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Linearer Treiber-Schaltungen

LEDs mit hohem Wirkungsgrad treiben

18. August 2011, 10:07 Uhr | Von Roderick Bacon

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Lineare LED-Treiber

Lineare LED-Treiber, wie die Bausteine MIC284x, MIC480x und MIC481x von Micrel, sind kostengünstige und einfach zu verwendende Treiber-Schaltungen für LEDs in allen Beleuchtungsanwendungen. Diese linearen LED-Treiber können eine LED oder mehrere LEDs ohne Drosseln und Schalttransistoren treiben (Bild 6 und 7).

Sie ermöglichen das Dimmen bei hohen Frequenzen (>500 kHz), wodurch keine hörbaren Schallwellen durch die piezoelektrischen Eigenschaften von Keramikkondensatoren entstehen. Zudem sind lineare LED-Treiber passend zur Anwendung mit unterschiedlichen Strombelastbarkeiten erhältlich.

Als externe Komponenten benötigen lineare LED-Treiber nur zwei Bauteile: einen Eingangskondensator (C_E) und den Strommesswiderstand (R), um die LED(s) direkt von der Eingangsspannung aus anzusteuern. Bei den „D“-Anschlüssen (D1 bis D6 in Bild 6 und 7) handelt es sich um die Ausgänge linearer Reglerschaltungen nach dem „Low Dropout“-Prinzip - d.h., mt geringer Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang. Ihre Aufgabe ist es, die Stromstärke auf den vom Strommesswiderstand (R) vorgegebenen Wert zu begrenzen.

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Da die Helligkeit bzw. Leuchtdichte der jeweiligen LED von der Stromstärke abhängt, erfolgt eine Anpassung der Stromstärke zwischen den einzelnen D-Pins unter normalen Betriebsbedingungen mit einer Toleranz besser als 1 %. Dadurch ist gewährleistet, dass alle angeschlossenen LEDs Licht mit gleicher Leuchtdichte aussenden.

Da die LEDs direkt von der Eingangsquelle aus gespeist werden, ist eine geringe Spannung an den D-Anschlüssen von entscheidender Bedeutung für einen hohen Wirkungsgrad. So genügen z.B. dem Treiber-IC MIC4812 weniger als 190 mV bei einem LED-Strom von 100 mA und dem Treiber-IC MIC4802 280 mV bei 800 mA.

Der Wirkungsgrad linearer LED-Treiber lässt sich mit der folgenden Gleichung berechnen:

η = (U_LED × I_LED) / (U_E × (I_LED + I_Treiber))

Eine typische Leistungs-LED hat eine Durchlassspannung von 3,4 V bei 800 mA. Bei einer Regler-Spannungsdifferenz von nur 280 mV kann selbst eine Eingangsspannung von nur 3,68 V noch immer genügen, um die LED zu betreiben. Der LED-Treiber MIC4802 benötigt normalerweise für sich selbst eine Stromaufnahme von nur 4,1 mA bei einer LED-Stromstärke von 800 mA. Mit diesen Werten errechnet sich der Wirkungsgrad des linearen LED-Treibers zu 92 %.

Der Wirkungsgrad des linearen LED-Treibers fällt mit steigender Eingangsspannung von 92 % auf 78 % (Bild 8). Zum Dimmen der LEDs kann der lineare LED-Treiber bei voller Stromstärke (d.h. 800 mA) schnell ein- und ausgeschaltet (0 mA) werden - bei Frequenzen zwischen 200 Hz und 500 kHz. Die Leuchtstärke wird vom Tastverhältnis bestimmt. Da sich die Spitzenstromstärke (800 mA) nicht ändert, bewahrt der lineare LED-Treiber über den gesamten Helligkeits-Einstellbereich seinen Wirkungsgrad bei - unabhängig davon, ob ein Dimmvorgang stattfindet oder nicht.

Im Gegensatz zu den Schaltwandler-LED-Treibern (Aufwärts- bzw Abwärtswandler), deren Wirkungsgrad bei geringer Auslastung sinkt, bleibt beim linearen LED-Treiber beim Dimmen per Pulsweitenmodulation (PWM) mit hoher Frequenz der hohe Wirkungsgrad erhalten. Da lineare LED-Treiber ohne Ausgangskondensator arbeiten, können sie selbst beim Dimmen mit niedriger Frequenz keine störenden Schallwellen aufgrund des piezzoelektrischen Effekts erzeugen.

Solange die Eingangsspannung auf einen Wert von ca. 280 mV über der LED-Durchlassspannung ausgelegt ist, kann ein linearer LED-Treiber einen Wirkungsgrad von 92 % erreichen - bei jeder gewünschten Helligkeit der LEDs. Außerdem benötigen lineare LED-Treiber weniger externe Komponenten und folglich auch weniger Leiterplattenfläche als Schaltwandler-LED-Treiber.

Der Autor: Roderick Bacon arbeitet Strategic Applications Engineer bei Micrel Inc. (roderick.bacon@micrel.com)