LED-Ketten einfach und sicher am Stromnetz betreiben #####

Mit einer über den mittleren Strom gesteuerten Regelung des Durchlassstroms eignet sich das Spannungsregler-IC IR2540 besonders für Anwendungen mit nicht-isolierten Hochleistungs-LEDs. Gegenüber einer Spitzenstromregelung bietet diese Schaltungsvariante die Vorteile eines einfachen Aufbaus, einer höheren Ausgangsleistung und eines einfacheren Schaltungs-Designs.

Mit einer über den mittleren Strom gesteuerten Regelung des Durchlassstroms eignet sich das Spannungsregler-IC IR2540 besonders für Anwendungen mit nicht-isolierten Hochleistungs-LEDs. Gegenüber einer Spitzenstromregelung bietet diese Schaltungsvariante die Vorteile eines einfachen Aufbaus, einer höheren Ausgangsleistung und eines einfacheren Schaltungs-Designs.

Seit ihrer Markteinführung in den 60er Jahren sind Leuchtdioden (LED) weit verbreitet und als Bedienfeld-Beleuchtungen in Elektronik-Geräten nahezu überall anzutreffen. Fortschritte in der Technologie haben mittlerweile zu wesentlich höheren Helligkeiten geführt. Zudem erreichen Hochleistungs-LEDs inzwischen einen höheren Wirkungsgrad als Glühlampen oder Leuchtstofflampen, infolgedessen werden immer mehr Hochleistungs-LEDs verwendet.

Aller Voraussicht nach werden die Verbesserungen der Sperrschichtstruktur von Hochleistungs-LEDs in den nächsten fünf Jahren zu einer Lichtausbeute von mehr als 100 lm/W führen. Damit wird die Helligkeit von Hochdruck-Entladungslampen übertroffen und die von Leuchtstofflampen erreicht. Für einen aussagefähigen Vergleich sollten aber die Leistungsverluste im Vorschaltgerät und die Lichtausbeute der Lichtquelle mit in Betracht gezogen werden.

Die amerikanische Energiebehörde schätzt, dass die Beleuchtung durchschnittlich 20 % zum Energieverbrauch eines Gebäudes beiträgt. Angesichts steigender Energiekosten spielt daher auch der Wirkungsgrad der Beleuchtungseinrichtungen eine Rolle. Hochleistungs-LEDs werden inzwischen für Architektur-Beleuchtungen, Straßenbeleuchtungen, dekorative Beleuchtungen sowie in beleuchteten Hinweisschildern eingesetzt, zunehmend neuerdings auch zur Hinterleuchtung von Flachbildschirmen der Fernsehempfänger und PC-Monitore. Diese rasche Durchdringung des Marktes ist auf den höheren Wirkungsgrad und die längere Lebensdauer von Hochleistungs-LEDs zurückzuführen.

LEDs werden in Vorwärtsrichtung betrieben

Ein Unterschied zwischen Hochleistungs-LEDs und Glühlampen besteht darin, dass die Hochleistungs-LEDs in einer weitaus größeren Vielfalt von Gehäusen und Ausführungen zur Verfügung stehen und so dem Beleuchtungsdesigner mehr Freiheitsgrade bieten. Hochleistungs-LEDs sollten mit einem konstanten Gleichstrom betrieben werden. Da sie aus einer pn-Sperrschicht bestehen, weisen sie eine charakteristische Durchlassspannung auf. Diese schwankt mit Fertigungstoleranz und Temperatur und ist je nach LED-Farbtyp unterschiedlich. Der Betrieb von Hochleistungs-LEDs mit einem Strom oberhalb des maximalen Nennwerts verkürzt die Lebensdauer des Bauelements wegen Überhitzung. Die Lichtstärke von Hochleistungs-LEDs ist bis zu einem Sättigungspunkt proportional zum Durchlassstrom. Da diese Bausteine den steilen Stromanstieg aller Dioden aufweisen, führt hier eine geringfügige Änderung der Durchlassspannung zu einer großen Stromänderung. Daher müssen Hochleistungs-LEDs mit einem geregelten Strom und nicht mit einer geregelten Spannung angesteuert werden.

LEDs in der Anwendung als Anzeigeelemente und Optokoppler wurden mit einem Durchlassstrom zwischen 20 und 30 mA betrieben. Hierbei musste weder auf Wärmewiderstand noch auf Kühlkörper geachtet werden. Die Regelung des durch die LED fließenden Stroms kann in diesen Fällen durch einen einfachen Vorwiderstand realisiert werden. Hochleistungs-LEDs sind durch Durchlassströme von 350 mA bis 1,5 A gekennzeichnet. Bei diesen Stromstärken muss eine geregelte Stromquelle verwendet werden.

Die Controller-ICs der Familie IRS2540 von International Rectifier (www.irf.com) integrieren eine einfache Konstantstromquelle und einen Abwärts-Spannungswandler (buck converter). Die Schaltung ist für nichtisolierte Anwendungen gedacht, also für solche Fälle, bei denen ein galvanisch vom Netz getrenntes Netzteil die Spannung liefert. Ist die verwendete LED-Fassung so konstruiert, dass keine Gefahr für einen elektrischen Schlag besteht, kann sie auch an einer nicht galvanisch getrennten Spannungsquelle eingesetzt werden. Dies kann etwa in Verkehrszeichen der Fall sein.

Ein Abwärts-Spannungswandler wird dort genutzt, wo die Eingangsspannung höher ist als die Ausgangsspannung. Dies gilt für die meisten beleuchteten Hinweisschilder, für dekorative Beleuchtungseinrichtungen und für so genannte Architektur-Beleuchtungen. Typische Anzeigefelder setzen in Reihe geschaltete Hochleistungs-LEDs ein, damit durch jede LED der gleiche Strom fließt (Bild 1). Werden Hochleistungs-LEDs parallelgeschaltet, wird wegen des unterschiedlichen Spannungsabfalls an der Sperrschicht zusätzlicher Schaltungsaufwand nötig. Nur dann lässt sich der Strom gleichmäßig auf die Dioden verteilen.

Dimmen und Intensitätsmodulation

In vielen Anwendungen ist eine Helligkeitsregelung (Dimmen) gewünscht. Ein schnelles Ein- und Ausschalten der Hochleistungs-LEDs bietet zudem die Möglichkeit, Animationseffekte zu erzeugen. Hochleistungs-LEDs eignen sich dafür besser als Leuchtstofflampen, da keine Hochspannungszündung erforderlich ist. Sie können jedoch, wie Glühfadenlampen, durch wiederholte zu hohe Einschaltstromstöße überlastet werden. Mit einer Kombinationen der Primärfarben Rot, Grün und Blau kann mit LEDs jede beliebige Farbe im sichtbaren Spektrum erzeugt werden. Dies geschieht durch eine Einstellung der relativen Intensitätspegel jeder LED-Farbe.

Das Abwärts-Spannungsregler-IC IRS2540 bietet für das Dimmen und die Intensitätsmodulation einen „Disable“-Eingang, über den der „High Side“-MOSFET abgeschaltet werden kann. Hierüber können mit einem PWM-Signal die angeschlossenen LEDs gedimmt werden. Die Frequenz des PWM-Signals liegt im Bereich von 500 Hz, sie ist wesentlich niedriger als die Schaltfrequenz des Abwärts-Spannungswandlers, aber so hoch, dass kein Flimmern oder Flackern sichtbar wird.

Der Spannungswandler wird im Burst-Modus betrieben (Bild 2). Die minimale Unterbrechung darf bei dieser Schaltung nicht kleiner werden als das Dreifache der Schaltperiode des Zweipunkt-Reglers; bei einer schaltungstypischen Frequenz von 100 kHz entspricht dies 30 μs. Daher lässt sich mit einem PWM-Signal (Pulsbreitenmodulation) am „Disable“-Eingang die Ausgangsleistung zwischen 0 und 90 % einstellen. Beim Dimmen über PWM bzw. das „Burst Mode Dimming“ werden die LEDs stets mit dem Nennstrom angesteuert. So wird vermieden, dass sich die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes ändert, was bei einer bloßen Herabsetzung des Durchlassstroms der Fall wäre.

Die Schaltung des IRS2540 besteht aus einem Abwärts-Spannungswandler, bei dem der MOSFET-Schalter an die Versorgungsspannung (High Side) angebunden ist (Bild 3). Im eingeschwungenen Zustand wird zum Zeitpunkt t1 der an die Betriebsspannung angeschlossene MOSFET (High Side) eingeschaltet. Der Strom fließt dann durch die Induktivität L und die LED-Kette und lädt gleichzeitig den Kondensator C (Bild 3, oben). Die vom Strom ILast im Lastkreis über den Strommesswiderstand RFB erzeugte Spannung wird im IC mit der dort erzeugten Referenzspannung von 500 mV verglichen. Sobald der Laststrom die Referenzschwelle erreicht, wird der MOSFET nach einer durch den integrierten Timer vorgegebenen Zeit abgeschaltet.

Ab diesem Zeitpunkt (t2) treibt die in Spule und Kondensator gespeicherte Energie den Strom durch die Last, die Diode D1 schließt dabei den Stromkreis (Bild 3, mitte). Statt einer „Fast Recovery“-Diode kann hierfür auch ein MOSFET verwendet werden, im IC ist die erforderliche „Low Side“-Ansteuerung bereits integriert. Sinkt nun der Strom unter die Referenzspannung, wird der MOSFET, nach einer durch den Timer vorgegebenen Zeit, wieder eingeschaltet, und der Vorgang beginnt von vorn (t3).

Die Zeitverzögerungen des Timers definieren die für den Zweipunkt-Regler erforderliche Hysterese, sie bestimmen zusammen mit den Werten des Vorwiderstandes, der Spule und des Kondensators die Arbeitsfrequenz der Schaltung. Bei einer typischen Auslegung liegt die Schaltfrequenz etwa bei 75 kHz. Auf die Vorgabe eines festen Taktes kann bei dieser Schaltung verzichtet werden, daher kommt sie mit relativ wenig externen Bauelementen aus. Die Zweipunkt-Stromregelung des IRS2540 hat gegenüber einer Spitzenwert-Stromregelung den Vorteil, dass sie über einen weiten Leistungs- und Lastbereich stabil arbeitet.

Die Welligkeit des Spulenstroms lässt sich reduzieren, indem parallel zur Last ein Ausgangskondensator geschaltet wird. Dadurch verringert sich jedoch die Schaltfrequenz des Sperrwandlers. Da das IC als Konstantstromquelle arbeitet, ist ein Schutz vor Überlast und Kurzschluss bereits implementiert. Der Abwärts-Spannungswandler arbeitet mit einem Tastverhältnis von 0 bis 100 % stabil. Ein Beispielaufbau (Bild 4) erreichte bei einer Schaltfrequenz von 175 kHz einen Wirkungsgrad von mehr als 85 %. Die LED-Spannungswandler-ICs sind in Ausführungen für 200 V (IRS2540) und 600 V (IRS2541) erhältlich. jw