LED-Treiber für die Ansteuerung von Hochleistungs-Leuchtdioden im Fahrzeug
Es werde Licht
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Anforderungen an die Spannungsregelung im Auto
Im Normalbetrieb des Fahrzeugs bewegt sich die Versorgungsspannung zwischen 9 und 16 V (beim 12-V-System) oder zwischen 18 V und 32 V (24-V-System), jedoch können auf den Leitungen wesentlich höhere Spannungen sowohl positiver als auch negativer Polarität durch leitungsgeführte Transienten auftreten
.
Elektrische Störungen, die durch Schalten induktiver Lasten, plötzliches Abschalten von Versorgungsspannungen oder Prellen von Schaltern hervorgerufen werden, bezeichnet man allgemein als „induktives Schalten“. Das Abschalten eines induktiven Elements verursacht eine hohe Überspannung entgegengesetzter Polarität. Positive transiente Überspannungen entstehen auf den Versorgungsleitungen, wenn der Zündschlüssel die Batterieversorgung abschaltet. In diesem Fall erzeugt die Zündung weitere Störungen, bis der Motor stoppt. Das Schalten elektrischer Motoren, die als Generator arbeiten (z.B. der Lüfter der Klimaanlage), erzeugt ebenfalls unerwünschte Überspannungsspitzen, deren Amplitude noch größer wird, wenn kein Filter vorgeschaltet ist. Diese Funktion übernimmt normalerweise die Batterie. Obwohl die induktiven Schaltspitzen Überspannungen von positiver und negativer Polarität bis zu ca. 600 V erzeugen würden, ist die maximale Energie dieser Transienten normalerweise nicht über 2 J pro Impuls. Die LED-Baugruppen können somit vor den induktiven Transienten geschützt werden, indem die Versorgungsspannung auf akzeptable Werte geklemmt wird.
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Eine sehr energiereiche elektrische Störung tritt auf, wenn die Autobatterie plötzlich abgeklemmt wird, während sie von der Lichtmaschine geladen wird (Lastabwurf oder „Load Dump“). Während eines Load Dump steigt die Spannung an den Klemmen der Lichtmaschine schnell an. Die Dauer der Störung hängt von der Zeitkonstante der Generatorerreger-Schaltung ab und kann einige hundert Millisekunden betragen. Der Serienwiderstand der Lichtmaschine ist nur ein Bruchteil von einem Ohm, und die Energie eines Load Dump kann daher Werte von 50 J oder mehr erreichen. Positive Überspannungen von bis zu 87 V (im 12-V-System) oder 174 V (im 24-V-System) können an den Versorgungsleitungen auftreten, die die Schaltung des LED-Treibers zerstören könnten.
Die meisten modernen Lichtmaschinen haben daher eine spezielle zentrale Load-Dump-Schutzschaltung, die die Überspannung auf typischerweise weniger als 40 V begrenzt. Verschiedene Fahrzeugnormen definieren einen etwas unterschiedlichen Load-Dump-Test. Ein typischer Testpuls ist in Bild 2 gezeigt, wie in [1] definiert. Die gestrichelte waagerechte Linie (UKlemm) kennzeichnet den zentral geklemmten Load-Dump-Impuls. Einige Innen- und Außenbeleuchtungen sind jedoch für den Einsatz in bestehenden Fahrzeugen gedacht, die somit einen Schutz vor nicht geklemmten Load Dumps erfordern könnten.
Schnelle Transienten am Eingang können ein ernsthaftes Problem für die LED-Treiberschaltung darstellen, da die LEDs selbst einen sehr niedrigen dynamischen Widerstand aufweisen. Die Treiberschaltung muss daher eine sehr schnelle Unterdrückung von Versorgungsspannungs-Änderungen aufweisen, um die LEDs vor gefährlichen Spitzenströmen zu schützen. Sowohl die Topologie als auch der Regelkreis des LED-Treibers müssen daher sorgfältig ausgewählt werden, um einen zuverlässigen Betrieb der LED-Beleuchtung sicherzustellen.
Manche sicherheitsrelevanten externen Signalleuchten könnten erfordern, dass sie bis zu Spannungen von nur 6 oder 7 V funktionieren, manchmal sogar bis zu zwei Minuten. Dies könnte bei Rücklicht und Markierungsleuchten der Fall sein, die eine potentielle Gefahr für Auffahrunfälle darstellen, wenn sie nicht leuchten. Ein solcher Spannungseinbruch tritt beispielsweise an der Spannungsquelle auf, wenn der Starter aktiviert wird. Niedrige Umgebungstemperaturen verstärken diesen Effekt noch, ein typischer Spannungsverlauf bei Kaltstart ist in Bild 3 gezeigt. Da einem jeden Anlassvorgang ein Betrieb mit normalen Spannungsverhältnissen vorausgeht, muss eine sicherheitsrelevante Signalleuchte nicht bei 6 V starten, sie darf jedoch nicht bei dieser niedrigen Versorgungsspannung abschalten. Im folgenden Abschnitt wird gezeigt, wie diese Überlegung das Design des LED-Treibers vereinfacht.
Außerdem wird erwartet, dass LED-Beleuchtungen das Anlegen von +24/–12 V (12-V-Systeme) oder +48/–24 V (24-V-Systeme) während einem so genannten „Jump Start“ (Fremdstarten) überstehen. Werkstätten und Pannenservice nutzen gelegentlich 24-V-Versorgungen für Not-Starts. Hohe Spannungen wie diese werden bis zu 5 Minuten angelegt, manchmal auch mit inverser Polarität.
Somit erfordern LED-Treiber für den Automobil-Einsatz
- einen Betrieb mit weitem Versorgungsspannungsbereich;
- Immunität gegen Transienten auf der Eingangsspannung;
- Schutz vor Betrieb mit Über- und Unterspannung;
- Verpolschutz gegen negative Spannungen.
- Es werde Licht
- Literatur
- LED-Treiber-Topologien
- Anforderungen an die Spannungsregelung im Auto
