LED-Lebensdauer Spontan-Temperaturregelung für LED-Lampen

Ein neuartiges Treiberkonzept soll LED-Lampen-Chips vor übermäßigem stromdichtebedingten Effizienzschwund, beschleunigter Alterung und vorzeitigem Ausfall bewahren. Die Stromregelung erfolgt unverzögert über eine fortlaufende LED-interne Überwachung der Grenzschichttemperatur.

Bei einem neuartigen Treiberkonzept für LED-Lampen-Chips erfolgt die Stromregelung unverzögert über eine fortlaufende LED-interne Überwachung der Grenzschichttemperatur. Ein ähnliches Verfahren wird bereits in LED-Testlaboren angewendet, allerdings erst nach vorheriger Charakterisierung der individuellen Test-LED in einer kontrollierten Temperaturkammer, um Fehler durch Exemplarstreuungen auszuschalten, wie sie sogar innerhalb eines Fertigungloses auftreten können. Da diese Vorgehensweise für die Implementierung in einem Serienprodukt kaum praktikabel ist, wird alternativ eine Startsequenz von stromgestaffelten Testimpulsen am Beginn einer jeden Inbetriebnahme vorgeschlagen, aus deren Spannungsabfall bezogen auf die mit einem externen Referenz-Temperatursensor gemessene Umgebungstemperatur das Temperaturverhalten der individuellen LED aufgrund abgelegter Kurvenschartabellen bzw. entsprechender Algorithmen eines Microcontrollers technologietypisch extrapoliert und so die Regelungsparameter des Treibers jeweils für die individuelle LED oder einen monolithisch angepassten Multi-LED-Chip bzw. LED-String bei jedem Einschalten neu eingestellt werden.

Gänzlich neu ist dieser Ansatz nicht

Während derzeit kaum ein namhafter Hersteller von LED-Treibern auf das „Thermal Foldback“ mittels externer Temperaturfühler am Kühlblech verzichten kann, um eine schädliche Überhitzung der HighPower-LEDs auszubremsen, wurde 2009 vom kalifornischen Start-up Leadis ein entsprechender Treiber-Chip entwickelt, der bereits diverse Merkmale des Konzepts mit entsprechenden Patenten aufwies aber lediglich für die Pixel-Alterungs-Kompensation von RGB-AmoLED-Displays vermarktet werden sollte. Im selben Jahr musste die Firma aufgeben. Die Produktlinie wurde von IXYS übernommen und die Schutzrechte gingen nach Südkorea.
Im Jahr 2011 meldete das Unternehmen TerraLUX ein Patent mit ähnlichen Ansätzen an, das allerdings durch die internationale Prüfung fiel, weil es mit einer NXP-Patentanmeldung von 2008 kollidierte (Bild 1).

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Bestimung der Sperrschichttemperatur

Methode zur Bestimung der Sperrschichttemperatur einer LED, die den Spannungsabfall über die Sperrschicht und damit deren Temperatur bestimmt. (Quelle: WO2009095853 (A2) ― 2009-08-06)

Die zielte zwar auch wie das Leadis-Konzept auf RGB-LED-Displays ab, zeichnete sich aber bereits durch eine periodische Zwei-Stromstärken-Messung der LED-Vorwärtsspannung zur spontanen LED-Chip-Temperaturregelung über die Treiberleistung mittels Pulsweiten-Modulation aus. Hier hatte sich offenbar die kontraproduktive Wirkung des durch die Momentanstromdichte im LED-Chip bedingten „Efficiency Droop“-Effekts bei der Pulsweiten-Modulation noch nicht herumgesprochen. Wie aus der Patentzeichnung (Bild 1D) erkennbar ist, wird hierbei näherungsweise von einem linearen Temperaturverlauf der Vorwärtsspannung Uf ausgegangen. Wie die exemplarische Kurvenschar in Bild 2 aus der TerraLUX-Patenanmeldung verdeutlicht, ist allerdings die Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Stromaufnahme über diverse Temperaturen nicht linear. Die Patentansprüche gehen schließlich auch nicht auf die Problematik der LED-Exemplarstreuung sowie deren Parameter-Degradation über die Belastungsdauer ein – ebensowenig wie auf eine Berücksichtigung der Umgebungstemperatur im Verhältnis zur LED-Chip-Betriebstemperatur als Bezugsgröße bei einer initialen Einstellung der Regelungsparameter. Eine Lösung zu diesen Problemstellungen wäre aber für eine nachhaltigere Effizienz- und Lebensdaueroptimierung von High Power LEDs unerlässlich und sollte in einer Implementierung möglichst weitgehend umgesetzt werden.

Unter dem Eindruck der NXP-Entgegenhaltung in der internationalen Prüfung wurde das vorläufige TerraLUX-Patent modifiziert und mit weiteren Merkmalen versehen, die nun auch ähnlich wie das Leadis-Konzept einen Look-up Table für die „Teach-in“-Parametrierung vorsehen, allerdings auch hier zwar einen externen Sensor einbeziehen, der aber lediglich zur Lichtstromüberwachung zwecks einer alterungskompensierenden „Lumen Maintenance“ dient (Bild 3).