Leuchtdioden Was beim Ansteuern von LEDs zu beachten ist

Autor / Redakteur: Paul Yeaman* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Leuchtdioden finden sich als hoch effiziente und Energie sparende Lichtquellen zunehmend auch in Beleuchtungsanwendungen. Welche Möglichkeiten der Ansteuerung es gibt und worauf Sie dabei achten sollten, verraten wir Ihnen in diesem Beitrag.

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Mit der Eroberung des Marktes durch LED-Produkte stieg exponentiell auch die Anzahl dieser Bauelemente in den verschiedenen Geräten — sei es für Beleuchtungszwecke oder andere Anwendungen. Gleichzeitig gab es neue Applikationen wie Blitzlichter, Autoscheinwerfer oder die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen.

Einer der wichtigsten treibenden Faktoren hierbei ist der höhere Wirkungsgrad (mehr Lichtausbeute pro Watt), der durch die LED-Technologie erreicht wird. Allerdings unterscheiden sich die elektrischen Eigenschaften der Leuchtdioden deutlich von denen Ihrer Vorgänger mit Glühfaden. Darüber hinaus ist die Versorgung einer LED stark abhängig von der benötigten Leistung und den allgemeinen Anforderungen im System.

Glühlampen sind nahezu ohmsche Widerstände

Herkömmliche Beleuchtungssysteme mit Glühlampen verhalten sich in etwa wie eine Widerstandslast. Der Stromverbrauch und die abgegebene Lichtleistung sind direkt abhängig von der angelegten Spannung und dem Widerstand der Lampe (Ohmsches Gesetz). Die Lichtintensität steigt oder sinkt je nach Versorgungsspannung, leicht erkennbar am Beispiel eines Autoscheinwerfers während des Startvorgangs. Bei Betrieb des Anlassers sinkt die Batteriespannung und das Licht wird schwächer. Sobald der Motor aber läuft, erholt sich die Batteriespannung wieder und das Licht kehrt zur normalen Stärke zurück.

Leuchtdioden erfordern einen konstanten Strom

Beleuchtungen auf der Basis von LEDs haben aber ein im Vergleich zu Glühlampen grundsätzlich unterschiedliches Verhalten. Die Lichtstärke wird vom Strom bestimmt und der Widerstand einer LED verändert sich in Abhängigkeit zur Lichtleistung. Anstatt eine gleichmäßige Helligkeit über eine konstante Spannung und einen festen Vorwiderstand zur erreichen, benötigen LEDs einen konstanten Strom. Je nach Leistung der LED kann dies auf verschiedene Arten realisiert werden.

Im einfachsten Fall genügt ein Vorwiderstand

Bild 1: Für kleine LED-Leistungen genügt ein einfacher Vorwiderstand (Archiv: Vogel Business Media)

Für kleine Leistungen genügt die einfache und kostengünstige Schaltung wie in Bild 1. Verglichen mit dem Vorwiderstand ist der effektive Widerstand der LED klein. Der Strom wird deshalb hauptsächlich durch das Verhältnis V/R bestimmt. Allerdings hat diese Schaltung auch entscheidende Nachteile:

  • Die Lichtstärke hängt von der Versorgungsspannung ab. Deren Änderung hat direkten Einfluss auf den Strom und somit auf die Helligkeit der Leuchtdiode. In obigen Beispiel des Autoscheinwerfers würde auch eine LED beim Motorstart dunkler werden.
  • Diese einfache Lösung mit Vorwiderstand nutzt nicht die Vorteile des erhöhten Wirkungsgrades einer LED. Da der Vorwiderstand R sehr groß im Verhältnis zum Innenwiderstand der LED ist, entsteht an ihm ein Großteil der Verluste.

Bei höherer Leistung der LED ist eine Stromregelung sinnvoll

Bild 2: Für LEDs mit höherer Leistung wird Stromregelung benötigt, wie die abgebildete mit PRM-Regler und VTM-Spannungsübertrager aus der V•I-Chip-Reihe (Archiv: Vogel Business Media)

Für LEDs mit höherer Leistung wird daher eine Schaltung benötigt, die den Strom regelt und damit den Vorteil des hohen Wirkungsgrades einer LED ausnutzt. Das Beispiel einer Schaltung ist in Bild 2 gezeigt.

Der PRM-Regler (Power Regulator Module) und der VTM-Spannungsübertrager (Voltage Transformation Module) aus der V•I-ChipReihe von VICOR wurden speziell für das Erzeugen einer geregelten Spannung entwickelt. Beim Einsatz als LED-Versorgung muss die Schaltung daher so modifiziert werden, dass sie einen geregelten Strom liefert. Dies ist möglich durch den Einsatz eines Stromverstärkers und eines Regelkreises.

Der Aufbau einer Konstantstromquelle mit den PRM- und VTM-Bausteinen hat verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Schaltungen. Der VTM ermöglicht die Multiplikation des Stromes direkt an der Last. Sein Ausgangsstrom ist direkt proportional zum Eingangsstrom und dieses Verhältnis wird durch das Übersetzungsverhältnis K bestimmt: Iout = Iin / K.

In einer Stromregelschaltung kann man daher den Eingangsstrom des VTM messen und regeln, um damit den Ausgangsstrom zu kontrollieren. Das Erfassen eines niedrigeren Stromes erfordert einen kleineren Shunt und erzeugt damit weniger Verluste. Da die V•I Chips selbst einen sehr hohen Wirkungsgrad haben und extreme Leistungsdichten erreichen, wird die gesamte Schaltung zur Versorgung einer LED sehr klein, sie benötigt wenig Kühlung und maximiert die Lichtausbeute pro Watt Verlustleistung.

Der LED-Strom ist unabhängig von der Versorgungsspannung

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass der Strom durch die LED Iout nicht von der Versorgungsspannung abhängig ist. Im Beispiel des Autoscheinwerfers würde das LED-Licht auch während des Anlassvorgangs mit unveränderter Stärke weiterleuchten, da der Strom auch bei sich ändernder Batteriespannung konstant bleibt.

Das PRM-Modul stellt einen variablen negativen Widerstand dar, der sich ja nach Höhe der Versorgungsspannung ändern kann. Damit ist es möglich, den Strom konstant zu halten. Selbstverständlich ist das PRM ein getakteter Wandler und kein echter Widerstand. Die Verluste sind deshalb gering. Sie hängen nicht von der Versorgungsspannung ab, sondern entstehen hauptsächlich in der LED selbst. Der Wirkungsgrad der kompletten Schaltung wird damit von der Effizienz der verwendeten LED bestimmt.

Höherer Entwicklungsaufwand als bei der Lösung mit Vorwiderstand

Einer der Nachteile dieser Schaltung ist allerdings deren Komplexität im Vergleich zur Schaltung in Bild 1, was den Aufwand bei der Entwicklung deutlich erhöht. Gleichzeitig steigen auch die Kosten und die Schaltung eignet sich eher für LEDs mit hoher Leistung, bei denen es auf maximalen Wirkungsgrad und geringe Verluste ankommt. Der höhere Schaltungsaufwand wird dann durch die eingesparten Energiekosten kompensiert.

Jede Lösung hat ihre Vorzüge

Zusammenfassend kann man sagen, dass je nach Leistungsbedarf der LED verschiedene Lösungen zum Einsatz kommen, die von simplen Schaltungen bis zu komplexen geregelten Systemen reichen können. Vorwiderstände zur Strombegrenzung wie in Bild 1 sind einfach und billig, aber ineffizient und nicht geeignet für LEDs mit höherer Leistung.

Regelbare Stromquellen wie in Bild 2 maximieren Wirkungsgrad und Platzausnutzung, bedeuten aber mehr Komplexität und höhere Kosten. Dafür bieten sie aber auch eine Unabhängigkeit von Schwankungen der Eingangsspannung, was je nach System mehr oder weniger wichtig sein kann. Der Entwickler einer Stromversorgung für LEDs sollte daher je nach der Anforderung im Gesamtsystem die verschiedenen Lösungen in Betracht ziehen.

*Paul Yeaman ist Manager VI Chip Applications bei der Vicor Corporation in Andover, USA.

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