Integrierte Leistungshalbleiter eröffnen neue Möglichkeiten Pulsbreiten-Modulation für die Automobil-Beleuchtung

Bei der Verwendung der Pulsbreiten-Modulation (PWM) für die Beleuchtung im Automobil zeigt dieser Beitrag, wie für eine optimale Systemleistung Frequenz und Tastverhältnis gewählt werden müssen. Weiter werden Verfahren diskutiert, mit denen sich die elektromagnetischen Störungen zu den anderen Bordsystemen begrenzen lassen.

Integrierte Leistungshalbleiter eröffnen neue Möglichkeiten

Bei der Verwendung der Pulsbreiten-Modulation (PWM) für die Beleuchtung im Automobil zeigt dieser Beitrag, wie für eine optimale Systemleistung Frequenz und Tastverhältnis gewählt werden müssen. Weiter werden Verfahren diskutiert, mit denen sich die elektromagnetischen Störungen zu den anderen Bordsystemen begrenzen lassen.

Ausgeklügelte, leistungsfähige und dabei kostengünstigen Silizium-Bausteine für die Steuerung niedriger, mittlerer und hoher elektrischer Leistung werden für eine ganze Reihe von Anwendungen immer stärker nachgefragt. Im Automobil werden heute bereits viele elektrische Verbraucher von „intelligenten“ Halbleiter-Leistungsschaltern gesteuert. Diese ersetzen die bisher verwendeten Relais. Die Halbleiter müssen bestimmte Anforderungen erfüllen: Dazu gehören die Sicherheit gegen Überlast und Kurzschluss sowie eine Diagnose-Schnittstelle zu einem Mikrocontroller; zudem müssen sie kompatibel sein zum Betrieb mit Pulsbreiten-Modulation, die für die Ansteuerung von Elektromotoren und Halogen-Lampen heute weit verbreitet ist.

Pulsbreiten-Modulation im Überblick

Bei der Pulsbreiten-Modulation wird eine rechteckförmige Spannung erzeugt, bei der sich das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit variieren lässt. Während der Einschaltzeit (tein) liegt die Versorgungsgleichspannung an der Last an, während der Ausschaltzeit (taus) wird diese abgetrennt. Dieses Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit wird als Tastverhältnis δ (engl. duty cycle) bezeichnet, das zwischen 0 und 100 % liegen kann. Eine Veränderung des Tastverhältnisse ändert den Effektivwert der Spannung, die an der Last anliegt, und damit auch die elektrische Leistung, die an die Last übertragen wird. Bei einer rechteckförmigen Spannung mit Us = U mit einem Tastverhältnis δ (siehe Bild 1) beträgt der Effektivwert

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Zu den Nachteilen der Pulsbreiten-Modulation zählen die aufwendige Ansteuerschaltung und die Erzeugung unerwünschter hochfrequenter Störsignale. PWM-Signale lassen sich mit den folgende Verfahren erzeugen.

  • Einsatz spezieller PWM-Generatoren,
  • Nutzung spezieller PWM-Funktionsblöcke in Mikroprozessoren,
  • Verwendung einer Timer-gesteuerten Interrupt-Routine bei Standard-Mikrocontrollern.

PWM für die Automobil-Beleuchtung

Mit dem PWM-Verfahren werden im Automobil Elektromotoren oder Glühlampen angesteuert. Dabei kommt ein integrierter Leistungshalbleiter (IPS – Integrated Power Switch) zum Einsatz. Im Automobil sind alle Leistungshalbleiter für die Ansteuerung der Glühlampen in einem Verteilerkasten zusammengefasst und dort auf die Leiterplatte montiert. Sie werden von einem oder mehreren Mikrocontrollern angesteuert. Die Anwendung des PWM-Verfahrens bietet eine Reihe von Vorteilen:

  • Steuerung der Lichtstärke (blendfrei) durch die Wahl des entsprechenden Tastverhältnisses.
  • Implementierung einer Doppelfunktion der Glühlampen. Ist eine Lampe defekt, dann lässt sich die Funktion von einer Lampe mit höherer Nennleistung übernehmen, die mit einem PWM-Signal angesteuert wird. Durch die Einstellung des passenden Tastverhältnisses kann z.B. eine 21-W-Lampe eine 5-W-Lampe ersetzen.
  • Reduktion der Lichtstärke für den Einsatz als Tagfahrlicht.

Für die Realisierung eines Tagfahrlichtes (DRL – Daytime Running Light) können die vorhandenen Abblend- oder Fernlicht-Lampen mit einem PWM-Signal angesteuert werden. Dadurch lässt sich die Anzahl der Glühlampen und damit auch die Gesamtleistungsaufnahme reduzieren, zudem leben die Lampen länger. Die Lichtstärke lässt sich so auch bei der Armaturenbrettbeleuchtung und den Innenraumlampen „dimmen“.

Die Effizienz der PWM hängt ab von Frequenz und Tastverhältnis; das PWM-Verfahren kann auch Nachteile haben, die bei der Dimensionierung eines solchen Systems berücksichtigt werden müssen. Im Falle der Glühlampen sind dies:

  • Thermomechanische Belastung der Glühwendel durch Temperaturschwankungen,
  • Flackern, das die Sicht des Fahrers nachts beeinträchtigt,
  • höhere thermische Verluste in den Leistungshalbleitern.

Es ist allerdings möglich, diese Effekte zu begrenzen. Dazu müssen Frequenz und Tastverhältnis richtig gewählt und die durch PWM verursachten Störungen durch Filter unterdrückt werden.

Der Einsatz der PWM zieht Störungen nach sich, die sowohl über die Leitungen laufen als auch in den freien Raum abgestrahlt werden. Das Schalten des Stroms mit einer bestimmten Frequenz erzeugt Störsignale auf der Leitung von der Last zur Batterie, diese können andere Geräte an Bord stören. Dabei beeinflusst die Form der Schaltvorgänge des integrierten Leistungshalbleiters, der die Glühlampe ansteuert, das Frequenzspektrum auf dem Kabelbaum maßgeblich. Sie muss daher in die EMV-Betrachtungen mit einbezogen werden. Zwar lassen sich mit steilen Anstiegs- und Abfallflanken Schaltverluste am besten reduzieren, andererseits können dadurch unerwünschte Abstrahlungen mit Frequenzen von einigen 100 kHz verbunden sein, die durchaus den Empfang von Lang- und Mittelwelle eines Autoradios stören können.

Die übliche Vorgehensweise zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen besteht im Einsatz zweier zusätzlicher Kondensatoren (Bild 5). Mit dem Kondensator C1 (einige µF) zwischen dem Batterie-Anschluss des integrierten Leistungshalbleiters (IPS) und Masse werden die Störungen ausgefiltert die durch den Gesamtstrom aller angeschlossenen integrierten Leistungshalbleiter durch PWM verursacht werden, der Kondensator wirkt dabei zusammen mit der Leitungsinduktivität. Der zweite Kondensator C2 liegt zwischen Drain und Source des Leistungs-MOSFET; hierdurch werden die Störungen auf dem Kabel gefiltert, das den integrierten Leistungshalbleiter mit der Glühlampe verbindet. Um diese zusätzlichen Komponenten auf der Leiterplatte zu vermeiden, werden die integrierten Leistungshalbleiter so ausgelegt, dass die Schaltvorgänge weicher ablaufen (Bild 6). Auf diese Weise können die harmonischen Oberwellen auf der Batterieleitung reduziert werden.

Luigi Guarrasi ist seit 2002 bei STMirocelectronics in der Automotive Marketing Group als „Technical and New Biz Development Engineer“ tätig. Zu seinen Aufgabenfeldern zählen das kunden-spezifische Design der „Intelligent Power Switches“ (IPS) für den Einsatz im Automobil, die Entwicklung neuer Produkte und die Marktbeobachtung. Er hat Elektrotechnik und Industrielle Automatisierung am Politecnico di Bari studiert, seine Ingenieurarbeit behandelte die Modellierung und die Simulation der Ansteuerung eines Drei-Phasen-Asynchronmotors mit Simulink.
luigi.guarrasi@st.com

Doriana Montella begann nach ihrem Abschluss im Fach Elektronik an der Universität von Catania im Jahr 1999 als „Product Engineer“ bei STMicroelectronics in der Produktgruppe „PMOS & IGBT“. Dort war sie mit der Messtechnik und dem Einsatz von PMOS-FETs und IGBTs befasst. Seit 2002 arbeitet sie im technischen Marketing in der Automotive Marketing Group des Unternehmens.
doriana.montella@st.com