Herausforderungen und Möglichkeiten beim Einsatz von LED-Treibern
Wenn LEDs hell leuchten sollen #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wenn LEDs hell leuchten sollen
Eine der größten Herausforderungen für den Entwickler eines Beleuchtungssystems ist es, alle diese Vorteile auszunutzen. Da LEDs im Allgemeinen eine exakt konstante Gleichspannungsstromquelle und Hilfsmittel für das Dimmen benötigen, müssen LED-Treiber-ICs so entwickelt werden, dass sie die Anforderungen einer Vielzahl von Applikationen erfüllen: Sie müssen einen hohen Wirkungsgrad sowie robuste Eigenschaften haben und gleichzeitig kompakt und preiswert sein. Die anspruchsvollsten Applikationen für LED-Treiber finden sich im Automobil, beispielsweise bei Innenraumbeleuchtungen, Hintergrundbeleuchtungen für LCDs, Brems- und Blinkleuchten oder sogar bei Hauptscheinwerfern.
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Von der Bremsleuchte zum Hauptscheinwerfer
Vorteile wie kompakte Ausmaße, geringe Verlustleistung und schnelle Einschaltzeiten haben zum weit verbreiteten Einsatz von lichtstarken HB-LEDs (high brightness) in heutigen Automobilen geführt. Die ersten Einsatzbereiche waren die dritten Bremsleuchten (center high-mounted stoplights, CHMSL); in dieser Anwendung wurden rote LEDs eingesetzt, um ein sehr schmales LED-Band zu realisieren, das einfach montierbar war und nicht ausgetauscht werden musste.
Traditionell waren Glühlampen die ökonomischste Lichtquelle für Automobile; sie werden deshalb auch weiterhin in vielen Fahrzeugen verwendet. Der ständig schrumpfende verfügbare Platz für Beleuchtungen und die erforderlichen langen Service-Intervalle, vielfältigen Lichtfärbungen und fortschrittlichen Designs, die LEDs ermöglichen, ersetzten die Glühlampen in vielen Applikationen. Bei der Hintergrundbeleuchtung von TFT-LCDs wird immer öfter ein Array von weißen LEDs eingesetzt, die ein präziseres und justierbares Hintergrundlicht erlauben. Selbst Scheinwerfer, bisher eine Domäne von Halogen-/Xenon-Lampen, werden mit einem elektronisch steuerbaren Array aus Hochstrom-LEDs entwickelt. Praktisch alle Beleuchtungsanwendungen im und am Automobil werden auf die LED-Technik umgestellt – mit positiven Auswirkungen. Die lange Lebensdauer und die kompakte Bauform ermöglichen die permanente Einbettung, was wiederum mehr Freiraum bei der Gestaltung zulässt.
Bild 1 zeigt die Anwendungsbereiche für LED-Beleuchtungen in einem modernen Automobil. Im Innenraum gibt es einige Standard-Beleuchtungsmodule, die eine Vielzahl unterschiedlicher LED-Typen verwenden. Einige davon enthalten einzelne LEDs, während andere Applikationen LED-Arrays erfordern, z.B. die Hintergrundbeleuchtung des Navigationspanels. Für die Außenbeleuchtung gewinnen LEDs ebenfalls zunehmend an Akzeptanz. Über 40 Prozent der zusätzlichen dritten Bremsleuchten verwenden heute rote LEDs.
Zusätzlich enthält das 2008er Modell des Audi A8 ein Array von Hochstrom-LEDs für das Tagfahrlicht (daytime running light, DRL). Sowohl der LS600 von Lexus als auch der Audi R8 verwenden optional in der gesamten Frontbeleuchtung – einschließlich der Hauptscheinwerfer – LEDs als Lichtquellen. Ähnlich setzen selbst Mittelklasse-Fahrzeuge und Kleinwagen sowie viele Motorräder farbige LED-Arrays als Lichtquellen für Bremslichter und Blinkerlampen ein.
Um optimale Leistung und lange Betriebsdauer sicherzustellen, benötigen LEDs eine effektive Treiberschaltung. Diese muss mit dem schwankenden Bordnetz des Automobils zurechtkommen und gleichzeitig kostengünstig und kompakt sein. Um die lange Betriebsdauer beizubehalten, ist es unumgänglich, dass die Strom- und Temperaturgrenzen der LEDs nicht überschritten werden. Die Tabelle zeigt die typische Vorwärtsspannung gegen den Treiberstrom für eine weiße Hochstrom-LED.
Die meisten Scheinwerfer-Applikationen erfordern ungefähr 50 Watt LED-Leistung. Der LT3755 von Linear Technology kann die Spannung des Bordnetzes (nominal 12 V) auf 60 V aufwärts wandeln, um bis zu 14 in Reihe geschaltete 1-A-LEDs zu treiben (Bild 2). Das Bild zeigt zudem den Wirkungsgrad des LT3755, der bis zu 93 Prozent betragen kann. Dies ist eine wesentliche Verbesserung, da damit jede Wärmeabführung an den Leistungskomponenten überflüssig wird, was zu sehr kompakten Ausmaßen führt.
Obwohl die Schaltung in Bild 2 eine Aufwärtswandler-Topologie aufweist, erlaubt es das Fühler-Design auf der Hochstromseite des LT3755, ihn auch abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung für eine Aufwärts-, Abwärts- und Aufwärts/ Abwärts- oder Rücklauf-Topologie (flyback) zu konfigurieren.
Der LT3755 treibt einen externen, niederspannungsseitigen n-Kanal-MOSFET aus einer intern geregelten 7-V-Spannungsquelle. Die Architektur mit fester Frequenz im Strom-Modus bietet einen stabilen und präzisen Betrieb über einen weiten Bereich an Versorgungs- und Ausgangsspannungen. Der LT3755 bildet eine Konstantstromquelle, die unerlässlich für LEDTreiber-ICs ist, um trotz der Unregelmäßigkeiten der Eingangsspannung eine konstante Helligkeit der LEDs zu gewährleisten. Dies ist in Automobilanwendungen von besonderer Bedeutung, da die Eingangsspannung auf Grund von Spannungsspitzen (Transienten), hervorgerufen von Kaltstart- (cold crank) und Lastabwurf-Situationen (load dump), extrem schwanken kann. Die maximale Eingangsspannung des LT3755 von 40 V erlaubt es, sowohl den LED-Strom als auch die LED-Spannung zu regeln, selbst wenn das primäre Automobil-Bordnetz 40-V-Spitzen aufweist.
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