Stromversorgung für High-Power-LEDs
Passive Bauteile sind das Zünglein an der Waage
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Aluminium-Elkos für höhere Spannungen und Kapazitätswerte
Kondensatoren kommen in LED-Treiberapplikationen im Eingangs- und Ausgangskreis zum Einsatz. Die Auswahlkriterien für den Eingangskondensator hängen hauptsächlich vom Eingangsspannungsbereich und dem Transientenverhalten ab (Tabelle 1).
»Ausgangskondensatoren müssen spannungsstabil sein und einen niedrigen äquivalenten Innenwiderstand (ESR) besitzen, um den LED-Laststrom handhaben zu können, die Eigenerwärmung des Kondensators zu minimieren und den Gesamtwirkungsgrad der Schaltung zu verbessern«, betont Riemann. Die Auswahl des richtigen Kondensators für LED-Schaltungen hänge vom Stückpreis, der Bauform und der Lebenserwartung ab, so Riemann.
LEDs haben bei Temperaturen bis 85°C eine durchschnittliche Lebenszeit von 50.000 bis 100.000 Stunden. »Bei der Kondensatorauswahl müssen wir die Temperatur der Ansteuerelektronik und deren gewünschte »Endlebensdauer« also unbedingt von vorne herein berücksichtigen.« Am häufigsten werden laut Riemann hochkapazitive MLCC in den Ein- und Ausgangskreisen von LED-Treiberanwendungen eingesetzt, »allerdings wird man bei dieser Technologie mit Limitierungen in Bezug auf die verfügbare Spannungsfestigkeiten und Kapazitätswerte konfrontiert.« Für höhere Spannungen und Kapazitätswerte - z.B. >100µF und >5VDC - empfiehlt Riemann deshalb Aluminium-Elektrolytkondensatoren (Tabelle 2).
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Solche Aluminium-Elkos gibt es als günstige Variante mit Flüssigelektrolyt in SMD-Ausführung oder als THT-Bauteile oder Longlife-Typen mit festem Elektrolyten. Die Lebensdauer bei höheren Temperaturen über +70°C kann für Aluminium-Elkos mit Flüssigelektrolyten durchaus eine Herausforderung sein. Hier gibt es aber inzwischen Produkte mit Lebenserwartungen von 60.000 Stunden bei +85°C.
Induktivitäten: Sättigungsstrom und Selbsterwärmungsstrom berücksichtigen
Die Induktivitäten dienen in LED-Treiber-Schaltungen hauptsächlich als Energiespeicher während der Schaltzyklen, aber auch dazu, die durch Schaltvorgänge hervorgerufenen Störungen in EMV-kritischen Anwendungen herauszufiltern. Sollen mehrere LEDs gleichzeitig getrieben werden, benötigt man spezielle Hochstromdrosseln, um die erforderlichen Ströme zu liefern. Die Auswahl der Speicherdrossel hängt vom benötigten Induktivitätswert und dem erforderlichen Sättigungsstrom ab. »Bei der Auswahl der optimalen Komponenten muss man aber den spezifizierten Sättigungsstrom (Isat) und den Selbsterwärmungsstrom (Irms) der in Frage kommenden Leistungsdrossel beachten«, erklärt Riemann. Die Charakterisitk des Wickeldrahts inklusive des frequenzabhängigen Skineffekts und der damit verbundenen Selbsterwärmung sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Um zu verhindern, dass die Induktivitäten benachbarter Bauteile elektromagnetisch beeinflussen, rät Riemann eher zu geschirmten SMD-Induktivitäten: »Geschirmte aber auch ungeschirmte Drosseln gibt es in vielen Größen und Variationen. Geschirmte Drosseln sind oft bei vergleichbarer Leistung auch schon zu ähnlichen Preisen erhältlich wie ungeschirmte.«
Neben den Kernbauteilen einer LED-Ansteuerung zählt besonders der Strom-Messwiderstand zu den entscheidenden passiven Bauteilen der Schaltung. Um den Ausgangsstrom des LED-Treibers zu überwachen und zu kontrollieren, setzt man niederohmige (typisch 10 bis 200 mΩ) Widerstände ein. »Normalerweise verwendet man kleine SMD-Chips, weil sie preisgünstig sind, geringe Abmessungen und eine niedrige ESL-Charakteristik haben«, so Riemann.
Geeignete Dickschicht-Widerstände gibt es in Abstufungen von 0,001 Ohm mit bis zu 1W Leistung. Aufgrund der oft erforderlichen Genauigkeit sind häufig einprozentige Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizient das Mittel der Wahl. Um die Temperatur zu messen und den Strom- und damit die Helligkeit zu korrigieren empfehlen sich dagegen kostengünstige NTC-Widerstände.
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