Kriterien für die Wahl der richtigen LED-Treiberschaltung Leistungstreiber für Leistungs-LEDs

Leistungs-LEDs gelten als Lichtquelle der Zukunft – dank ihrer hohen Lichtausbeute, des geringen Energieverbrauchs und des hohen lichttechnischen Wirkungsgrades.

Kriterien für die Wahl der richtigen LED-Treiberschaltung

Leistungs-LEDs gelten als Lichtquelle der Zukunft – dank ihrer hohen Lichtausbeute, des geringen Energieverbrauchs und des hohen lichttechnischen Wirkungsgrades. Im Gegensatz zu den quecksilberhaltigen Leuchtstofflampen sind LEDs problemloser zu entsorgen. Doch LEDs können nicht direkt am Wechselstromnetz angeschlossen werden. Sie brauchen eine treibende Elektronik, die den hohen Wirkungsgrad der LEDs unterstützt.

Bei LEDs entsteht das Licht am pn-Übergang, auch Rekombinationszone genannt. Durch Anlegen einer Spannung an der p- und n-Schicht wandern die überschüssigen Elektronen der n-Schicht in die p-Schicht und füllen dort die Löcher auf, d.h., sie rekombinieren dort. Bei der Rekombination entsteht jeweils ein Lichtquant, das ein Teil des ausgesendeten Lichtstroms ist. Das bedeutet, dass die Intensität des Lichtstroms sich proportional zur elektrischen Stromstärke verhält. Die Farbe des Lichts (Wellenlänge) hängt von den verwendeten Materialien und Dotierungsatomen ab.

Möglichkeiten zur Ansteuerung

Wird eine LED mit konstanter Spannung in Durchlassrichtung betrieben, stellt sich ein über die Exemplare erheblich unterschiedlicher Strom ein, da die Durchlassspannung einer LED sehr stark exemplarabhängig ist, was auch in den jeweiligen Datenblättern dokumentiert wird. Zum Beispiel gibt Philips für die LED LUXEON III bei 700 mA und einer Sperrschichttemperatur von 25 °C eine Durchlassspannung von 3,03 V bis 4,47 V an [1]. Osram spezifiziert für seine weiße Golden-Dragon-LED LCW W5SM zum Beispiel bei 350 mA eine Durchlassspannung im Bereich von 2,7 V bis 3,8 V [2]. Darüber hinaus weist die Strom/Spannungs-Kennlinie einer LED einen exponentiellen Verlauf auf (Bild 1) – kleine Spannungsänderungen verursachen also große Stromänderungen.

Aus wirtschaftlichen Gründen sollen möglichst viele LEDs gleichzeitig mit einer Treiberschaltung betrieben werden. Normale Gleichspannungswandler könnten z.B. zur LED-Versorgung herangezogen werden, sofern sich deren Ausgangsspannung auf den benötigten Wert einstellen lässt. In diesem Fall würden mehrere LEDs (D1, D2 ... Dn) parallel an eine Konstantspannungsquelle mit einer geeigneten Ausgangsspannung von z.B. 3,4 V angeschlossen werden (Bild 2). Zur Vereinfachung wird nur die Parallelschaltung zweier LEDs, D1 und D2, näher betrachtet. Die Leuchtdiode D1 hat bei einem Durchlassstrom von 350 mA eine Durchlassspannung von 3,4 V und LED D2 bei 350 mA 3,2 V. Nach der Kennlinie in Bild 1 nimmt D1 bei einer Versorgungsspannung von 3,4 V einen Strom von 350 mA auf und D2 500 mA. Deshalb leuchtet LED D2 gegenüber D1 um ca. 30 % heller, bei einer Spannung, die nur um ca. 6 % über deren Nenn-Durchlassspannung (3,2 V) liegt. Beleuchten mehrere parallelgeschaltete LEDs einen Diffusor, so entstehen unterschiedlich helle Bereiche auf der Fläche.

Diese Helligkeitsunterschiede aufgrund abweichender Durchlassspannungen könnten durch die Wahl einer höheren Versorgungsspannung und den LEDs vorgeschaltete Widerstände kompensiert werden. Diese Vorwiderstände müssten jedoch individuell an jede LED angepasst werden. Zudem verursachen sie Verlustleistung, die den Gesamtwirkungsgrad verschlechtert, was kontraproduktiv beim Einsatz von hocheffizienten Leistungs-LEDs wäre.