Linearer Treiber-Schaltungen LEDs mit hohem Wirkungsgrad treiben

Schaltregler glänzen mit hohem Wirkungsgrad bei Nennlast - so auch zum Treiben von Leistungs-LEDs. Sollen die LEDs jedoch gedimmt werden, dann sinkt der Wirkungsgrad von Schaltreglern. Lineare Regler auf Low-Dropout-Basis dagegen können LEDs in jeder gewünschten Helligkeitsstufe mit hohem Wirkungsgrad treiben. Sie begnügen sich außerdem mit weniger Bauteilen und erzeugen weniger hochfrequente Störungen.

Ob in Mobiltelefonen, als Blitzlicht, in Taschenlampen oder in Fernsehgeräten - dank ihrer hohen Lichtausbeute sind Leuchtdioden (LEDs) die erste Wahl bei der Entwicklung „grüner“ und energiesparender Beleuchtung. Leuchtdioden funktionieren durch das Anlegen einer Gleichspannung zwischen der (positiven) Anode und der (negativen) Katode. Das Spannungs-Strom-Verhalten einer typischen weißen LED (WLED) zeigt Bild 1.

Ganz ähnlich wie bei anderen Halbleiterdioden gilt auch hier: Je höher die an die LED angelegte Spannung, desto höher der Strom und desto heller leuchtet folglich die LED.

Die in der LED umgewandelte Leistung (PLED) berechnet sich aus der Spannung an der LED (ULED), multipliziert mit dem durchfließenden Strom (ILED):

PLED = ULED × ILED

Um die Helligkeit bzw. die Leuchtdichte einer LED zu steuern, muss entweder die Spannung oder der Strom reguliert werden. Bei unzureichender Regelung kann es zu übergroßer Wärmeentwicklung oder ungleichmäßiger Leuchtdichte kommen. Würde z.B. eine einzelne Leistungs-LED in einer Taschenlampe direkt mit den 4,5 V aus drei 1,5-V-Alkali-Batteriezellen betrieben, würde der Strom in der LED unkontrolliert ansteigen und die LED dabei eventuell beschädigen.

Beim Versuch, mit derselben Spannungsquelle zwei LEDs in Reihe zu betreiben, würde für jede LED nur eine Durchlassspannung von 2,25 V zur Verfügung stehen. Sie würden nicht leuchten (Bild 1). Mit zwei statt drei Zellen (3 V) würde der LED-Strom auf ca. 100 mA begrenzt. Dieses Beispiel verdeutlicht, wozu LED-Treiber notwendig sind. Es genügt aber nicht, wahllos einen Treiber einzusetzen. Die Wahl des richtigen Treibertyps ist entscheidend für die Effizienz der Anwendung.

Abwärtswandler als LED-Treiber

Ein Abwärtswandler-LED-Treiber kann eine LED oder mehrere LEDs treiben, indem er eine höhere Eingangsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung zur Speisung der LEDs regelt (Bild 2).

In dem Beispiel der Taschenlampe von vorhin senkt der Abwärtswandler-LED-Treiber die 4,5-V-Eingangsspannung auf ca. 3,64 V an seinem Ausgang. Die LED-Spannung beträgt dann ca. 3,4 V bei einer Stromstärke von 800 mA. Ein typischer Abwärtswandler-LED-Treiber benö--tigt mindestens vier externe Komponenten: eine Drossel (L), einen Kondensator am Eingang (CE), einen Kondensator am Ausgang (CA) und einen Strommesswiderstand (R).

Der Abwärtwandler-LED-Treiber ist im Wesentlichen ein Abwärtswandler, bei dem die Ausgangsstromstärke statt der Ausgangsspannung geregelt wird. Wie in Bild 2 gezeigt, verwendet der Abwärtswandler-LED-Treiber zum Wandeln der Energie vom Eingang an den Ausgang eine externe Drossel sowie interne Leistungstransistoren. Die Ausgangsstromstärke zum Treiben der LED wird über den Messwiderstand R definiert.

Wegen der Verlustleistung im Strommesswiderstand (R) sind solche LED-Treiber absichtlich mit einer niedrigeren Leistung als bei typischen Abwärtswandlern konzipiert. Nachteil dieser Abwärtswandler-LED-Treiber ist der niedrige Wirkungsgrad bei kleinen Laststromstärken (Bild 3) - die Schaltverluste der Transistroren bleiben im Betrieb konstant und überwiegen sogar bei kleiner Auslastung.

Der Wirkungsgrad des Abwärtswandler-LED-Treibers fällt bei niedrigeren Stromstärken steil ab. Wird für eine Anwendung gefordert, dass LEDs über einen breiten Helligkeits- bzw. Leuchtdichtebereich einstellbar betrieben werden, z.B. beim Dimmen, würden Abwärtswandler-LED-Treiber bei niedrigen Stromstärken mit schlechterem Wirkungsgrad arbeiten.

Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, bestünde darin, den Abwärtswandler-LED-Treiber bei voller Leuchtdichte ein- und auszuschalten, um einen Dimmvorgang zu simulieren. Das Ein- und Ausschalten des Abwärtswandler-LED-Treibers bei Frequenzen über 100 Hz würde dem menschlichen Auge nicht als „Flackern“ erscheinen. Die Trägheit des menschlichen Auges wirkt integrierend; über das Tastverhältnis kann so der Helligkeitseindruck variiert werden - je länger die Ein-Dauer, desto höher die Leuchtdichte bzw. Helligkeit der LED. Auch wenn dieser Trick zunächst ideal erscheinen mag: Er hat Nebenwirkungen, auf die noch eingegangen wird.

Hellhörige Menschen können das Geräusch beim Ein- und Ausschalten des Abwärtswandler-LED-Treibers als akustisch störend empfinden. Der Abwärtswandler-LED-Treiber hat normalerweise eine Einschaltzeit, welche die Geschwindigkeit begrenzt, mit der er ein- und ausgeschaltet werden kann. Durch diese Begrenzung lässt sich der Abwärtswandler gewöhnlich kaum mit einer höheren Frequenz als 5 kHz ein- oder ausschalten.

Diese Frequenz liegt allerdings im menschlichen Hörbereich. Mit jedem Ein- und Ausschalten des Abwärtswandler-LED-Treibers im kHz-Bereich wechselt auch die Ausgangsspannung am Ausgangskondensator von hoch zu niedrig. Durch diesen Spannungswechsel beginnt der Keramik-Kondensator zu vibrieren - aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Der Keramikkondensator wird so zum piezoelektrischen Schallwandler, der in einer vom menschlichen Gehör gut wahrnehmbaren Frequenz Schallwellen erzeugt. Aufgrund dieses für Abwärtswandler-LED-Treiber typischen Problems steht der Entwickler dann vor der Wahl, ob er das Ärgernis in Kauf nehmen oder doch lieber nach einer besseren Schaltung suchen will.