht aus einem Bipolartransistor, zwei Dioden und zwei Widerständen. Konstantstromquellen mit Bipolartransistoren in pnp-Ausführung werden als High-Side-Treiber betrieben und die in npn-Ausführung als Low-Side-Variante. Einer der Widerstände bestimmt den Mindestausgangsstrom und der andere stellt die Hilfsspannung und spielt eine wichtige Rolle für die Einschaltcharakteristik. Bei Konstantstrom-Treibern in High-Side-Schaltung ist der Enable-Pin mit Erde verbunden und durch Trennung dieses Pins wird der Treiber, und damit auch die LED, ausgeschaltet. Praktisch wird dies mit einem Transistor mit integrierten Widerständen (Resistor-equipped Transistor, RET), wie in Bild 1, oder mit einem MOSFET umgesetzt. Dagegen brauchen Treiber in Low-Side-Schaltung ein bestimmtes Potenzial am Enable-Pin, um einzuschalten. Die Treiber aus der Baureihe NCRx20x benötigen hierfür eine Spannung im Bereich der Versorgungsspannung. Treiber aus der Baureihe NCRx21x schalten bereits bei einer sehr viel niedrigeren Spannung von 3,3 V ein. Diese Bauteile ziehen am Enable-Pin einen Strom von etwa 1 bis 2 mA, sodass sie ohne Probleme über den Ausgang eines Mikrocontrollers oder Logikbausteins ansteuerbar sind. Dies gestaltet das Ein- und Ausschalten der LED sehr unkompliziert, und mithilfe eines PWM-Controllers lässt sich auch das Dimmen auf einfache Art und Weise umsetzen.
LEDs dimmen
Bild 2: Mittlerer Ausgangsstrom als Funktion der Einschaltdauer für einen NCR321Z bei verschiedenen Schaltfrequenzen mit einem externen Widerstand von 6 Ohm Nexperia
Die Dimmfunktion ist in Bild 2 zu sehen, das den Mittelwert des Ausgangsstroms als Funktion der Einschaltdauer für einen NCR321Z bei verschiedenen Schaltfrequenzen mit einem externen 6-Ohm-Widerstand darstellt. Die Kurve zeigt das lineare Verhältnis zwischen der Einschaltdauer und dem gemessenen, durchschnittlichen Ausgangsstrom. Sogar bei Frequenzen oberhalb der empfohlenen 10 kHz bleibt die Linearität erhalten. Trotzdem sollten die empfohlenen 10 kHz aufgrund möglicher EMV-Probleme nicht überschritten werden.
Der Ausgangsstrom lässt sich bei den meisten Konstantstrom-LED-Treibern über einen externen Widerstand einstellen. Einige Ausführungen sind auf häufig verwendete Stromwerte eingestellt. Da sie keinen externen Widerstand benötigen, gibt es sie in Packages mit drei Anschlüssen. In Anwendungen, bei denen ein externer Widerstand anschließbar ist, wird dieser parallel zum internen Widerstand geschaltet und verringert so den Gesamtwiderstand. Die Konstantstrom-Treiber in Low-Side-Schaltung (NCRx2xx) mit npn-Transistor haben einen internen Widerstand von 95 Ohm. Aus der Analyse der Messkurven lässt sich folgende Formel ableiten, mit der sich die Beziehung zwischen externem Widerstand und Ausgangsstrom bestimmen lässt:
Der Wert des externen Widerstands darf nicht zu niedrig gewählt sein, damit der maximale Ausgangsstrom nicht überschritten wird. Der Großteil des Ausgangsstroms fließt durch den externen Widerstand, falls dieser kleiner als der Innenwiderstand ist, was besonders bei kleinem externen Widerstand und hohem Ausgangsstrom zum Tragen kommt. Trotzdem reicht ein 0,25-W-Widerstand in der Regel aus, da die Verlustleistung selbst bei einem Ausgangsstrom von 250 mA die 170 mW nicht überschreiten wird.
Konstantstrom-Treiber weisen eine Temperaturabhängigkeit auf. Bei höheren Temperaturen sinkt der Ausgangsstrom etwas ab. Der Ausgangsstrom bleibt allerdings unabhängig vom Spannungsabfall über dem Treiber. Da der Ausgangsstrom mit der Temperatur abnimmt, besteht keine Gefahr einer thermischen Instabilität.
Helligkeit unabhängig von der Versorgungsspannung
Der minimale Spannungsabfall über dem Konstantstrom-Treiber beträgt etwa 1,4 V. Unterhalb dieser Spannung funktioniert die lineare Regelung nicht einwandfrei. Darüber passt sich der Spannungsabfall über dem Konstantstrom-Treiber dynamisch an, um den gewünschten Sollausgangsstrom zu erzwingen. In Low- und High-Side-Schaltung wird die Ausgangsspannung immer nach Vout = VCC – VLED berechnet, wo VLED die Spannung an den LEDs und VCC die Versorgungsspannung ist. Konstantstrom-LED-Treiber werden eingesetzt, wenn die Helligkeit einer LED bis zu einem gewissen Grad unabhängig von der Versorgungsspannung sein sollte. So schwankt im Normalbetrieb die Spannung einer 12-V-Quelle in einem Auto zwischen 11 V und 15 V. Wenn Sollsteuerstrom und Spannungsabfall über den LEDs bekannt sind, ist die kleinstmögliche Versorgungsspannung die Summe aus Spannungsabfall über den Treiber und Spannung an den LEDs. Die maximal zulässige Spannung wird bestimmt durch den maximal zulässigen Spannungsabfall über den Treiber Vout oder die Gesamtverlustleistung, die mit Ptot ≈ Vout · Iout bestimmt wird. Daher lässt sich der zulässige Betriebsbereich – bei Einhaltung der Grenzwerte aus dem Datenblatt – wie folgt definieren:
Die Spannungsreserve erhöhen
Die Verlustleistung von Konstantstrom-Treibern im SOT457-Gehäuse beträgt üblicherweise Ptot = 0,75 W. Bei einem Ausgangsstrom von 50 mA entspricht dies einer Reserve von 15 V. Die kürzlich vorgestellten Bausteine im SOT223 von Nexperia weisen mit 1,25 W eine höhere Ptot auf, was die Spannungsreserve auf 25 V erhöht.
Bild 4: Die Spannungsreserve von Treibern in SOT457- und SOT223-Gehäusen im Einzel- und Parallelbetrieb Nexperia
Bild 5: Die LED-Treiber NCRx2xx im SOT457 und SOT223 sorgen für eine höhere Reserve bei der Versorgungsspannung. Nexperia
Zusätzlich lässt sich die Spannungsreserve durch Reduzierung des Ausgangsstroms vergrößern. Durch die parallele Verschaltung von zwei oder mehr Konstantstromquellen, wie in Bild 3 skizziert, lässt sich der Strom effektiv verdoppeln. Mit diesem Verfahren kann ein Strom angesteuert werden, der die Möglichkeiten eines einzelnen Treibers übersteigt, oder es kann ein niedrigerer Strom pro Treiber verwendet und so die Spannungsreserve erhöht werden. Mit zwei Konstantstrom-Treibern im SOT223 mit einem maximalen Ausgangsstrom von 250 mA lassen sich so 500-mA-LEDs bei einer Spannungsreserve von 5 V treiben. Bei parallel betriebenen Konstantstrom-Treibern ist die Genauigkeit der externen Widerstände der wichtigste Faktor für die Symmetrie der Ausgangsströme der einzelnen Treiber. Bild 4 zeigt die Spannungsreserve in Abhängigkeit des Ausgangsstroms bei Treibern im Package SOT457 und SOT223 (Bild 5) im Einzel- und Parallelbetrieb.
Dr.-Ing. Jan Preibisch
(na)
