Power für neue Beleuchtungslösungen im Auto LED-Treiber für „maßgeschneiderte“ Lösungen

Die LED-Treiber LTC3783 und LT3477 eignen sich für so unterschiedliche Gleichspannungswandlungstopologien wie Buck, Boost, Buck-Boost, SEPIC und Flyback. Sie können zudem auch an bestimmte Anforderungen angepasst werden, die zum Beispiel bei der Beleuchtung des Beifahrerspiegels oder des Frontscheinwerfers sehr unterschiedlich ausfallen.

Power für neue Beleuchtungslösungen im Auto

Die LED-Treiber LTC3783 und LT3477 eignen sich für so unterschiedliche Gleichspannungswandlungstopologien wie Buck, Boost, Buck-Boost, SEPIC und Flyback. Sie können zudem auch an bestimmte Anforderungen angepasst werden, die zum Beispiel bei der Beleuchtung des Beifahrerspiegels oder des Frontscheinwerfers sehr unterschiedlich ausfallen.

Die Verwendung von LED-Leuchtmitteln in Automobilen war bislang nur eine Idee, die höchstens in Konzeptautos zum Einsatz kam. Inzwischen findet man aber schon in vielen PKWs und LKWs LEDs als Armaturenbeleuchtung, für die Innenraumbeleuchtung und für die Bremslichter. Darüber hinaus nutzen Hersteller von Luxusautomobilen immer häufiger aktuelle Halbleitertechnologien in Sachen LED-Beleuchtung zur Verbesserung des Designs ihrer Modelle für das Jahr 2007/2008, indem sie diese für interne und externe Beleuchtungszwecke einsetzen. LEDs versprechen langfristig niedrigere Kosten und eine längere Lebensdauer, um nur einige der vielen Vorteile zu nennen, die sie gegenüber Glühlampen für die Innenraumbeleuchtung bzw. HID- (High-Itensity Discharge) und Halogen-Lampen für die Scheinwerfer bieten.

Der Betrieb von LEDs aus einer Autobatterie erfordert einen Gleichspannungswandler, um den Strom präzise zu regeln und damit für eine gleichmäßige Lichtintensität und Farbtreue zu sorgen sowie die LEDs zu schützen. Außerdem sollte der Gleichspannungsregler für die spezifischen Stromversorgungsanforderungen der Einsatzzwecke von LEDs optimiert sein: Scheinwerfer, Rückleuchten, Blinker oder Innenraumbeleuchtung (zu dekorativen Zwecken oder zum Lesen). Darüber hinaus besteht eine nicht unerhebliche Herausforderung an die Stromversorgung darin, eine oder mehrere LED-Zeilen aus einer Batterie zu versorgen, deren Spannung auch niedriger oder höher als die Ladespannung sein kann. Ein weiteres Problem ist die effiziente Dimmung der LEDs über einen großen Dimmbereich bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer Farbeigenschaften bei niedriger wie hoher Helligkeit. Ein hoher Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, besonders für die Versorgung von HB-LEDs (High Brightness), da die gesamte Leistung, die nicht in Licht umgewandelt wird, als Wärme verlorengeht.

Zwei neue Gleichspannungswandler für LEDs von Linear Technology erfüllen diese strengen Anforderungen an interne wie externe Beleuchtungslösungen von Automobilen. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad, Überlastungsschutz, einen großen Bereich für Eingangs- und Ausgangsspannung, Präzisionsstromregelung und anderes mehr. Diese ICs können einfach an unterschiedliche DC/DC-Topologien angepasst werden, sodass ein Entwickler mit ein und demselben IC unterschiedliche Umwandlungsanforderungen verschiedener Anwendungen erfüllen kann.

Dimmen von LEDs bei konstanter Farbe

Die Lichtintensität einer LED ist eng mit ihrem Durchlassstrom verknüpft. Durch Änderung des Durchlassstroms kann ein LED-Treiber eine LED dimmen oder heller leuchten lassen. Die einfachste Dimm-Methode funktioniert mit einem analogen Regler, welcher den Strom linear regelt. So könnte man z.B. ein Potentiometer zusammen mit dem Treiber-IC verwenden, um den Ausgangsstrom zu programmieren. Allerdings ändert sich zusammen mit dem Durchlassstrom einer LED nicht nur deren Helligkeit, sondern auch die Farbzusammensetzung des abgestrahlten Lichts. Bei dieser Methode, den Strom linear zu ändern, wird eine gedimmte weiße LED ein warmes, gelbes Licht ausstrahlen. Das Ausmaß dieser Farbänderung ist proportional zur Wellenlänge des Lichts: Größere Wellenlängen ändern sich stärker als kleine, wenn sich der Strom ändert. Die Farbänderung bei einer High-Brightness-LED ist für einen Beobachter unter verschiedenen Umgebungslichtbedingungen deutlich wahrnehmbar, z.B. in hellem Sonnenlicht oder bei Nacht.

Eine zweite Methode zum Dimmen von LEDs ist die digitale Steuerung des Stroms, was durch Takten des durch die LED fließenden Stroms geschieht, wobei der Spitzenwert konstant bleibt. Durch Modulation und präzise Kontrolle des Strom-Tastverhältnisses kann die LED gedimmt werden, während die Farbintegrität und -konsistenz über den gesamten Dimmbereich vom ausgeschalteten Zustand bis zu voller Helligkeit erhalten bleibt. Obwohl die LED im Prinzip während jedes Taktintervalls ein- und ausgeschaltet wird, nimmt das menschliche Auge dies bei Modulationsfrequenzen über ca. 120 Hz nicht mehr wahr, sondern empfindet die Beleuchtung als gleichmäßig, wobei unterschiedliche Taktverhältnisse als unterschiedliche Helligkeit wahrgenommen werden.

Bei vielen Anwendungen – vor allem bei Innenbeleuchtungen von Automobilen – ist ein großer Dimmbereich eine unabdingbare Voraussetzung. Die Regelung der LED-Helligkeit ist entscheidend, um die visuelle Genauigkeit von Meldungen auf dem LCD-Bildschirm des Armaturenbretts unabhängig von der Umgebungsbeleuchtung zu gewährleisten – egal, ob solche Meldungen vom Navigationssystem oder vom On-Board-Computer stammen. Hinzu kommt der ästhetische Effekt, wenn man eine Anordnung farbiger LEDs selektiv dimmen kann, um z.B. die Leuchtstärke jeder LED in einer Gruppe von RGB-LEDs zu verändern. So kann das Innere eines Autos in eine Vielzahl von Farben getaucht werden, ganz nach Stimmung des Fahrers oder der Mitfahrer.

Aus den genannten Gründen sollte ein LED-Treiber-IC einen großen Dimmbereich bieten, während die Farbe der LED davon unbeeinträchtigt bleiben sollte. Viele LED-Treiber bieten ein Dimmverhältnis von 50:1 oder 100:1, aber Automobilentwickler verlangen einen größeren Bereich. Für künftige Automobile verlangen diese Entwickler nach Dimmverhältnissen bis 2000:1, was nur schwer zu erreichen ist, wenn das Treiber-IC nicht über eine ausgefeilte Architektur zur Steuerung von Dimmung und Strom verfügt.

Maximale Lichtabgabe ohne Überlastung der LED

LEDs produzieren zwar keine Wärme in Form von Infrarotstrahlung wie Glühlampen, aber Wärme erzeugen sie gleichwohl. Denn schließlich sind LEDs für Beleuchtungszwecke eine Quelle hoher Lichtintensität auf kleinstem Raum. Bei schlechtem thermischen Management und unzureichenden Kühlmethoden kann die Sperrschichttemperatur einer LED auf unzulässige Werte steigen, was zu Abweichungen der Bauteilcharakteristika oder Verkürzung der Lebensdauer führen kann. Obwohl LEDs eine längere Betriebsdauer bieten, kann es Probleme geben, wenn man nicht auf Schutz vor zu hohen Werten von Spannung, Strom oder Wärme achtet, besonders in Automobilen, wo LEDs an schwer zugänglichen Stellen installiert werden. Noch wichtiger aber ist, dass kein Hersteller von Luxusautos sich den zweifelhaften Ruf zuziehen möchte, seine Autos müssten zum Austausch von LEDs in die Werkstatt.

Das Betreiben von LEDs jenseits der vom Hersteller empfohlenen Spezifikationen erhöht die Sperrschichttemperatur und führt zu dauerhafter Beschädigung der LED. In ihren technischen Dokumenten warnen alle wichtigen LED-Hersteller wie Osram Semiconductors und Lumileds vor den Auswirkungen durch Überhitzung. Neben thermischem Schutz müssen diese Halbleiterbauelemente auch Schutz vor zu hohen Spannungen oder Strömen erhalten. Der LED-Treiber spielt eine wichtige Rolle beim Schutz von LEDs vor übermäßiger Wärme, Spannung oder Strom. Bei Überlastung weisen LEDs Veränderungen des Farbspektrums auf. Die Wahl eines nicht ausreichend leistungsfähigen LED-Treibers und stattdessen das Zurückgreifen auf technisch weniger ausgereifte und präzise Treiber-ICs wird sich als kostspielig herausstellen, da die LEDs dadurch letztlich beschädigt werden können.

Eine LED liefert üblicherweise ein Maximum an Licht bei einem Durchlassstrom von einigen hundert Milliampere. Da sich bei einer LED der Strom bei Änderung der Durchlassspannung sehr schnell ändert, kann schon eine kleine Erhöhung der Durchlassspannung zu einem exponentiellen Anstieg des Stroms führen. Dieser übermäßige Strom verschlechtert die Lichtabgabe und verkürzt letztlich die Lebensdauer der LED. Daher erfordern die Spannungsversorgung von High-Brightness-LEDs sowie deren Schutz einige sehr spezielle Designlösungen.

Ein hochleistungsfähiger LED-Treiber muss einen präzisen konstanten Strom bei einer geregelten Ausgangsspannung liefern. Solch ein Treiber-IC sollte unbedingt mit einer ausgefeilten Schaltung versehen sein, um einen präzisen LED-Strom zu liefern, und dies bei genauer Regelung der Ausgangsspannung. Darüber hinaus muss die interne Referenzspannung eine geprüfte und garantierte Genauigkeit über einen großen Umgebungstemperaturbereich aufweisen. Neben dieser präzisen Strom- und Spannungsregelung sollte ein guter LED-Treiber auch einen größeren Anstieg des Eingangsstroms beim Starten verhindern. Eine programmierbare Softstart-Funktion begrenzt den Einschaltstrom beim Einschalten einer Beleuchtungseinheit.

Zwei neue LED-Treiber von Linear Technology bringen alle notwendigen Funktionen für die Spannungsversorgung von High-Brightness-LEDs mit und können in unterschiedlichen DC/DC-Schaltungstopologien konfiguriert werden: Buck-, Boost- und Buck-Boost-Wandler. Diese Flexibilität ermöglicht den Einsatz ein und desselben ICs für unterschiedliche Spannungswandlungsapplikationen, welche die speziellen Anforderungen der Automobilbeleuchtung erfüllen – intern wie extern.

Der LED-Treiber-Controller LTC3783 enthält einen leistungsfähigen MOSFET-Treiber zum Schalten zweier externer N-Kanal-MOSFETs, wodurch er skalierbar wird und bei präziser Regelung hohe Ausgangsspannungen und -ströme liefern kann. Er ist für Beleuchtungen mit einem Cluster von LEDs geeignet, die in Serie oder parallel geschaltet sind, z.B. bei Frontscheinwerfern (Bild 1).

Für geringere Leistung und niedrigere Spannungen beim Betrieb von LEDs bietet der LT3477 eine noch kompaktere Lösung. Er enthält einen integrierten 3-A/42-V-Schalter mit Überspannungs- und Überstromschutz und kann ähnlich wie der LTC3783 in unterschiedlichsten Gleichspannungswandlertopologien zum Einsatz kommen.