Kaltes Licht im Vormarsch

LEDs sind im Automobil inzwischen das Leuchtmittel Nummer 1. Das gilt insbesondere für die Innenraum- und Armaturenbeleuchtung. Doch nun gibt es die ersten Fahrzeuge, deren Frontscheinwerfer mit High-Brightness-LEDs arbeiten. Dafür sind besondere Treiber-ICs notwendig.

LEDs sind im Automobil inzwischen das Leuchtmittel Nummer 1. Das gilt insbesondere für die Innenraum- und Armaturenbeleuchtung. Doch nun gibt es die ersten Fahrzeuge, deren Frontscheinwerfer mit High-Brightness-LEDs arbeiten. Dafür sind besondere Treiber-ICs notwendig.

Bescheiden hat es angefangen: Die erste Applikation von High- Brightness-LEDs im Auto war das so genannte »dritte Bremslicht« (Center highmounted Stoplight, CHMSL). Hierzu nahm man rote LEDs für eine sehr schmale Anordnung, die einfach zu montieren war und nie ersetzt werden musste. Heutzutage beschränken sich die Anwendungen nicht mehr allein auf das Rücklicht oder die Innenraumbeleuchtung, selbst Frontscheinwerfer werden heutzutage mit High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) entworfen. Dies ist beispielsweise beim »Lexus LS600h«, dem »R8« von Audi und der »Escalade« aus dem Hause General Motors der Fall.

Bei all diesen Fahrzeugen ist die Scheinwerferkonfiguration recht ähnlich. Jeder Satz besteht aus fünf LED-Strahlern, die sämtliche Beleuchtungsansprüche erfüllen. Jeweils ein Strahler ist für das Abblendlicht, das Fernlicht, das Kurvenlicht, das Tagfahrlicht und das Abbiegelicht zuständig – und alle arbeiten mit LEDs.

Gegenüber anderen Leuchtmitteln haben LEDs eine ganze Reihe von Vorteilen. So liefern LEDs im Vergleich zu Glühlampen Licht zehnmal effizienter und sind nahezu doppelt so effizient wie Leuchtstoffröhren. Daher benötigen sie für eine bestimmte Lichtmenge (in Lumen) weitaus weniger Strom, und auch die Wärmeabstrahlung ist um ein Vielfaches geringer. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die längere Lebensdauer. Glühlampen kommen auf einen Wert von 1000 Stunden, bei Leuchtstoffröhren sind es 10.000 Stunden.

LEDs jedoch bringen es auf eine Lebensdauer von über 100.000 Stunden, das sind 11,5 Jahre Dauerbetrieb. Dies übersteigt sogar die Lebenszeit des Fahrzeugs. Daher könnten die Autohersteller LED-Beleuchtungen fest einbauen, ohne eine Zugangsmöglichkeit für ihren Austausch schaffen zu müssen. Dies schafft einerseits zusätzlichen Platz für andere Systeme, andererseits ist eine LED-Beleuchtung per se schon kleiner als eine Beleuchtung mit Glühlampen. Nicht zu übersehen sind die Vorteile hinsichtlich Design und Farbigkeit des Lichts.

Doch es gibt auch neuartige Herausforderungen: Die vielleicht größte besteht in der Optimierung aller Vorteile von LEDs. Sie benötigen in der Regel eine genaue und effiziente Versorgung mit Gleichstrom und eine Möglichkeit zur Dimmung. Daher müssen die LED-Treiber-ICs so entworfen sein, dass sie diesen Anforderungen in den unterschiedlichsten Anwendungen gerecht werden. Die Ansteuerlösungen müssen hocheffizient, widerstandsfähig sowie äußerst kompakt und kostengünstig sein.

Kein Kühlkörper notwendig

Nehmen wir als Beispiel die Scheinwerfer. Herkömmliche Strahler werden in der Regel mit 35 W bis 50 W betrieben. Das scheint zwar nicht viel zu sein, doch da LEDs zehn Mal soviel Strahlungsleistung wie Halogenlampen liefern, entspricht die Helligkeit von 50-W-LEDs der einer Halogenlampe mit 500 W. Die Fernlichter benötigen in der Regel die gleiche beziehungsweise eine minimal höhere Energieversorgung, die Kurven-, Tagfahr- und Abbiegelichter hingegen eine geringere. In der Summe sind das etwa 200 W elektrische Leistung. Genau für solche Anwendungen hat Linear Technology den »LT3755« entwickelt (Bild 1). Er kann die Busspannung des Fahrzeugs (Nominalspannung 12 V) auf bis zu 60 V heraufsetzen und somit bis zu 14 in Reihe geschaltete 1-A-LEDs betreiben.

Bild 2 zeigt, wie sich der Wirkungsgrad des Bausteins in Abhängigkeit von der Last verhält. Er liegt in einem weiten Bereich über 92 Prozent. Das ist sehr bedeutungsvoll, da somit kein Kühlkörper erforderlich ist und die Anschlussfläche recht kompakt ausfällt. Beim Schaltkreis in Bild 1 handelt es sich zwar um einen Aufwärtswandler, aber dadurch, dass der LT3755 den Strom auf der High-Side misst, kann der Schaltkreis als Aufwärts-, Abwärts-, Aufwärts-/ Abwärts- oder als Sperrwandler konfiguriert werden – je nachdem, was die jeweilige Anwendung verlangt.

Über eine intern regulierte 7-V-Versorgung steuert der LT3755 einen externen n-Kanal-MOSFET an. Die Current-Mode-Architektur arbeitet mit konstanter Schaltfrequenz, sodass sich die LEDs trotz unterschiedlicher Versorgungs- und Ausgangsspannungen konstant und präzise betreiben lassen. Der Baustein bietet eine konstante Stromquelle, um trotz Schwankungen in der Eingangsspannung eine gleichmäßige Helligkeit der LEDs gewährleisten zu können.

Bei Anwendungen in der Fahrzeugindustrie ist das besonders wichtig, da hier die Eingangsspannung beispielsweise bei einem Kaltstart oder Lastabwurf (Load Dump) enorm schwanken kann. Die maximale Eingangsspannung Eingangsspannung, mit der der Baustein arbeiten kann, beträgt 40 V. Ein Pin zur Spannungsrückkopplung mit Bezugsmasse dient als Eingang für zahlreiche LED-Schutzvorkehrungen, beispielsweise für »Open LED«, und gleichzeitig ermöglicht es dieser Pin, dass der Wandler als konstante Spannungsquelle fungiert.