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Vorkondensator und Konstantstromregler: Einfache LED-Versorgung

Halbleiterbasierte Beleuchtungslösungen werden immer beliebter und finden sich in zahlreichen Anwendungen wie LED-Lampen, Anzeigen und Hintergrundbeleuchtungen. Allerdings ist die Ansteuerung dieser Leuchtmittel deutlich komplexer. Doch das muss nicht sein, wie eine Topologie bestehend aus Vorkondensator und Konstantstromregler beweisen möchte.

Durch den vermehrten Einsatz halbleiterbasierter Beleuchtungslösungen steigt auch die Notwendigkeit, LED-Ketten optimal anzusteuern, um eine lange Lebensdauer und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Von Entwicklern wird aber auch verlangt, dass sie die Design-komplexität und Bauteilanzahl und somit die Gesamtkosten von LED-Beleuchtungslösungen verringern. Dieser Beitrag beschreibt, wie eine LED-Ansteuerung auf Basis eines Konstantstromreglers (CCR, Constant Current Regulator) und einer Vorkondensator-Topologie diese Anforderungen erfüllen und energieeffiziente, kostengünstige, robuste und langlebige Systemdesigns ermöglichen soll.

Grundlegende optoelektronische Prinzipien verlangen, dass LEDs mit einem Bias-Strom versorgt werden müssen, der unterhalb des maximalen Betriebsstroms ILED+ liegen muss. Da LEDs eine exponentielle Abhängigkeit zur Durchlassspannung UF aufweisen, können kleine Spannungsänderungen große Stromschwankungen verursachen. Die Exponentialfunktion des Stroms (Gleichung 1) hängt einerseits von den Materialeigenschaften (Diffusionslänge, intrinsische Ladungsträgerkonzentration, Akzeptor- und Donor-Dotierungskonzentrationen), andererseits von den physikalischen Parametern der Sperrschicht (Temperatur und Fläche) ab.

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Dabei sind I0 der Sperrstrom, q die Elementarladung, k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur der Sperrschicht in Kelvin. Für eine Kette mit n LEDs in Serie lässt sich die Summe der Durchlassspannungsabfälle bei einem bestimmten LED-Strom nach Gleichung 2 bestimmen.

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Die Abweichung der LED-Spannung wird als ±∆U beschrieben. Jede dieser seriellen Gruppen kann durch m parallele LEDs ersetzt werden. Dadurch erhöht sich der Strom auf ILED(Total) nach Gleichung 3.

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Werden die LEDs mit einem zu hohen Durchlassstrom angesteuert, kann dies die LEDs im Strang dauerhaft schädigen, deren Lebensdauer verringern und somit die Gesamtzuverlässigkeit beeinträchtigen. In den meisten Anwendungen sind zudem Helligkeitsschwankungen des LED-Lichts unerwünscht. Daher müssen die LEDs mit einem konstanten Strom korrekt versorgt werden, damit ein dauerhaft stabiler Betrieb des Beleuchtungssystems gewährleistet ist.

Konstanter Strom, konstante Helligkeit

Bild 1: Vorkondensator-Topologie mit Konstantstromregler für die LED-Ansteuerung Bildquelle: © ON Semiconductor

Bild 1: Vorkondensator-Topologie mit Konstantstromregler für die LED-Ansteuerung

Ein Konstantstromregler ist ein Self-Biased-Transistor, der einen festen Strom bereitstellt - unabhängig von jeglichen Spannungsschwankungen seitens der Quelle oder der zu versorgenden Last. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz kann ein Konstantstromregler nur als Quelle oder als Senke für einen geregelten Strom auf einem Strang dienen. Er fungiert wie ein Linearregler und fängt Versorgungsspannungsschwankungen oder Änderungen der LED-Durchlassspannung ab, die sich durch Fertigungs- oder Losabweichungen ergeben.

Bild 1 zeigt die Umsetzung der Vorkondensator-Topologie für LED-Beleuchtungen, die über einen Konstantstromregler angesteuert werden. Es ergibt sich ein einfacherer, effizienterer Schaltkreis als bei herkömmlichen Ansteuerungen.

Die Bauteilanzahl fällt geringer aus und damit sinken auch die Kosten für die Stückliste. Ein teurer Transformator erübrigt sich.

Bild 2: Allgemeine Strom-Spannungscharakteristik eines Konstantstromreglers (bei +25 °C) Bildquelle: © ON Semiconductor

Bild 2: Allgemeine Strom-Spannungscharakteristik eines Konstantstromreglers (bei +25 °C)

Zu den wesentlichen Bestandteilen des Schaltkreises zählt der Konstantstromregler. Übersteigt der Strom den Regelstrom des Reglers IReg, steigt dessen Spannungsabfall UAK, um die LEDs oder anderen zum Regler in Serie geschalteten Bauteile auf dem Regelstrom zu halten. Je nach Konstantstromregler beträgt UAK meist 1,8 V. Um in einer sehr tiefen Sättigung zu bleiben, sollte der Regler mit einer UAK größer 3 V vorgespannt werden.

Die allgemeine Strom-Spannungscharakteristik ist in Bild 2 dargestellt. Um den Regler optimal an die LEDs anzupassen, muss IReg in etwa gleich groß wie ILED der verwendeten LEDs sein.

UAK über dem Regler wird über die Versorgungsspannung bereitgestellt und von der Durchlassspannung der LEDs subtrahiert. Bei der hier verwendeten Vorkondensator-Topologie kann der Entwickler UAK definieren, da der Koppelkondensator C den Großteil der Spannung übernimmt.

Der Koppelkondensator lädt beide Platten und gibt die Ladung als Strom phasenverschoben zur Spannung ab. Die äquivalente AC-Impedanz XC ergibt sich aus Gleichung (4).

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Dies zeigt, dass der Strom durch die Spannung nicht nur skaliert, sondern auch um 90° (π/2) phasenverschoben wird. Um sicherzustellen, dass genügend Ladung auf dem Kondensator ist, um die LEDs mit Strom zu versorgen, sollte C so bemessen sein, dass der Spitzenstrom dem LED- beziehungsweise Reglerstrom IREG bei UP- entspricht. Mithilfe von Gleichung 5 lässt sich die Größe des Kondensators festlegen.

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Beim Einsatz eines Koppelkondensators in dieser Anwendungsart wird ein Hochspannungs-Metallfolienkondensator empfohlen. Ändert sich die Spannung von UP- auf UP+, sammelt der Koppelkondensator C zusätzliche Ladung auf seinen Platten. Diese Ladung kann nicht über den Konstantstromregler-Strang abgeführt werden und sammelt sich an der Anode des oberen und an der Kathode des unteren Bauteils im Regler-/LED-Strang. Dort tritt sie als Spannung auf. Damit diese Bauteile nicht überlastet werden, wird eine Zener-Diode parallel zum Regler-/LED-Strang platziert. Erreicht der Regler die Sättigung (UAK über 3 V), schaltet die Zener-Diode durch und leitet die überschüssige Ladung ab. Die Zener-Spannung sollte daher höher als der Gesamtspannungsabfall der LEDs sein.