LED-Ansteuerung Methoden für das Design optischer und thermischer LED-Regelkreise

Die Farbe von LEDs kann in Abhängigkeit von Temperatur, Alter und Charge variieren. Um diese Einflüsse zu kompensieren, bieten sich zwei Vorgehensweisen an, deren Wahl von den jeweiligen Gegebenheiten abhängt: Die optische Rückkopplung, die das LED-Licht direkt auswertet und die thermische Rückkopplung, die vorgegebene LED-Parameter mit der gemessenen Temperatur korreliert.

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Die neueste Generation ultraheller LEDs kann herkömmliche Glühlampen in der Gebäude- und Bühnenbeleuchtung ersetzen. Es ist jedoch eine große Herausforderung beim Design farbiger Beleuchtungseinrichtungen mit LED-Arrays zu bewältigen: Die spezifizierten Farben müssen trotz Alterung und Temperaturveränderungen beständig bleiben.

Außerdem ist das Licht jeder LED von Variationen im Herstellungsprozess abhängig. LED-Hersteller sortieren deshalb LED-Chargen in „bins“. Jede Charge hat ihre eigene Farbtemperatur – einen Koordinatensatz im CIE-Farbraum, der exakt die Farbnuance definiert.

Chargenvariationen sind nicht die einzige Variable, mit der es der Entwickler zu tun hat: Temperaturveränderungen beeinflussen sowohl den Lichtstrom der LED als auch die Wellenlänge des Lichts. Die Temperatur selbst hängt sowohl von der Umgebungstemperatur als auch vom verwendeten Kühlkonzept ab. Schließlich verändern sich sowohl der Lichtstrom als auch die Farbe einer LED mit der Zeit, so dass jedes Farbregelsystem auch die Alterung der Bauelemente kompensieren muss.

Unterschiedliche Ansätze zur Farbkompensation

Ein gutes Praxisbeispiel für dieses Problem ist ein im Freien angebrachtes Leuchtschild mit einem Firmenlogo. Solche Anzeigen müssen in der Lage sein, Farben präzise und konsistent darzustellen – während des heißesten Sommers und des kältesten Winters, über mehrere Jahre und mit LEDs, die aus verschiedenen Chargen stammen.

Die Entwickler von LED-Regelkreisen müssen alle drei Variablen – Temperaturveränderung, Alterung und Chargenvariationen – kompensieren, um ein leistungsfähiges Produkt herzustellen. Mit zwei unterschiedlichen Ansätzen lassen sich die Variablen auf einfache Weise kompensieren und so die für das Design nötige Zeit verkürzen. Bei beiden Lösungen handelt es sich um Systeme mit geschlossener Regelschleife: Im einen Fall kommt eine optische Rückkopplung zum Einsatz, im anderen thermisches Feedback.

Farbeinstellung mit optischer Rückkopplung

Avago Technologies bietet einen hoch integrierten Controller mit geschlossener Regelschleife für das optische Feedback. Der Mixed-Signal-IC ADJD-J883 hat neben RGB-Fotosensoren einen Analog-Digital-Wandler, einen Farbdatenprozessor und einen 12-Bit-Pulsweitenmodulations-Generator. Er misst die Lichtabgabe des LED-Arrays, vergleicht sie mit den geforderten Farbwerten und regelt das Array nach, bis die Vorgaben erreicht sind (Bild 1).

Dem Farbdatenprozessor genügen einfache Eingangswerte: die CIE-Koordinaten der gewünschten Farbe und ein Helligkeitswert. Diese Werte kann entweder der zentrale Systemcontroller bereitstellen oder ein spezieller, kostengünstiger 8-Bit-Mikrocontroller über eine serielle 100-kHz-Schnittstelle.

Diese Lösung eignet sich gut für autonome Arrays aus drei RGB-LEDs, etwa für die LCD-Hinterleuchtung. Sie lässt sich jedoch auch anpassen, um Array-Reihungen in einer Master-Slave-Konfiguration miteinander zu verknüpfen – besonders in der Gebäudebeleuchtung eine nützliche Implementierung. Mittels optischer Rückkopplung kann der ADJD-J883 Farbe und Intensität der Lichtabgabe präzise in Echtzeit sicherstellen, unabhängig von der Temperatur, dem Alter des Bauelements oder der Charge.

Kritische Positionierung des Sensors

Die Abhängigkeit vom optischen Feedback bringt auch die größte Herausforderung bei der Implementierung dieser Lösung mit sich: die Positionierung des Sensors. Um effizient arbeiten zu können, muss der Sensor dem gesamten RGB-Array ausgesetzt sein, außerdem darf er ausschließlich das Licht von diesem Array auffangen, kein Sonnenlicht oder das Licht anderer Quellen.

In manchen Anwendungen lässt sich der ADJD-J883 direkt auf dem beleuchteten Ziel anbringen. In kleinen, abgeschlossenen Applikationen wie LCD-Hinterleuchtungen kann dies sinnvoll sein. Andernfalls muss der Entwickler den Sensor vor externen Lichtquellen abschirmen.

Die Kompensation thermischer Einflüsse

Eine solche Abschirmung ist beim LED-Controller mit thermischem Feedback von Cypress Semiconductor unnötig, da er keine optische Rückkopplung verwendet. Das Bauelement, genannt EZ-Color, ist ein programmierbarer Mixed-Signal-Controller. In einer integrierten Wertetabelle sind Referenzdaten der LEDs unterschiedlicher Hersteller gespeichert, welche die Lichtabgabe der LEDs beschreiben.

Durch Verknüpfen der Sperrschichttemperatur, dem Alter und der Charge der LED mit der gewünschten Farbe des Lichtes in CIE-Koordinaten sowie dem Lichtfluss kann ein EZ-Color-Bauelement bis zu 16 Kanäle mit LEDs ansteuern. Die Anzahl der LEDs ist vom verwendeten Treibertransistor abhängig.

EZ-Color kompensiert präzise die unterschiedlichen Reaktionen der verschiedenen Farben auf Temperaturveränderungen. So sind beispielsweise blaue, grüne und weiße LEDs in dieser Hinsicht stabiler als rote oder gelbe. Auf diese Weise mischt der Baustein mehrere RGB-Lichtquellen, um eine konsistente und akkurate Lichtabgabe zu erzielen.

Zudem hat EZ-Color eine integrierte Temperaturregelung. Übermäßige Wärme verkürzt die Lebensdauer einer LED drastisch (Bild 2), deshalb spezifizieren LED-Hersteller sorgfältig die Korrelation zwischen Sperrschichttemperatur, Treiberstrom und effektiver Lebensdauer. Produktentwickler können dementsprechend die passende Abstimmung zwischen Größe des Kühlkörpers, Kühlungsverfahren, Treiberstrom, Lichtstrom und Lebensdauer vornehmen.

Vergleich von optischer und thermischer Rückkopplung

Die mit Hilfe des Avago-Bausteins implementierte Lösung mit optischer Rückkopplung liefert hoch präzise Lichtabgabe bei allen Umgebungsbedingungen. Bei korrekter Platzierung auf der Platine ist seine Genauigkeit so groß, dass das menschliche Auge nicht in der Lage ist, den Unterschied zwischen dem Farbreferenzpunkt und dem tatsächlich emittierten Licht zu erkennen. Der IC ermöglicht auch das Duplizieren einer Farbe. Dabei steuert ein System eine Referenzfarbe, während Slave-Bauelemente die Ausgabe der Referenz nachahmen. Auf diese Weise lässt sich eine konsistente Lichtabgabe über mehrere Lichtquellen hinweg erzielen – eine ideale Lösung, um beispielsweise große Strukturen wie Gebäude farbig zu beleuchten.

Diese Lösung kann jedoch das Platinenlayout erschweren, da das 5 mm2 große Bauteil an einem Ort untergebracht werden muss, an dem es dem Licht des gesamten von ihm gesteuerten LED-Arrays ausgesetzt ist, jedoch keinen anderen starken Lichtquellen. Andererseits liefert diese Lösung ein sehr exaktes System für den Umgang mit der Alterung der LEDs. Das Avago-Bauelement gibt ein PWM-Signal aus, was bedeutet, dass der Schaltungsentwickler darauf achten muss, LED-Treiber zu spezifizieren, welche sich an einen PWM-Eingang anschließen lassen.

Software und Entwicklungsboards als Designhilfe

Obwohl die Ausgabe des EZ-Color-Bausteins aus einer Kombination von Daten der Hersteller mit thermischem Feedback erzeugt wird, generiert er die gewünschten Farben aus dem gesamten Spektrum mit hoher Genauigkeit. Aus zwei Gründen lässt er sich einfach eindesignen: Erstens kann der Baustein beliebig auf der Platine platziert werden. Einzige Randbedingung im Platinenlayout ist die Position des Temperatursensors. Zweitens steht mit der Entwurfssoftware PSoC Express für EZ-Color ein einfach nachvollziehbarer Designflow zur Verfügung. Der Anwender kann damit Temperatursensoren, LED-Bausteine und Chargen auswählen und die Farbe des emittierten Lichts festlegen.

Zum System von Avago gehören ein Board und Steuersoftware, mit deren Hilfe sich Board und Sensor kalibrieren lassen. Diese Daten werden für spätere Nutzung im EEPROM gespeichert.

Während die Lichtabgabe von Glühlampen über Zeit und Temperatur relativ stabil ist, werden die Emissionen von Hochleistungs-LEDs von einem komplexen Satz von Variablen, die untereinander in Wechselbeziehung stehen, beeinflusst. Die beiden vorgestellten Lösungen von Avago und Cypress bieten sehr effektive Verfahren, um die Auswirkungen dieser Variablen zu eliminieren, was eine präzise Farbausgabe bei minimalem Designaufwand ermöglicht.

Die Lebensdauer der LED bestimmen

Ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion von Beleuchtungen ist die Auslegung ihrer Lebensdauer. Über diese Zeit müssen Lichtmenge und -qualität den vorgegebenen Werten entsprechen. Bei Leistungs-LEDs wird die zeitliche Abnahme des Lichtstroms durch Ansteuerstrom und Sperrschichttemperatur beeinflusst. Die normale Industrieeinstufung für Leistungs-LEDs gibt jedoch lediglich die durchschnittliche Zeit an, in der der Lichtstrom auf 70 % seines Spitzenwerts zurückgeht.

Philips Lumileds hat ein neues Einstufungssystem für Power-LEDs eingeführt. Das Modell der „Reliability & Lumen Maintenance“ enthält eine Aussage zum Ausfall (B) und eine Aussage zum Lichtstromerhalt (L). Eine Einstufung B50/L70 gibt die Zeit an, nach der 50% der LEDs einen Lichtstromerhalt unter 70% aufweisen.

Dieses Modell stellt dann unterschiedliche B/L-Kombinationen in zweiachsigen Grafiken dar, wobei die Lebensdauer über der Sperrschichttemperatur aufgetragen wird – mit dem Diodenstrom als Parameter. Damit kann der Beleuchtungsentwickler die optimale Kombination von Ansteuerungsstrom und Temperatur in Abhängigkeit von der effektiven Lebensdauer für seine Anwendung ermitteln bzw. die zu erwartende Lebensdauer bei gegebenem Strom bestimmen.

Mehr Informationen dazu finden Sie unter dem Link „Reliability & Lumen Maintenance“ in der Linkliste.

*Kai Klimkiewicz und Günther Herrmann sind Produktmarkteting-Ingenieure der FLS Division von Future Electronics.

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