Leuchten und Beleuchten: optimierte LED-Ansteuerung

Kleinere Bauformen, verbesserte Lichtausbeute, höhere Farbgenauigkeit und neue, thermisch optimierte Gehäuseformen sind die Ursache, dass Leuchtdioden herkömmliche Leuchtmittel mehr und mehr ersetzen. Die Anforderungen der unterschiedlichen Märkte an LEDs führen zu einer verstärkten Differenzierung der Produkte, was sich letztendlich auch in einer zunehmenden Spezialisierung der Ansteuerschaltungen niederschlägt. Die verschiedenen, in den unterschiedlichen Marktsegmenten genutzten Ansteuerschaltungen für Leuchtdioden im Überblick:

Kleinere Bauformen, verbesserte Lichtausbeute, höhere Farbgenauigkeit und neue, thermisch optimierte Gehäuseformen sind die Ursache, dass Leuchtdioden herkömmliche Leuchtmittel mehr und mehr ersetzen. Die Anforderungen der unterschiedlichen Märkte an LEDs führen zu einer verstärkten Differenzierung der Produkte, was sich letztendlich auch in einer zunehmenden Spezialisierung der Ansteuerschaltungen niederschlägt. Die verschiedenen, in den unterschiedlichen Marktsegmenten genutzten Ansteuerschaltungen für Leuchtdioden im Überblick:

Kleine Baugröße, geringer Strombedarf, lange Lebensdauer und hohe mechanische Stabilität – Eigenschaften, durch die Leuchtdioden schnell zum Leuchtmittel erster Wahl in portablen Geräten wie Mobiltelefonen und PDAs wurden. Die massenhafte Verbreitung dieser Geräte sorgte für einen Boom in der LED-Massenfertigung. Noch heute wird die Mehrzahl der Leuchtdioden in portablen Geräten eingesetzt, wobei sich inzwischen weitere Anwendungsgebiete ausgebildet haben. An erster Stelle steht sicherlich die Hintergrundbeleuchtung von Aktiv-Matrix-TFTLC- Displays, wie sie in Mobiltelefonen, portablen Audio-/Videospielern und Navigationssystemen eingesetzt werden. Da alle diese Geräte normalerweise aus einer einzigen Lithium- Ionen-Akkuzelle gespeist werden, hängt es nun von der Anzahl der verwendeten LEDs, der Art der Verschaltung (Serien- oder Parallelschaltung) sowie dem benötigten Strom und Wirkungsgrad ab, welche Ansteuerschaltung sich optimal eignet.

Wie in Bild 1 dargestellt, gibt es zwei grundlegende Arten, mehrere LEDs anzusteuern. Die Serienschaltung hat den Vorteil, dass durch alle LEDs exakt der gleiche Strom fließt, was eine uniforme Helligkeitsverteilung und identische Farbtemperatur mit sich bringt.

Da die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers an die Summe der LED-Durchlassspannungen dynamisch angepasst wird, erreicht diese Schaltung auch automatisch einen recht hohen Wirkungsgrad (> 85 Prozent) über einen weiten Ausgangsstrombereich. Ein weiterer Vorteil besteht in der geringen Anzahl von Verbindungen zwischen der Energieversorgung und den LEDs, was gerade bei Mobiltelefonen mit Klappmechanismus vorteilhaft ist.

Eine Parallelschaltung hat hingegen den Vorteil, dass beim Ausfall einer LED nicht die komplette Beleuchtung ausfällt, wie es bei der Serienschaltung zwangsläufig der Fall ist. Hier bieten sich zwei mögliche Schaltungen an, die Ladungspumpe und die lineare Konstantstromsenke. Um die optimale Ansteuerschaltung zu finden, muss man sich die Betriebsbedingungen etwas genauer betrachten: Die typische Durchlassspannung einer weißen LED beträgt – abhängig von Bauart, Lichtausbeute und Ausgangsstrom – 2,5 V bis ca. 5 V. Nur wenn es möglich ist, geeignete Leuchtdioden mit geringer Durchlassspannung zu nutzen und gleichzeitig die Entladung des Akkus bei ungefähr 3 V zu beenden, ist die lineare Konstantstromsenke eine mögliche, dann aber sicherlich kostenoptimale und auch effiziente Schaltung. Sie wird hauptsächlich bei der Tastatur- Hintergrundbeleuchtung genutzt, die mit LED-Strömen von 10 mA und weniger auskommt.

Liegt die Durchlassspannung der Leuchtdioden aber über der minimalen Betriebsspannung des Akkus – abzüglich des notwendigen Spannungsabfalls in den internen Stromsenken –, muss die Spannung hochgesetzt werden. Im Beispiel in Bild 1 wird eine Ladungspumpe (TPS60250, Mitte) genutzt, die durch die dynamische Umschaltung der Spannungsverstärkung von 1 auf den Faktor 1,5 den Wirkungsgrad über den typischen Spannungsbereich einer Lithium-Ionen-Akkuzelle optimiert.

Bei allen Parallelschaltungsverfahren ist ein genauer interner Abgleich der parallel geschalteten Stromquellen unabdingbar, will man eine uniforme Beleuchtungsstärke und ein konstantes Farbspektrum am Display erhalten. Sowohl die lineare Konstantstromquelle TPS75105 als auch die Ladungspumpe TPS60250 erreichen hier auch bei sehr kleinen Strömen eine Genauigkeit von 2 Prozent.

Displays aus organischen Leuchtdioden (OLED) unterscheiden sich grundlegend von herkömmlichen TFTLC-Displays, da sie keine Hintergrundbeleuchtung benötigen, sondern aus selbstleuchtenden Pixeln bestehen. Zum momentanen Zeitpunkt ist der Einsatz dieser vielversprechenden Technologie allerdings noch auf kleine Bildschirme mit geringer Einschaltdauer beschränkt, um die Problematik der geringeren Lebensdauer bei hoher Leuchtdichte zu umgehen. Ein typischer typischer Einsatz für OLEDs ist das sekundäre, äußere Display eines aufklappbaren Mobiltelefons (Bild 2).

Weitere, zum Teil komplexe Beleuchtungsfunktionen haben dazu geführt, dass Halbleiterhersteller sich dem Lichtmanagement in mobilen Endgeräten mit dezidierten Bausteinen zuwenden, die dann auch über eine digitale Schnittstelle verfügen und durch programmierbare Ablaufsteuerungen den ansteuernden Prozessor entlasten können [3].

Ein Beispiel sind in der Farbe steuerbare Blinklichter, die so genannte RGB-LEDs verwenden. Diese Leuchtdioden bestehen im Grunde aus drei LEDs unterschiedlicher Dotierung, die in den Farben Rot, Grün und Blau leuchten und auf einem gemeinsamen Substrat montiert werden. Ein Baustein wie der TCA6507 (Bild 3) bietet die Möglichkeit, die Stromstärke, das Tastverhältnis und die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit der Impulse über eine I2C-Schnittstelle einzustellen und die Blinkfolge danach automatisiert ohne Beteiligung des Prozessors ablaufen zu lassen.

Die geringe Lichtempfindlichkeit der weit verbreiteten Digitalkamera- Module in Mobiltelefonen hat einen weiteren Markt für spezialisierte Halbleiter zur Ansteuerung von Leuchtdioden geschaffen (Bild 4).

Um eine für akzeptable Aufnahmen nötige Beleuchtungsstärke von ca. 100 Lux in einem Abstand von 1 m mittels Hilfslicht zu erzeugen, wird bei den modernen Hochleistungs-Leuchtdioden ein Strom von ungefähr 1 A benötigt. Um die Selbsterhitzung der Leuchtdiode auch bei einem Systemabsturz zu limitieren, ist ein Sicherheits- Timer notwendig, der die maximale Einschaltzeit begrenzt. Ein weiteres Problem stellt der hohe LED-Strom dann dar, wenn der GSM-HF-Sendeverstärker gleichzeitig einen Sendepuls abgibt. Wenn sich LED-Blitzstrom und HF-Verstärkerstrom addieren, können bis zu 3,5 A aus dem Akku benötigt werden.

Da der Innenwiderstand älterer Akkus ansteigt, würde dies zu einem frühen Ausschalten des Telefons durch Ansprechen der Unterspannungserkennung führen. Daher können moderne Blitz-LED-Ansteuerschaltungen den Blitz während des Sendeimpulses austasten. Ein modernes IC-Gehäuse, hohe Schaltfrequenzen, die Verwendung von bauformoptimierten Induktivitäten und ein hoher Integrationsgrad ermöglichen einen platzsparenden und extrem flachen Aufbau.

Da durch Optik und Design der Geräte eine unverwechselbare Markenidentität geschaffen werden kann, sind weitere Anwendungen für Leuchtdioden in Mobiltelefonen zu erwarten. Seien es Lichtorgel-Effekte, Lauflichter oder kundenspezifische Gehäusebeleuchtung – der Phantasie der Marketingabteilungen sind hier wenig Grenzen gesetz.

Leuchtdioden im Automobil

Wesentlich langsamer als in portable Geräte zogen Leuchtdioden ins Automobil ein. Selbst wenn man die langen Produktentwicklungszyklen der Automobilhersteller berücksichtigt, erscheint dies immer noch verwunderlich, denn die Vorteile der LEDs gegenüber herkömmlichen Glühfadenlampen mit Glaskolben sind besonders in der Automobiltechnik evident: Die größere Lebensdauer und die höhere Zuverlässigkeit reduzieren die Gesamtkosten. Der bessere Wirkungsgrad, die kleinere Bauform und die zugrundeliegende Charakteristik als reiner Punktstrahler erlauben wesentlich größere Freiheitsgrade bei der geometrischen Gestaltung der Leuchten.

Zuerst nur als Signalleuchte im Armaturenbrett eingesetzt, erobern die LEDs nun allmählich alle weiteren Bereiche wie die Beleuchtung des Armaturenbretts und des Innenraums sowie – in der Form neuer, helligkeitsoptimierter LEDs – die Fahrtrichtungsanzeiger, die Rück- und Bremsleuchten und in Zukunft beim Einsatz von Hochleistungs-LEDs auch das Fahr- und Fernlicht. Wird eine Charakteristik als diffuser Flächenstrahler gewünscht, wie es beispielsweise bei der Armaturenbrettbeleuchtung oder Brems- und Rückleuchten der Fall ist, bietet sich eine Konfiguration von vielen parallelgeschalteten LEDs an. Beim Ausfall einer einzelnen LED fällt somit nur ein Teilbereich, nicht aber die gesamte Leuchte aus. Im Allgemeinen wird hier eine große Anzahl gesteuerter Stromsenken benutzt, wie beispielsweise im TLC5917 von Texas Instruments (Bild 5).

Der Maximalstrom der LEDs wird hier durch einen externen Widerstand auf einen Wert zwischen 5 mA und 120 mA eingestellt. Die serielle Schnittstelle erlaubt dann, die Stromstärke durch die LEDs so zu justieren, dass die Abweichungen zwischen unterschiedlichen Schaltkreisen in Serienschaltung geringer als 1 Prozent ausfallen. Die serielle Schnittstelle erlaubt auch, den Status der LEDs individuell abzufragen. Ein offener Schaltkreis, wie er z.B. bei losen oder korrodierten Steckverbindern auftritt, wird damit ebenso erkannt wie ein Kurzschluss oder eine Übertemperatur.

TV- und Großbildschirme

Großbildfernseher, professionelle Monitore für Grafikanwendungen und kommerzielle Großbildanlagen im Außenbereich sind kommende Anwendungsgebiete für eine sehr große Anzahl von LEDs. Auch hier wird ein Flächenstrahler durch eine Vielzahl kleiner Punktstrahler aufgebaut. Von besonderer Bedeutung ist die Gleichmäßigkeit der Ausstrahlung, was sowohl die absolute Helligkeit als auch die Farbverteilung betrifft. Um diese individuell einzustellen, bietet sich ein ähnlicher Ansatz an, wie bei der Automobilbeleuchtung beschrieben. Eine serielle Schnittstelle ermöglicht die Ansteuerung jeder einzelnen LED, die in einer matrixartigen Geometrie angeordnet sind.

Besteht im Falle der heute erhältlichen Großbildfernseher und professionellen Monitore die Herausforderung darin, den Weißabgleich möglichst exakt und konstant über die gesamte Bildschirmfläche durchzuführen und eine möglichst farbtreue Wiedergabe des Bildmaterials zu gewährleisten, versuchen neuere Konzepte, die Farbdarstellung durch eine angepasste dynamische Hintergrundbeleuchtung zu optimieren (Scanning Backlight). Bis zur Massenproduktion solcher Systeme sind allerdings noch kommerzielle Widerstände zu überwinden. Bei Großbildanlagen sind die LEDs auch für die Farbinformation des jeweiligen Bildpunktes verantwortlich. Normalerweise bilden jeweils drei oder vier LEDs in den Farben Rot, Grün und Blau einen Bildpunkt, so dass je nach Bildschirmgröße und Auflösung bis zu 10 000 einzelne LEDs angesteuert werden müssen (Bild 6).

Daher ist es unabdingbar, dass die Pixelinformationen schnell genug an die jeweiligen LEDs gereicht werden können, um eine Bildfrequenz zu gewährleisten, die vom menschlichen Auge als kontinuierliche Bewegung wahrgenommen wird. Bei Bildmaterial, das auf dem PAL- oder NTSC-Standard basiert, geschieht dies mit der Halbbildfrequenz von 50 Hz beziehungsweise 60 Hz. Die serielle Schnittstelle erlaubt einen Bit-Takt bis 30 MHz; somit ist eine beliebige Anzahl von Bausteinen mit jeweils 16 Ausgängen in einer Serienschaltung aneinanderreihbar.

Als besondere Eigenschaft bietet der TLC5945 die Möglichkeit, pro Pixel ei nen Korrekturwert der Maximalamplitude des LED-Stroms zwischenzuspeichern, um Unterschiede zwischen einzelnen LEDs auszugleichen. Jede Stromsenke hat zusätzlich einen einstellbaren Pulsbreitenmodulator, der ein individuelles Dimmen zulässt. Das Konzept des PWM-Dimmens erlaubt, die individuell abgeglichenen Maximalströme beizubehalten und damit Farbverschiebungen, wie sie beim analogen Dimmen auftreten, zu vermeiden. Auch dieser Baustein erkennt eine offene Verbindung zur LED und kann dies über die serielle Schnittstelle melden.

LEDs in der Architektur

War die Benutzung von LEDs im öffentlichen Raum und in der Architektur bis jetzt hauptsächlich auf Verkehrsignalanlagen und Leuchtschriften beschränkt, finden sich jetzt erste Anwendungen auch in Bereichen, die momentan von klassischen Glühlampen oder Gasentladungslampen dominiert werden. Bei Notausgangsbeleuchtungen erlauben die LEDs aufgrund ihrer geringeren Leistungsaufnahme eine längere Betriebszeit am gleichen Notstrom-Aggregat oder sogar eine geringere Dimensionierung der Notstromversorgung. Auch in Bereichen, in denen die Produktrichtlinien der Explosionsschutzverordnung gelten, sind Leuchten mit LEDs als Leuchtmittel von großem Vorteil. Fortschritte beim elektrooptischen Wirkungsgrad und verbilligte Produktionsmethoden lassen auch bei Innen- und Außenraumbeleuchtung den vermehrten Ersatz von Leuchtdioden erwarten. Die kleine Baugröße erlaubt eine Vielzahl von Lampenformen und schenkt dem Industriedesigner neue Freiheitsgrade bei Form und Farbe.

Die Ansteuerung solcher netzbetriebener Leuchten wird im Allgemeinen mittels stromeinprägender Netzspannungswandler konzipiert, wie sie Texas Instruments beispielsweise mit den ICs der Unitrode-Familie UCC28xx anbietet. Sperr- und Aufwärtswandler sind hier mögliche und oft gewählte Schaltungen, wobei ab einer Ausgangsleistung von 75 W die Leistungsfaktorkorrektur gemäß EN 61000-3-2 berücksichtigt werden muss. Die weite Verbreitung von Leuchtdioden in portablen Endgeräten hat zu speziellen Ansteuer-ICs geführt, die optimal zu den verschiedenen Anwendungsfällen passen. In der Automobiltechnik, zur Hintergrundbeleuchtung von LC-Displays sowie bei LED-Großbildschirmen ist ein ähnlicher Spezialisierungs- Trend zu beobachten. Nur bei der Raumbeleuchtung überwiegen noch allgemeine Schaltnetzteile. Die weitere Verbreitung von Leuchtdioden in der Architektur wird in Zukunft sicherlich die Halbleiterhersteller motivieren, hierfür maßgeschneiderte ICs zu entwickeln. Harry Schubert, Elektronik

Literatur

[1] Gilbert, M.; Hadden, W: Linear matched current sources vs traditional white LED driver solutions. Application Report SBVA019, Texas Instruments, März 2007, http://focus.ti.com/lit/an/sbva019/sbva019.pdf
[2] Datenblatt TPS61140, Texas Instruments, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps61140.pdf
[3] Borgert, Ch.: Verschnaufpause für hart Arbeitende – wie man mit Hilfe von I2CLED- Treibern den Prozessor entlastet. E&E, 2007, H. 7, S. 41 – 43.
[4] Datenblatt TPS61052, Texas Instruments, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps61052.pdf
[5] Datenblatt TLC5916/7, Texas Instruments, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tlc5917.pdf
[6] Datenblatt TLC5945, Texas Instruments, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tlc5945.pdf