LED-Treiber für die Ansteuerung von Hochleistungs-Leuchtdioden im Fahrzeug Es werde Licht

Leuchtdioden finden eine immer größere Verbreitung in Fahrzeugbeleuchtungen, doch ihre Ansteuerung ist keineswegs trivial. Wie sich LEDs zuverlässig mit Konstantstrom ansteuern lassen und welche möglichen Topologien sich für den Einsatz im Fahrzeug eignen, erklärt dieser Artikel am Beispiel der LED-Treiber-Bausteine des Herstellers Supertex.

LED-Treiber für die Ansteuerung von Hochleistungs-Leuchtdioden im Fahrzeug

Leuchtdioden finden eine immer größere Verbreitung in Fahrzeugbeleuchtungen, doch ihre Ansteuerung ist keineswegs trivial. Wie sich LEDs zuverlässig mit Konstantstrom ansteuern lassen und welche möglichen Topologien sich für den Einsatz im Fahrzeug eignen, erklärt dieser Artikel am Beispiel der LED-Treiber-Bausteine des Herstellers Supertex.

Leuchtdioden (LEDs) sind seit Jahren die erste Wahl für Fahrzeug-Innenbeleuchtungen, speziell für Signal-Anzeigen. Durch die Fortschritte in der LED-Technologie werden diese nun auch in Außenanwendungen eingesetzt. Obwohl hauptsächlich in Zusatzbremsleuchten und kombinierten Rücklichtern eingesetzt, gewinnen sie für die meisten Fahrzeuginnen- und -außenbeleuchtungen mehr und mehr an Bedeutung.

Halbleiter-Lichtquellen erfreuen sich durch Eigenschaften wie geringe Größe, Robustheit, lange Lebensdauer und hohen Wirkungsgrad einer wachsenden Akzeptanz und sind wegen der Möglichkeit der Energieeinsparung und des verringerten Platzbedarfs besonders interessant für Automobilhersteller. Die Gestaltungsmöglichkeiten mit LEDs sind ebenfalls ein großer Vorteil, weil attraktivere und exklusive Designs möglich sind. Die Anwender profitieren von den Sicherheitsaspekten der LED-Beleuchtung, z.B. kann ein schnelleres Einschalten der Bremsleuchten das Risiko von Auffahrunfällen reduzieren. Der vielleicht bedeutendste Grund für den Einsatz von LEDs ist jedoch die zu erwartende Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Dies ist ein Vorteil sowohl für Hersteller und Verbraucher, da die Kosten für Ersatz und Wartung von Fahrzeugbeleuchtungen deutlich reduziert werden können.

Externe LED-Beleuchtungen werden wegen ihrer geringen Größe und Stoßfestigkeit immer populärer bei LKWs und Bussen, ihre Vorteile vereinfachen die Erfüllung verschiedener Sicherheitsbestimmungen. Die Außenanwendungen umfassen Rücklicht, Bremslicht, Markierung- und Kennzeichenbeleuchtung. Mit LEDs sind z.B. äußerst platzsparende und kompakte Markierungsleuchten möglich.

Obwohl die Frontbeleuchtung mit LEDs wohl noch in der Zukunft liegt, haben die meisten Automobilhersteller bereits mit LED-Frontscheinwerfern in ihren Konzeptfahrzeugen experimentiert. Ein solches Modell der Hyundai Motor Corp. zeigt Bild 1. Alle seine Anzeige- und Beleuchtungseinrichtungen, einschließlich Frontscheinwerfer, setzen auf Leuchtdioden von Osram Optoelectronics, die mit LED-Treibern von Supertex angesteuert werden. Serienreife Fahrzeuge mit LED-Frontscheinwerfern werden jedoch nicht vor 2007 erwartet. Bis dahin sind LED-Anwendungen für die Frontbeleuchtung auf das Tagfahrlicht (DRL) beschränkt: eine Signallampe, die anzeigt, dass ein Fahrzeug in Betrieb ist. Der Trend zum Einsatz von LEDs in der Frontbeleuchtung wird hauptsächlich durch die Gestaltungsmöglichkeiten beeinflusst, jedoch ergeben sich durch LED-Lampen auch Platzeinsparungen unter der Motorhaube sowie eine mögliche Reduktion des Front-Überstandes, der wesentlich durch die Lampenkonstruktion bestimmt wird.

Die Armaturenbeleuchtung ist die meistverbreitete Innenanwendung für Hochleistungs-Leuchtdioden. Fast jedes europäische Fahrzeug ist mit LED-Hintergrundbeleuchtung im Armaturenbrett ausgestattet. Sie vereinfacht das Design und macht die Instrumente besser lesbar und komfortabler für den Fahrer. Andere Innenanwendungen von LEDs sind Leseleuchten, Türschwellen- und Umgebungsbeleuchtung. LED-basierte Deckenbeleuchtungen werden wegen ihrer Kompaktheit, ihrem gleichmäßigem Licht und ihrer niedriger Erwärmung immer attraktiver.

Aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Hochleistungs-LEDs können diese nicht direkt von der Fahrzeugbatterie versorgt werden; sie benötigen spezielle Leistungswandler, die konstanten Ausgangsstrom erzeugen. Die große Zahl von LED-Beleuchtungen im Fahrzeug erfordert jedoch unterschiedliche LED-Treiber-Technologien, die diversen Industrie-Spezifikationen entsprechen müssen. Im Folgenden werden Topologien für Leistungskonverter zur LED-Ansteuerung vorgestellt. Ein Schwerpunkt ist die Immunität der LED-Treiber gegenüber den im Fahrzeug existierenden elektrischen Störungen.

Trotz seiner Einfachheit hat der Hochsetzsteller aus Bild 5 jedoch einen wesentlichen Nachteil in Fahrzeugapplikationen, bei denen die Versorgungsspannung leicht die Fluss-Spannung der LED-Kette überschreiten kann: Ein Abschalten des Schalttransistors schützt in dieser Wandler-Topologie die LED nicht vor potentieller Zerstörung durch Überstrom. Das Problem verschärft sich noch bei niedrigeren LED-Spannungen. Bei diesem Wandlertyp wird dann ein Vorregeln, Klemmen oder Abschalten der Eingangsspannung bei Überspannung unvermeidbar. Weiterhin ist die Bandbreite der Regelung begrenzt, wenn Hochsetzsteller in kontinuierlicher Betriebsart arbeiten, da es sonst Stabilitätsprobleme gibt. Eine Regelung auf den Spitzenstrom, wie bei vielen PWM-Controllern der Fall, unterdrückt auch Transienten auf der Eingangsspannung nicht besonders gut, daher können an der LED erhebliche Überströme auftreten.

Manche Beleuchtungseinrichtungen erfordern für die LED-Spannung sowohl eine Aufwärts- als auch Abwärtsregelung innerhalb des normalen Eingangsspannungsbereichs. Solche Anwendungen schließen sowohl den Tief- als auch den Hochsetzsteller aus; es ist eine geeignete Schaltnetzteil-Topologie erforderlich, die nicht auf eine Aufwärts- oder Abwärtswandlung beschränkt ist.

Hoch-Tiefsetzsteller
Der Hoch-Tiefsetzsteller (Boost Buck oder Cuk Converter) bietet sich als Lösung für die meisten Beleuchtungsanwendungen im Fahrzeug an, einschließlich interner und externer Beleuchtung. Er besteht aus zwei Stufen, einem Aufwärtswandler am Eingang und einem Tiefsetzsteller am Ausgang, wodurch die Ausgangsspannung sowohl höher als auch niedriger als die Eingangsspannung sein kann.

Sowohl der Eingangs- und Ausgangsstrom sind kontinuierlich, was zu guten EMV-Eigenschaften führt. Diese Wandler-Topologie schützt, im Gegensatz zum Hochsetzsteller, die LED vor Überspannungen wie z.B. bei einem Load Dump. Die Last ist vom Eingang durch einen Koppelkondensator entkoppelt, der sie sogar vor einem Ausfall des Schalttransistors schützt. Bild 6 zeigt einen Hoch-Tiefsetzsteller, der eine LED-Kette mit vier LEDs in einer Bremslicht-Applikation ansteuert. Der HV9930 arbeitet mit einer Regelung mit Hysterese auf den Eingangs-/Ausgangsstrom und wurde speziell für die Hoch-Tiefsetzsteller-Topologie in Fahrzeugbeleuchtungen entwickelt. Er bietet optimalen Schutz gegen Transienten und einen stabilen Betrieb über einen weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich. Die Versorgungsspannng des HV9930 kann aus der Drain-Spannung des Schalttransistors gewonnen werden (UDrain = UIN + UOUT), um auch einen Betrieb unter 8 V zu ermöglichen.

Obwohl die Ausgangsstromregelung an sich stabil ist, muss trotzdem die Stabilität des Wandlers betrachtet werden, wenn der Hoch-Tiefsetzsteller mit dem Controller HV9930 realisiert wurde. Zur Vermeidung einer unerwünschten Oszillation ist ein Dämpfungsglied (Rd und Cd) über dem Kopplungskondensator nötig (Resonanz des Koppelkondensators mit der Eingangsdrossel). In dem Dämpfungsnetzwerk fließt wenig Strom, wodurch der Wirkungsgrad des LED-Treibers kaum reduziert wird. Der Dämfungskondensator Cd muss etwa den 5- bis 10-fachen Wert des Koppelkondensators aufweisen. Dennoch lässt sich die gesamte Schaltung mit keramischen Kondensatoren oder günstigen Aluminum-Elkos realisieren.