Angesichts sinkender Produktionskosten kommen Hochleistungs-LEDs immer häufiger in Anwendungen zum Einsatz, deren Spektrum von batteriebetriebenen Geräten über Automobilsysteme bis hin zur Architekturbeleuchtung reicht.

Mit ihrer hohen Zuverlässigkeit (die Lebensdauer beträgt typisch mehr als 50.000 Betriebsstunden), ihrem hohen Wirkungsgrad (175 L/W) und ihrem fast verzögerungsfreien Ansprechverhalten sind sie eine sehr attraktive Lichtquelle. Das richtige Ansteuern von LEDs ist jedoch keine ganz triviale Angelegenheit.

Um die Helligkeit zu regeln, muss die LED mit einem Konstantstrom angesteuert werden, d.h. mit einem Strom, der von der Eingangsspannung unabhängig ist. Nicht selten müssen LEDs dimmbar sein. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, die Helligkeit eines Displays oder einer Architekturbeleuchtung zu variieren.

Dies lässt sich auf zwei Arten erreichen: Man kann entweder den LED-Strom verändern oder mit einer Pulsweitenmodulation (Pulse Width Modulation, PWM) arbeiten. Am ineffizientesten ist sicherlich das Variieren des Stromes, denn die Intensität des abgegebenen Lichts verändert sich nicht genau linear mit dem Strom, und das LED-Farbspektrum hat die Tendenz, sich bei Strömen unterhalb des Nennstroms zu verschieben.

Dabei muss man berücksichtigen, dass die menschliche Helligkeitswahrnehmung exponentiell erfolgt, so dass für ein vollständiges Dimmen eine große prozentuale Stromänderung erforderlich ist. Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf den Schaltungsentwurf, denn aus 3% Regelabweichung bei vollem Strom können aufgrund von Schaltungstoleranzen leicht 30% oder mehr bei 10% Last werden.

LED-Ansteuerung via PWM mit mehr als 1000 Hz

Das Dimmen von LEDs durch Ansteuern mit einem pulsweitenmodulierten Strom ist präziser, aber bei diesem Verfahren muss die Ansprechgeschwindigkeit der LEDs berücksichtigt werden. In Beleuchtungs- und Display-Anwendungen ist eine Pulsweitenmodulation mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz wünschenswert, damit das menschliche Auge kein Flimmern wahrnimmt.

 

Bild 1 zeigt einen sehr einfachen und kostengünstigen Abwärtsregler zur Ansteuerung einer einzelnen LED, in dem eine sehr schnelle Dimmfunktion implementiert ist. Er basiert auf dem MC33063, der mit einem internen Schalter, einem Strombegrenzungs-Komparator, einem Oszillator und einer internen Referenzspannungsquelle ausgestattet ist. Eine Abschaltfunktion (DISABLE) kann über den Pin aktiviert werden, der normalerweise zur Spannungsregelung dient.

In diesem Szenario schaltet eine Spannung von mehr als 1,25 V die Stromversorgung ab, während sie bei einer niedrigeren Spannung eingeschaltet ist. Ist die Schaltung aktiviert, dann arbeitet der Regler in einem Strombegrenzungs-Modus mit Hysterese, da die Spannungsrückführung eliminiert wurde.

Der Oszillator erzeugt eine Startimpuls, der bewirkt, dass der Leistungsschalter in den Zustand „Ein“ wechselt. Damit liegt die Eingangsspannung am Strommesswiderstand, an der LED und an der Induktivität an. Der Strombegrenzungs-Komparator stellt fest, wann der Strom etwa 350 mA erreicht, und schaltet den Leistungsschalter aus. Die Spannung an der Induktivität kehrt sich um und übersteigt die Eingangsspannung, so dass die Freilaufdiode leitet. Der Strom durch die Induktivität und die LED fließt so lange weiter, bis der Schalter beim nächsten Schaltzyklus in den Ein-Zustand wechselt.

Diese Schaltung ist für zahlreiche Anwendungen sehr flexibel einsetzbar. Die Verwendung eines Schaltreglers mit einer Nennspannung von 40 V und einem Nennstrom von 1,5 A ist in tragbaren Geräten, Haushaltsgeräten und Automobilanwendungen von Nutzen, wo es vor allem auf Einfachheit und geringe Kosten ankommt. Die Grundtopologie ließe sich in einem noch wesentlich größeren Spektrum von Anwendungen einsetzen, wobei sich dort die Hystereseregelung und die Ein- und Ausschaltfunktionen vielleicht nicht ganz so einfach realisieren lassen

Die Schaltung aus Bild 1 wurde aufgebaut und getestet. Bild 2 zeigt den DISABLE-Befehl und den daraus resultierenden Verlauf des LED-Stromes. Die LED lässt sich durch PWM-Ansteuerung bei 500 Hz leicht dimmen. Die Anstiegs- und Abfallzeit des Stromsignals beträgt weniger als 100 µs. Wenn eine höhere Stromwelligkeit in der LED tolerierbar ist, könnte die Induktivität einen geringeren Wert haben, und auch die Anstiegs- und Abfallzeiten ließen sich verbessern. Eine 500-Hz-PWM dürfte jedoch für die meisten Anwendungen gut geeignet sein.

Als Fazit kann festgehalten werden, dass sich ein Schaltregler wie der MC33063 gut zum Ansteuern von LEDs eignet, auch wenn er nicht speziell für diesen Zweck entwickelt wurde. Sein Fehlerverstärker lässt sich für eine DISABLE-Funktion zum Dimmen der LED per PWM nutzen, sein Strombegrenzungs-Komparator spricht schnell an und sorgt für eine präzise Stromeinstellung, und der eingebaute Leistungsschalter ermöglicht den Aufbau einer kompakten und einfachen Schaltung.

Ich bedanke mich bei Dave Parks von TI für die Unterstützung bei der Zusammenstellung dieses Power-Tipps.

Literatur [1] Betten, J.: „LED Lighting Illuminates Buck Regulator Design“, Power Electronics Technology, Oct. 2007

Von Robert Kollman, Texas Instruments.