Für industrielle Stromversorgungen
Kompakter LED-Treiber mit nur zwei Bauteilen
Eine stabile Stromversorgung ist das Rückgrat industrieller Steuerungssysteme – ihr Zustand muss jederzeit klar erkennbar sein. Analog Devices hat eine LED-Treiberschaltung entwickelt, die mit nur einem winzigen Chip und einem Widerstand den Ein- oder Ausschaltzustand der Versorgung anzeigt.
Industrielle Steuerungssysteme arbeiten normalerweise mit einer Versorgungsspannung von 24 VDC. Ob die Versorgungsspannung anliegt oder nicht, wird oft mit LEDs signalisiert. Diese befinden sich beispielsweise an Geräten wie der Hauptsteuerungseinheit sowie an den E/A- und Kommunikationsmodulen.
LED-Kontrollleuchten helfen, Installations-, Wartungs- und Ausfallzeiten in industriellen Systemen und Subsystemen wie etwa speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und verteilten Steuerungssystemen (DCS), Stromversorgungseinheiten sowie Sensoren und Aktuatoren zu minimieren. Stromversorgungs-LEDs sollten bei bestimmten Bedingungen leuchten, beispielsweise wenn sich die Versorgungsspannung im erforderlichen Bereich befindet. Trotz ihrer konzeptionellen Einfachheit sind reale Implementierungen nicht ganz trivial. Sie benötigen Spannungskomparatoren mit Hysterese, müssen sich selbst mit Strom versorgen und die LEDs gleichmäßig ansteuern.
Weitere Anforderungen an solche Schaltungen sind:
• Geringe Verlustleistung
• Die LED darf nicht leuchten, wenn die Versorgungsspannung unter dem Minimalwert liegt
• Die Lichtintensität der LED sollte unabhängig von der Versorgungsspannung sein
• Die Schaltung sollte Überspannungen verkraften
• Es dürfen keine Schäden entstehen bei eventueller Fehlverdrahtung – beispielsweise durch negative Spannungen, wie sie bei Verpolung auftreten.
Das Verhalten einfacher diskreter Schaltungen kann erheblich von Schwankungen der Bauteilewerte, der Temperatur und der Spannung abhängen.
Die hier vorgestellte LED-Treiberschaltung basiert auf der abgewandelten Verwendung eines industrietauglichen digitalen Eingangschips für eine Funktion, die von seiner ursprünglich vorgesehenen Anwendung abweicht.
Hintergrund
Schaltungseingänge industrieller Steuerungssysteme arbeiten normalerweise mit 24-V-Logik und haben klar spezifizierte Eingangsstrom- und Spannungseigenschaften mit definierten Eingangsschwellenspannungen. Ein Sinking-Eingang (auch als p-Typ-Eingang bezeichnet) weist einen spezifizierten Pull-Down-Strom von mehr als 2,0 mA bei der maximalen „Input-High“-Schwellenwertspannung von 11 V auf – das gilt für Typ-3-Eingänge, den am häufigsten verwendeten industriellen Eingangstyp.
Um die Verlustleistung zu minimieren, begrenzen und regeln die heutigen digitalen Eingangsbausteine den Eingangsstrom auf einen Wert, der nur knapp über dem Grenzwert von 2,0 mA liegt.
Die Idee
Bei der Feststellung, dass der 2,0-mA-Pegel mit den üblichen LED-Treiberströmen übereinstimmt und dass industrielle Digitaleingänge klar definierte Schaltschwellen haben, stellt sich die Frage, ob ein Chip wie der einkanalige Digitaleingang MAX22191 von Analog Devices für die Überwachung der Stromversorgung und die LED-Ansteuerung geeignet wäre.
Das industrietaugliche Eingangsbauteil wurde ursprünglich zur Ansteuerung eines Opto-Isolators über seinen OUT-Pin entwickelt. Bild 1 zeigt die vorgeschlagene Anwendungsschaltung. REXT ist ein Stromeinstellwiderstand, mit dem der Ausgangsstrom im Bereich von 2,0 bis 2,6 mA eingestellt werden kann. Die interne Stromquelle hat eine Gesamt-Toleranz von ±12,5 % über der Temperatur, der Eingangsspannung und von Bauteil zu Bauteil. Das sorgt für eine geringe Verlustleistung bei vernachlässigbarer Schwankung der Lichtintensität über der Versorgungsspannung. Mit der für die Stromquelle spezifizierten maximalen Ausgangsspannung OUT von 5,5 V lassen sich die meisten modernen LEDs betreiben. Der interne Versorgungsstrom von 110 µA (typ.) sorgt für eine geringe Verlustleistung der Schaltung.
Bild 2 zeigt, dass der LED-Strom bei 9 V (typ.) voll an- und bei 8 V (typ.) abschaltet, was eine Hysterese von 1 V ergibt. Die maximalen On- und die minimalen Off-Schwellenspannungen sind im Datenblatt des MAX22191 angegeben. Sollten höhere Schwellenspannungen erforderlich sein, kann ein Widerstand RIN in Reihe mit dem IN-Eingang geschaltet werden (Bild 3). Der Wert für RIN wird berechnet zu RIN = (Erhöhung der Schwellenspannung)/IIN.
Der LED-Strom verläuft im Ein-Zustand flach über der Eingangsspannung (Bild 2). Das ist ein Vorteil gegenüber der Verwendung einer einfachen Bipolar/MOS-Transistorschaltung zur Ansteuerung der LED, die aufgrund der „Early“-Spannung des Transistors eine deutliche Strom/Spannungs-Abhängigkeit aufweist.
LED-Steuerung
Für Anwendungen, in denen die LED mit der Spannung von Logik-Schaltungen gesteuert ein- und ausgeschaltet werden muss, kann der TEST-Eingang verwendet werden (Bild 3). Dies ermöglicht die Implementierung von Zusatzfunktionen wie Einschaltverzögerungen, Blinken oder andere Statusrückmeldungen.
Robust aufgebaut
MAX22191 ist für den Einsatz im Automobil-Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125 °C spezifiziert. Die IN-Versorgungsspannung ist tolerant gegenüber einem weiten Spannungsbereich von -70 bis +60 V. Das bietet Spielraum für Überspannungssicherheit und Robustheit gegenüber Verpolung. Im Falle einer Verpolung weist die Schaltung bei negativer Eingangsspannung einen geringen Eingangsstrom von nur 1 µA auf.
Fazit
Der einkanalige Digitaleingang MAX22191 bietet eine einfache Möglichkeit zur Implementierung von LED-Statusanzeigen für Stromversorgungen. Das SOT23-Gehäuse des ICs ermöglicht mit nur einem Low-Power-Stromeinstellwiderstand eine geringe Baugröße für die Gesamtlösung.
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Autor:
Reinhardt Wagner ist Distinguished Engineer bei Analog Devices (ADI) in München. Wagner kommt von Maxim Integrated, wo er 21 Jahre lang vor allem mit der Produktdefinition neuer Industriechips für Kommunikations- und Ein-/Ausgabe-Bauteile wie IO-Link, schnelle digitale I/Os, analoge Beyond-the-Rails-Schaltern und Digitalisolatoren beschäftigt war. Bei ADI arbeitet er in der Industrial Automation Group.
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