LED-Beleuchtungen Konstantstrom-Ansteuerung überflügelt Spannungsteiler

Nicht immer ist die einfachste Lösung auch die effektivste. Das gilt auch für die Ansteuerung batteriebetriebener Hochleistungs-LEDs. So zeigt sich beispielsweise, dass sich bei der Verwendung eines Konstantstrom-Aufwärtswandlers anstelle eines einfachen Spannungsteilers eine von drei Energiezellen einsparen lässt – bei besserer Lichtqualität.

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Zahlreiche Aspekte sind beim Design von LED-Beleuchtungssystemen zu berücksichtigen, wenn diese an Batterien mit einer, zwei oder drei Zellen betrieben werden sollen: Ausschöpfung der Batteriekapazität, Batterielebensdauer, Konstantheit von Lichtstrom und Farbtemperatur, Platzbedarf, Gewicht und selbstverständlich die Gesamtkosten der Lösung sind wichtige Kriterien. Ungeachtet dessen ist die Ansteuerung von LEDs über Spannungsteiler oder sogar direkt aus der Batterie nach wie vor keine Seltenheit. Befriedigen können derart simple Lösungen beim Einsatz von LEDs hoher Leistung allerdings nicht. Warum das so ist, soll nachfolgend untersucht werden.

Die Vorwärtsspannung von LEDs hat die Tendenz, abhängig vom Fertigungsprozess und den Betriebsbedingungen zu schwanken. Deshalb ist die Ansteuerung von Hochleistungs-LEDs mithilfe einfacher Spannungsteiler nicht ideal. Die Vorwärtsspannung einer weißen LED hoher Leistung zum Beispiel kann typisch zwischen 2,95 und 4,25 V variieren. Dieser Wert schwankt nicht nur unter dem Einfluss des unterschiedlich hohen LED-Stroms, sondern ist außerdem temperaturabhängig (Temperaturkoeffizient: typ. 2 mV/K), sodass die Eigenerwärmung Auswirkungen auf den Strom hat.

Ein Serienwiderstand trägt zweifellos dazu bei, die Stromschwankungen zu verringern, doch gänzlich lösen kann er die Ansteuerprobleme nicht. Damit der LED-Strom angesichts eines derart großen Schwankungsbereichs der Vorwärtsspannung möglichst konstant bleibt, muss der strombestimmende Widerstand gezielt auf die jeweilige LED-Vorwärtsspannung eingestellt werden. Wird die einfache Spannungsteiler-Ansteuerschaltung aus einer Batterie gespeist, ergeben sich durch die veränderliche Batteriespannung weitere Einflüsse auf den LED-Strom.

In der Praxis ist eine Batterie mit einer oder zwei NiCd-, NiMH-, oder Alkali-Zellen nicht geeignet, eine Hochleistungs-LED über einen einfachen Spannungsteiler anzusteuern. Diese simple Schaltung kommt vielmehr nur für Batterien mit drei Zellen und mehr in Frage. Nicht vergessen werden darf außerdem, dass die Batterie die LED nicht mehr versorgen kann, sobald ihre Ausgangsspannung die Vorwärtsspannung der LED erreicht oder unterschreitet. In diesem Fall muss die Batterie (oder das gesamte System) ausgetauscht werden. Die Batteriekapazität wird hierdurch nicht vollständig ausgeschöpft, sodass dieses Ansteuerverfahren langfristig nicht effizient und wirtschaftlich ist. Gänzlich abzuraten ist von der direkten Ansteuerung, denn hier lässt sich die Änderung des LED-Stroms überhaupt nicht bestimmen.

Konstantstrom-Wandler versus Spannungsteiler

Damit eine LED über ihre gesamte Lebensdauer hinweg einen gleichbleibenden Lichtstrom liefert und mit konstanter Farbtemperatur leuchtet, ist ein Konstantstrom-Treiber zwingend erforderlich. Die Auswirkungen starker Schwankungen der LED-Vorwärtsspannung und der Versorgungsspannung lassen sich damit weitgehend abfangen. Besonders deutlich werden die Vorteile einer speziellen Konstantstrom-Ansteuerung, wenn man die Eigenschaften einer simplen Spannungsteiler-Konfiguration und eines Konstantstrom-Aufwärtswandlers bei identischen LED-Ansteueranforderungen miteinander vergleicht.

Als Beispiel soll die Ansteuerung einer LED vom Typ Luxeon LXK2-PW12 mit einem Strom von 350 mA untersucht werden. Man wählt eine Reduzierung des Lichtstroms um 10 beziehungsweise 50% als Vergleichspunkte und kann aus Bild 1 ablesen, dass diese Cut-off-Punkte bei 300 beziehungsweise 150 mA liegen. Bei einer Versorgungsspannung von 4,5 V – dies entspricht der Spannung dreier AAA-Primärzellen – würde eine Spannungsteiler-Ansteuerung für diese LED mit 3,4 V Vorwärtsspannung einen strombestimmenden Widerstand von 3,14 W erfordern.

In Bild 2 ist der Strom in einer LED gleichen Typs dargestellt, wenn die Vorwärtsspannung 3,65 V anstatt des typischen Wertes von 3,4 V beträgt. Der bei 4,5 V Versorgungsspannung erreichte LED-Strom von 290 mA liegt bereits unter dem Mindestwert von 300 mA für eine Lichtstrom-Reduzierung von 10%. Man erkennt hieran, dass die Höhe des strombestimmenden Widerstands an die jeweilige Vorwärtsspannung angepasst werden muss.

Die Entladezeit bis zum Erreichen von 150 mA (entsprechend einer Lichtstrom-Abnahme um 50%) beträgt etwa 53 Minuten (Bild 3). Die Batteriespannung (Vbat) bei dieser Stromstärke ist 3,86 V. Bei dieser Spannung enthält die Batterie noch einige Energiereserven, jedoch liegt die Lichtabgabe der LED unter dem gesetzten Grenzwert von 50%.

Als Alternativen zur soeben beschriebenen Lösung mit drei Zellen sind in den Bildern 4 und 7 typische Konstantstrom-Aufwärtswandler für den Betrieb an zwei Batteriezellen dargestellt. Während der ZXSC400 bei Spannungen bis 1,8 V herab einsatzfähig ist, kommt der ZXSC310 sogar mit nur 0,8 V aus.

Zwei Batterien können effektiver sein als drei

Die Bilder 5 und 6 geben den LED-Strom als Funktion der Batteriespannung beziehungsweise die Batteriespannung über die Entladezeit für eine Alkali-Batterie mit zwei Zellen und Ansteuerung der LED durch den ZXSC400 mit nominell 350 mA wieder. Bei 300 mA (Abnahme des Lichtstroms um 10%) beträgt die Batteriespannung 2 V. Bis zur Abnahme der Batteriespannung auf diesen Wert vergehen ungefähr 22 Minuten.

In den Bildern 8 und 9 sind die gleichen Kurven für den ZXSC310 dargestellt. Bei 150 mA (Lichtstromabnahme 50%) hat die Batteriespannung einen Wert von 2 V. Erreicht wird diese Spannung nach etwa 56 Minuten.

Diese Ergebnisse zeigen, dass zwei AAA-Alkalizellen mit dem Konstantstrom-Aufwärtswandler ZXSC400 eine längere Betriebszeit ergeben als drei AAA-Zellen mit einfacher Spannungsteiler-Ansteuerung, wobei der Lichtstrom nahezu konstant bleibt. Bis zum Rückgang auf einen Lichtstrom von 50% erreicht das System mit dem ZXSC310 und zwei AAA-Alkalizellen eine ähnliche Laufzeit wie die Lösung mit drei AAA-Primärzellen und Spannungsteiler. Der Aufwärtswandler mit Konstantstrom-Ausgang verbessert somit die Energieausbeute, verlängert die Batterie- beziehungsweise Produktlebensdauer, senkt die Gesamtkosten der Lösung und trägt insgesamt zu mehr Umweltfreundlichkeit bei.

Als zusätzlicher Vorteil der Konstantstrom-Ansteuerung ist anzuführen, dass unterschiedliche LED-Vorwärtsspannungen, anders als bei der Ansteuerung per Spannungsteiler oder bei der Speisung direkt aus der Batterie, nicht mehr ins Gewicht fallen. Die Tatsache, dass ein Sortieren nach der Vorwärtsspannung hierdurch ebenso entfallen kann wie das Anpassen des Widerstands, trägt zu weiteren Kostensenkungen bei. Die Verwendung von zwei anstatt drei Batteriezellen bewirkt überdies, dass der Platzbedarf und das Gewicht der gesamten Lösung deutlich geringer werden.

*Khagendra Thapa ist Principal Systems Engineer bei Zetex Semiconductors.

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