Kaltleiter als Strombegrenzer für LEDs Hitzetod ausgeschlossen

Wie bei allen Halbleitern ist auch die maximale Verlustleistung von LEDs temperaturabhängig. Um den Hitzetod zu vermeiden, muss daher die zugeführte Leistung ab einer bestimmten Temperatur abgeregelt werden. Mit einem PTC lässt sich dies besonders einfach und elegant lösen.

Wie bei allen Halbleitern ist auch die maximale Verlustleistung von LEDs temperaturabhängig. Um den Hitzetod zu vermeiden, muss daher die zugeführte Leistung ab einer bestimmten Temperatur abgeregelt werden. Mit einem PTC lässt sich dies besonders einfach und elegant lösen.

LEDs haben sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt: von einem Nischendasein als reine Indikatorlampe wie in Einschaltkontrollen hin zu Hochleistungs-LEDs mit einer Lichtemission von inzwischen über 100 lm. Schon bald könnten sich die Beleuchtungskosten mit LEDs in ähnlichem Rahmen bewegen wie bei klassischen CCFL-Leuchten (Cold Cathode Fluorescent Lamp). Sie sind damit zunehmend auch für Anwendungen in der Kfz-Beleuchtung, als LED-Lichtquelle in und an Gebäuden oder als LED-Hintergrundbeleuchtungen von LC-Displays in Notebooks und Fernsehgeräten interessant.

Mit den Fortschritten bei den Hochleistungs-LEDs treten in der Designphase vermehrt thermische Aspekte in den Vordergrund. Wie alle Halbleiter dürfen auch LEDs nicht zu heiß werden, um einem beschleunigten Leistungsabfall oder im schlimmsten Fall einem Totalausfall vorzubeugen. Obwohl der Wirkungsgrad einer Hochleistungs-LED besser als der einer Glühlampe ist, wird auch hier ein hoher Anteil der Eingangsleistung nicht in Licht, sondern Wärme umgesetzt. Wichtige Voraussetzungen für den sicheren Betrieb sind daher eine gute Wärmeabfuhr und die Berücksichtigung hoher Umgebungstemperaturen schon in der Designphase.

Auch bei der Dimensionierung der Ansteuerelektronik sind thermische Aspekte zu berücksichtigen: Der Vorwärtsstrom der LEDs muss so gewählt werden, dass sich der LED-Chip selbst bei maximaler Umgebungstemperatur nicht überhitzt. Dazu muss man den maximal akzeptablen Strom bei steigender Temperatur senken; dies wird als Derating bezeichnet. Hersteller von LEDs geben in den Spezifikationen die Derating-Kurve an (Bild 1).

Der Betrieb von LEDs mit einer temperaturunabhängigen Stromquelle hat den Nachteil, dass die Leuchtdiode bei Übertemperatur außerhalb der Spezifikation läuft. Zudem fließt durch die Lichtquelle bei niedrigen Temperaturen ein Strom, dessen Wert deutlich unter dem maximal zulässigen liegt (rote Kurve in Bid 1).

Eine Kontrolle des LEDStroms entsprechend der grünen Kurve in Bild 1, wie sie sich durch den Einsatz von PTC-Thermistoren in der Treiberschaltung erzielen lässt, ist also eine wesentliche Verbesserung. Unter anderem ergeben sich dadurch folgende Vorteile:

  • Erhöhen des Vorwärtsstroms und damit der Lichtleistung bei Raumtemperatur.
  • Kostenersparnis, da sowohl die Möglichkeit besteht, die Anzahl der LEDs zu verringern als auch preisgünstigere Treiber- ICs ohne integrierte Funktion zum Thermomanagement zu nutzen.
  • Die Möglichkeit, eine Treiberschaltung ohne ICSteuerung zu entwerfen, ohne auf eine Variation des LED-Stromes mit der Temperatur zu verzichten.
  • Absicherung des Einsatzes preisgünstigerer LEDs mit ausgeprägterem Derating und geringerer Sicherheitsreserve.
  • Auf Grund des Überhitzungsschutzes erhöht sich die Zuverlässigkeit.
  • Das thermomechanische Design inklusive Kühlkörper vereinfacht sich.

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Wie in Bild 2, Schaltung (3) dargestellt, können LEDs auch ohne Ansteuer-IC betrieben werden. Als Beispiel dient eine Schaltung, die eine einzelne 200-mA-LED aus dem Kfz-Bordnetz versorgt. Um von den Schwankungen der Versorgungsspannung unabhängig zu sein, erzeugt ein Spannungsregler eine stabile Versorgungsspannung Vstab von 5 V. Die LED wird mit Vstab betrieben, und der Strom über ein in Reihe zur LED geschaltetes Widerstandselement Rset eingestellt. In einer derartigen Schaltung ergibt sich der temperaturunabhängige Vorwärtsstrom gemäß der Formel [2], wobei VDiode die Vorwärtsspannung einer einzelnen LED bezeichnet. Alternativ kann statt des Festwiderstands Rset eine Kombination aus einem radialen, bedrahteten PTC-Thermistor des Typs »B59940C0080A070« (R25 = 2,3 Ω) und zwei Festwiderständen gemäß Bild 5 eingesetzt werden. Der daraus resultierende Vorwärtsstrom berechnet sich gemäß Formel [3].

Da ein wesentlicher Anteil des LED-Stroms durch den PTCThermistor selbst fließt, wurde ein größeres bedrahtetes Bauelement in radialer Ausführung ausgewählt. Ein wesentlich kleinerer Chip-PTCThermistor würde sich auf Grund des fließenden Stromes zu stark selbst erwärmen und den Strom unabhängig von der Umgebungstemperatur immer abregeln (Bild 5). Durch eine Parallelschaltung von zwei oder mehr Chip- PTC-Thermistoren könnte der Strom zwar aufgeteilt werden, doch sind diesem Konzept Grenzen gesetzt.

Durch entsprechende Auswahl der beiden Festwiderstände lässt sich der Strom im Wesentlichen auf den gewünschten Wert einstellen. Zusätzlich spielen die Festwiderstände eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der Schaltung. So halten sie die Toleranz des resultierenden LED-Vorwärtsstroms gering. Das ist im normalen Betriebstemperaturbereich, in dem der PTC-Thermistor selbst eine hohe Widerstandstoleranz aufweist, besonders wichtig. Außerdem stellt der zweite, parallel geschaltete Festwiderstand sicher, dass der PTC die LED selbst bei extremer Übertemperatur nicht komplett abschaltet. So fällt der Strom niemals unter [4]. Diese Eigenschaft ist beispielsweise in der Automobil- Elektronik äußerst wichtig, da hier Sicherheitsanforderungen eine Totalabschaltung der Lichter nicht zulassen. (rh)