High-Power-LEDs Passive Bauelemente in LED-Ansteuerungen optimieren

High-Power-LEDs ermöglichen ein flexibles Lichtdesign zu einem verhältnismäßig niedrigen Preis bei geringerem Stromverbrauch. Um das Potenzial von LED-Beleuchtungen voll auszuschöpfen, ist eine präzise Stromregelung erforderlich. Für deren optimales Design ist neben dem Controller-IC die Wahl der richtigen passiven Bauelemente entscheidend.

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

NIC Components Europe Ltd.

LEDs lassen sich bei niedrigen Spannungen mittels elektronischer Schaltungen gezielt regeln. Dank weiterer Verbesserungen bei Materialien und Aufbau lassen sich heute Power LEDs konfigurieren, die ausreichend helles Licht für Theaterbühnen, Gebäude, Straßen und Beschilderungen liefern.

Die Einführung weißer High-Power-LEDs hat das Anwendungsspektrum und die damit erzielbaren Effekte deutlich erweitert. Weiße LEDs kommen bereits in Fahrzeugscheinwerfern zum Einsatz, farbige LEDs in Rück-, Blink- und Bremsleuchten sowie zur Innenraumbeleuchtung. Das größte Potenzial für High-Power-LEDs liegt jedoch nicht in neuen Designs, sondern im Austausch herkömmlicher Glühlampen.

Farbtreue dank Stromregelung

Der Einsatz von High-Power-LEDs bei der Beschilderung und Beleuchtung erfordert eine genaue Regelungstechnik. Besonders wichtig ist dabei die Stromregelung, da die Intensität und Farbtemperatur des abgegebenen Lichts proportional vom LED-Strom abhängen. Eine effiziente Stromregelung maximiert zudem die Zuverlässigkeit und Lebensdauer, da übermäßige Wärme durch schlechte Regelung das Bauteil schnell zerstören kann.

Um unterschiedliche Beleuchtungseffekte erzeugen zu können, ohne dabei die Farbcharakteristik des abgestrahlten Lichts zu beeinträchtigen, sollte die Regelung einen konstanten Spitzenstrom gewährleisten. Eine gleichbleibende Farbtemperatur ist vor allem in Anwendungen entscheidend, die eine genaue Mischung aus rot, blau und grün unabhängiger Lichtquellen erfordern. Dazu zählt beispielsweise eine Bühnenbeleuchtung oder architektonische Leuchten, wo sich zahlreiche Beleuchtungseffekte durch das Dimmen einzelner Strahler ergeben.

Strombegrenzungswiderstand ist eine einfache Lösung

Die Beziehung zwischen Strom und Lichtstärke ist annähernd linear. Ein Strombegrenzungswiderstand stellt eine einfache Lösung zur Stromregelung in Anwendungen mit geringer Helligkeit dar. Hohe Fertigungstoleranzen und die Temperaturabhängigkeit der LED-Parameter (vor allem der Durchlassspannungsabfall UF) erfordern hingegen eine aktive Stromregelung großer Power-LED-Anordnungen.

Ein Buck- oder Boost-Wandler (Abwärts- bzw. Aufwärtswandler) steuert dabei mehrere in Serie geschaltete Power-LEDs und stellt einen gleichmäßigen Strom in jedem Emitter sicher. In Systemen mit Farbmischung werden die roten, grünen und blauen Arrays über getrennte Stromregelungsschaltkreise einzeln angesteuert.

Es gibt eine Vielzahl von LED-Controller-ICs für Beleuchtungsapplikationen. Zu den Auswahlkriterien zählen Kosten, maximaler Nennstrom, Größe und erforderliche Dimmerleistung. Ein lineares Dimmerschema lässt sich einfach implementieren und über eine Analogspannung regeln. Ein solches Schema ist aber nur anwendbar, wenn Änderungen der abgestrahlten Farbtemperatur akzeptabel sind.

Die Wahl des richtigen Wandlers

Ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Dimmerschema hält den Spitzenstrom und damit die Farbtemperatur konstant, selbst wenn sich die Helligkeit im Laufe der LED-Lebensdauer verringert. Der Schaltstromregler-IC lässt sich entweder mit einer festen hohen Frequenz, mit frequenzvariabler PWM oder mit Hysterese betreiben. Das Dimmen geschieht über eine niederfrequente PWM, wobei das Dimmersignal dem regulierten Strom überlagert wird. Zahlreiche Controller unterstützen sowohl lineares Dimmen als auch Festfrequenz-PWM-Dimmen. Die frequenzvariable PWM vereinfacht hingegen das IC-Design.

Die Wahl eines Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Wandlers wird meist durch die Beziehung zwischen der DC-Eingangsspannung und der LED-Busspannung vorgegeben. Da mehrere LEDs parallel geschaltet sind und der Spannungsabfall in Durchlassrichtung (UF) bei jeder LED in etwa 3,5 V beträgt, kann der Spannungsabfall über die gesamte Anordnung eine Busspannung erfordern, die höher liegt als die DC-Eingangsspannung. Dies führt zur Wahl eines Boost- oder Buck-Boost-Wandlers – beispielsweise bei der 12-V-Beleuchtung in Fahrzeugen.

In anderen Applikationen kann eine AC-Versorgung oder ein DC-Eingang im Bereich von 40 bis 48 V oder höher zur Verfügung stehen. Ist der resultierende DC-Eingang zum Controller höher als die erforderliche LED-Busspannung, eignet sich eine Buck-Topologie.

In Abhängigkeit vom LED-Nennstrom innerhalb der Anordnung, von den Kosten und Größenabwägungen, stehen Controller-ICs mit integriertem Schalter zur Verfügung, die die Stromversorgung des LED-Arrays regeln. Alternativ kann der Wandler einen externen MOSFET steuern, der als Schalter für hohe Ströme fungiert.

Passive Bauelemente richtig auswählen

Unabhängig vom gewählten Regelungsschema sind ein einfaches Design-in und eine geringe Bauteilanzahl zwei wesentliche Aspekte, die Entwickler bei der Wahl eines Controllers beachten müssen. Zu den wichtigen externen Komponenten zählt ein Fühlerwiderstand, der in Reihe an die LED-Anordnung angeschlossen wird, um eine Abtastspannung zwischen zwei externen IC-Pins bereitzustellen. Hinzu kommen eine Induktivität zur Begrenzung der LED-Stromwelligkeit und Filterkondensatoren über dem DC-Eingang, dem Ausgangsbus oder beiden.

Bei der Wahl der externen Blindstromkomponenten des Controllers beeinflussen die gewählten Werte die Betriebseffizienz des Systems und die Lebensdauer der LEDs. Bei einer hohen Schaltfrequenz fällt die Betriebseffizienz der Schalter-Controller-Kombination maximal aus, was zu kleinen Induktivitäts- und Kapazitätswerten führt und eine kompakte Implementierung ermöglicht.

Hohe Stromwelligkeit mindert den Wirkungsgrad

Die gewählten Werte beeinflussen aber auch die Stromwelligkeit in den LEDs. Eine hohe Stromwelligkeit mindert den Wirkungsgrad. Sie setzt die LEDs hohen Spitzenströmen aus, führt zu einer kürzeren Lebensdauer und erfordert einen hohen Spitzen-Nennstrom für die Induktivität. Letzteres erfordert wiederum eine große Spule. Die Induktivität und der Spitzen-Nennstrom der Spule werden auf Basis der maximal tolerierbaren Welligkeit berechnet.

Dabei kommt eine Standard-Induktivität zum Einsatz, die dem berechneten Induktivitätswert und den Spitzenströmen am nächsten liegt. Zu vermeiden ist dabei eine elektromagnetische Beeinflussung benachbarter Bauteile im System. Hier bieten sich geschirmte SMD-Induktivitäten aus der NPIS-Baureihe von NIC Components an. Sie tragen zu einer geringeren EMI bei.

Lebenserwartung bei der Kondensatorwahl beachten

Herkömmliche Elektrolyt-Kondensatoren verursachen einen großen äquivalenten Serienwiderstand (ESR), was zu einer hohen Verlustleistung aufgrund der Stromwelligkeit führt. Daher muss der Entwickler bei der Wahl des Kondensators auf einen niedrigem ESR-Wert achten. Die Flüssigelektrolyt-Aluminiumkondensatoren der NACZ-, NACZF- oder NACX-Baureihen oder die Hybrid-Elektrolyt-Aluminiumkondensatoren der NSPE-Reihe von NIC erfüllen diese Voraussetzungen.

Die Lebenserwartung sollte bei der Wahl der Kondensatoren mit beachtet werden, da Applikationen mit High-Power-LEDs meist eine Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden aufweisen. Ein kleiner MLCC-Kondensator kann parallel zum Elektrolyt-Kondensator geschaltet werden, um die Stromwelligkeit zu dämpfen. Der erforderliche Kapazitätswert hängt vom maximalen LED-Dauerstrom und der Schaltfrequenz des Wandlers ab.

Leistungsstarke Stromfühlerwiderstände

Bei der hohen Anzahl verfügbarer LED-Controller wird der Wert des Stromfühlerwiderstands so gewählt, dass sich der gewünschte LED-Strom einstellt. Der Controller-IC vergleicht die Abtastspannung mit einer internen Spannungsreferenz und bestimmt, ob die LED-Anordnung ein- oder ausgeschaltet werden soll. Der Stromfühler stellt eine Abbildung des LED-Stroms dar. Sein Wert muss sicherstellen, dass die rückgekoppelte Spannung mit dem gewünschten LED-Treiberstrom korrespondiert.

Der gewählte Wert ist ein Kompromiss zwischen der geforderten geringen Verlustleistung und einer optimalen Immunität gegen Spannungsrauschen. In einem Schaltkreis mit Hysterese-Controller trägt beispielsweise ein einziger Stromfühler den gesamten LED-Strom. Beträgt dieser 1,5 A, was ein gängiger Wert für architektonische Beleuchtungen oder Beschilderungen ist, verbraucht ein 0,1-Ω-Widerstand 0,225 W Leistung. Geeignete SMD-Stromfühler mit bis zu 3 W bietet die NCSP-Reihe von NIC.

Große Kühlkörper oder IMS gegen Überhitzung

Selbst mit einer hochoptimierten Regelung wandeln Power-LEDs immer noch eine große Energiemenge in Wärme um. Große Kühlkörper oder isolierte Metallsubstrate (IMS) können eine Überhitzung oder Zerstörung des Bauteils verhindern. Auch Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände müssen den normalen Betriebstemperaturen einer Power-LED-Anordnung Stand halten. Die elektronischen Bauteile können dabei Temperaturen von bis zu 125 °C ausgesetzt sein.

*Mark Osborne ist General Manager bei NIC Components Europe.

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