Displaybeleuchtung Weiße LEDs für die Hintergrundbeleuchtung in tragbaren Geräten ansteuern

Um Strom zu sparen, werden in zahlreichen tragbaren Geräten weiße LEDs zur Display-Hintergrundbeleuchtung eingesetzt. Ein hocheffizienter Treiberbaustein vereinfacht dabei das Design der LED-Treiberschaltung. Der kapazitiver DC/DC-Wandler mit vier Konstantstromausgängen steuert die Helligkeit der weißen LEDs mit einer genauen Stromanpassung, ohne dass zusätzliche Lastwiderstände erforderlich sind.

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Jauch Quartz GmbH

Bicker Elektronik GmbH

Keysight Technologies Deutschland GmbH

Die rasche Verbreitung der Farbdisplays in tragbaren Geräten lässt sich durch den Wunsch der Kunden nach mehr Informationen und durch die Einführung integrierter (Foto-)Kameras erklären. Die Entwicklung hocheffizienter weißer LEDs bietet dabei eine interessante Alternative bezüglich der Displaybeleuchtung. Um alle Farben unter sämtlichen Umgebungsbedingungen korrekt wiedergeben zu können, muss eine breitbandige Lichtquelle (z.B. weißes Licht) zur Verfügung stehen. Dafür gibt es zahlreiche Technologien zur Display-Hintergrundbeleuchtung wie beispielsweise Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFL), Elektrolumineszenzlampen (EL) und seit neuestem auch weiße LEDs.

Da die ersten beiden Alternativen jedoch eine hohe Wechselspannung von mehreren 100 V benötigen, lässt sich die weiße LED mit einer Niederspannungsquelle unterhalb von 5 V betreiben. Genau dieses Merkmal macht die weiße LED so interessant für einen Einsatz, vor allem in batteriebetriebenen Applikationen.

Helligkeit der weißen LED durch Stromregulierung anpassen

Bei einer weißen LED ist die Helligkeit (logarithmisch) proportional zum Durchlassstrom der Diode. Damit Strom fließt, muss an die Diode eine Vorspannung angelegt werden, die größer als der Durchlass-Spannungsabfall der Diode ist. Der Durchlassspannungsabfall einer Diode ist ein Merkmal für die LED-Farbe, z.B. blau 4,5 V, weiß 3,6 V und rot 2 V, und damit auch für das Material zur Diodenherstellung.

Die Stromversorgung in Handheld-Produkten gewährleistet meist eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zelle. Diese weist während des Entladezyklus eine Zellenspannung von 4,2 (Typ-abhängig) bis hinab zu 2,7 V auf. Um eine weiße LED während des gesamten Entladezyklus ansteuern zu können, muss die Zellenspannung von ihrem niedrigsten Wert (2,7 V) auf die für die LED erforderliche Minimalspannung von 3,6 V angehoben werden. Dazu wird entweder ein DC/DC-Boost-Konverter mit einer externen Induktivität verwendet, oder die Spannung mit einem kapazitiven DC/DC-Wandler, einer sog. Ladungspumpe, erhöht und reguliert. In Bild 1 ist die Entladungskurve einer Lithium-Ionen-Zelle dargestellt.

Zwei Arten die Helligkeit der Display-Hintergrundbeleuchtung zu regeln

In zahlreichen Applikationen kommt es darauf an, die Helligkeit der Display-Hintergrundbeleuchtung regeln zu können. Dies lässt sich auf zwei Arten bewerkstelligen: über eine konstante Regelung des Stromflusses durch die Diode oder mittels einer PWM-Steuerung, die den Strom einstellt und reguliert. Zur Stromregelung wird meist eine PWM-Frequenz zwischen 100 Hz und 10 kHz verwendet. Die max. Helligkeit ergibt sich dabei für Ströme zwischen 15 und 30 mA.

In gängigen Anwendungen dienen mehrere LEDs als fertige Lösung. Dabei kann aufgrund von Abweichungen im Diodenfertigungsprozess der Durchlassspannungsabfall von Diode zu Diode verschieden sein. Diese Abweichungen können je nach Zusammenschaltung zu unterschiedlichen LED-Helligkeiten führen.

• Serienschaltung aller LEDs

Eine Serienschaltung aller LEDs stellt sicher, dass der gleiche Strom durch alle LEDs fließt und diese mit gleicher Helligkeit leuchten. Der Nachteil dabei ist die erforderliche höhere Spannung für die Durchlassfähigkeit. Sechs Dioden erfordern für einen korrekten Betrieb demnach min. 22 V (6 3 3,6 V). Außerdem könnte eine LED ausfallen, wobei ein offener Schaltkreis entsteht – die Versorgung der anderen Dioden wäre abgeschnitten.

Die Beleuchtung fiele nicht nur vollständig aus, auch zusätzlicher Schaden kann durch den induktiven DC/DC-Wandler entstehen. Über ihn erhöht sich die Ausgangsspannung auf Werte oberhalb der Bauteilbetriebsgrenze, während gleichzeitig versucht wird, einen konstanten Strom durch einen offenen Schaltkreis zu treiben.

• Parallelzweige

Andere Anordnungen dieser Art verwenden Parallelzweige seriell miteinander verbundener Dioden, beispielsweise zwei Zweige mit jeweils drei LEDs. Beim Durchlassspannungsabfall ergeben sich für jede diese Dioden Unterschiede, da sich aber mehrere Dioden in jedem Zweig befinden, gleichen sich die Unterschiede zwischen den Zweigen mehr oder weniger aus. Ein Widerstand in jedem Zweig kann den Einfluss unterschiedlicher Durchlassspannungsabfälle vermindern. Beträgt der Durchlassspannungsabfall der LEDs weniger als der Nennwert, erhöht sich der Strom. Damit erhöht sich der Spannungsabfall entlang des Widerstands, und der Strom verringert sich. Somit stellt der Widerstand eine Gegenkopplung dar. Andererseits befindet sich nun ein weiteres Bauteil in der Schaltung, das Verlustleistung erzeugt und dadurch den Wirkungsgrad reduziert.

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