High Power DC/DC LED-Anwendungen: Helligkeit und Effizienz

Während sich die LEDs auf ihre endgültige Betriebstemperatur erwärmen, passt der Konstantstromtreiber die Ansteuerspannung kontinuierlich an, um den Strom konstant zu halten und damit eine gleichmäßige Helligkeit zu gewährleisten.

Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Konstantstromtreiber verhindert, dass eine einzelne LED in der Kette übersteuert wird, was die Lebensdauer der LEDs deutlich erhöht. Wenn eine LED einen Kurzschluss erleidet, funktionieren die verbleibenden LEDs weiterhin mit dem korrekten Strom.

Die beste Konstantstromquelle ist ein Schaltregler (Abbildung 7). Zwar ist der Preis für diesen Treiber höher als bei den anderen Lösungen, doch die Ausgangsstromgenauigkeit kann über einen breiten Bereich von LED-Lasten besser als ±3% sein. Die Umwandlungseffizienz kann bis zu 96% erreichen, was bedeutet, dass nur 4% der Energie als Wärme verloren gehen. Dadurch eignen sich Schaltregler besonders gut für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen.

Ein wichtiger Unterschied zwischen den oben gezeigten Optionen liegt in den Eingangs- und Ausgangsspannungsbereichen. Ein DC/DC-Schaltregler bietet einen weiten Bereich für Ein- und Ausgangsspannung, in dem eine Konstantstromregelung zuverlässig funktioniert. Zum Beispiel arbeitet der RCD-24-0.35 mit Eingangsspannungen von 5V bis 36VDC und liefert einen Ausgangsspannungsbereich von 2–34VDC. Dieser breite Bereich unterstützt viele verschiedene LED-Kettenkonfigurationen und ermöglicht außerdem einen großen Dimmbereich.

Im Gegensatz dazu treten bei den beiden anderen Optionen (Abbildungen 5 und 6) erhebliche Leistungsverluste auf, wenn ein Potentiometer zum Dimmen verwendet wird. Der Widerstand oder der lineare Regler erzeugt dabei einen deutlichen Spannungsabfall, was die Energieverluste weiter erhöht. Aus demselben Grund muss auch der Eingangsspannungsbereich dieser Lösungen begrenzt werden.

Bei drei parallel geschalteten Strängen teilen sich die verbleibenden zwei Stränge den 1-A-Treiberstrom, wenn eine einzelne LED ausfällt (Abbildung 10).

Vorteile: Verdreifachung der Anzahl der LEDs pro Treiber (9 LEDs)
Nachteile: nicht ausfallsicher, bei offenem Stromkreis oder Kurzschluss wird der Strom in den Strängen nicht ausgeglichen.

Wenn ein Strang im offenen Stromkreis ausfällt, werden die beiden verbleibenden Stränge mit jeweils 500mA überlastet. Die LEDs können dies möglicherweise eine Zeit lang verkraften, abhängig davon, wie gut sie gekühlt sind. Doch schließlich wird der Überstrom dazu führen, dass eine weitere LED ausfällt. In diesem Fall übernimmt der dritte Strang den gesamten Strom von 1A und fällt höchstwahrscheinlich nahezu sofort aus.

Wenn eine LED einen Kurzschluss erleidet, wird die Stromverteilung stark unausgewogen, wobei der Großteil des Stroms durch den Strang mit der kurzgeschlossenen LED fließt. Auch dies führt schließlich zum Ausfall dieses Strangs und löst denselben katastrophalen Dominoeffekt in den verbleibenden Strängen aus, wie oben beschrieben.

High Power LEDs sind im Betrieb im Allgemeinen zuverlässig, daher treten solche Ausfälle nicht häufig auf. Aus diesem Grund akzeptieren viele LED-Beleuchtungsdesigner die Vorteile in Bezug auf Komfort und Kostenersparnis beim Betrieb mehrerer Stränge mit einem einzigen Treiber — trotz des Risikos, dass der Ausfall einer einzelnen LED weitere Ausfälle nach sich ziehen kann.

Der erste NPN-Transistor dient als Referenz. Der zweite NPN-Transistor „spiegelt“ diesen Strom. Auf diese Weise wird der Strom in den Strängen automatisch gleichmäßig verteilt. Die 1-Ohm-Emitterwiderstände sind für die Funktion des Stromspiegels nicht zwingend erforderlich, helfen in der Praxis jedoch, Unterschiede in Vbe zwischen den Transistoren zu kompensieren und die Stromverteilung genauer abzugleichen.

Ein Stromspiegel bietet außerdem Schutz bei LED-Ausfällen. Wenn eine LED im ersten Strang im offenen Stromkreis ausfällt, ist der zweite Strang geschützt, da der Referenzstrom auf null sinkt und damit auch der Strom in den übrigen Strängen. Ebenso bleiben bei einem Kurzschluss die Ströme gleichmäßig verteilt.

Fällt jedoch eine LED im zweiten Strang offen aus, schützt der Stromspiegel den ersten Strang nicht vor Überstrom. Eine modifizierte Version der Schaltung kann dieses Problem lösen, indem eine Dummy-Last am ersten Transistor den Strom für die verbleibenden Stränge vorgibt. Der Stromspiegel kann zudem auf drei oder mehr Stränge erweitert werden, indem zusätzliche Transistoren mit ihren Basen parallel geschaltet werden.

Einige Hersteller von LED-Treibern behaupten, dass sich der Strom in LEDs automatisch gleichmäßig verteilt und externe Stromspiegelschaltungen daher überflüssig seien. Das stimmt jedoch nicht immer. Ein Ungleichgewicht besteht, sofern die kombinierten Vorwärtsspannungen der LED-Stränge nicht exakt gleich sind.

Wenn zum Beispiel zwei parallele Stränge auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert sind, wird der Strang mit höherem Strom heller leuchten und sich stärker erwärmen. Mit steigender Temperatur sinkt die Vorwärtsspannung (Vf) des zweiten Strangs, sodass auch dieser mehr Strom aufnimmt. Theoretisch führt diese thermische Rückkopplung zu einem Ausgleich, praktisch ist der Effekt messbar, aber nicht zuverlässig genug, um eine präzise Stromverteilung sicherzustellen.

Handelt es sich um zwei getrennte LED-Leuchten, fehlt jeglicher thermischer Ausgleich. Die Lampe mit dem niedrigeren Vf zieht den größten Strom, wird wärmer und der Vf sinkt weiter. Dieser positive Rückkopplungseffekt kann das Ungleichgewicht verstärken und zu einem thermischen Durchgehen sowie zum Ausfall der LEDs führen. Heutzutage werden Stromspiegelschaltungen nur noch selten verwendet. Die Kosten für präzise LED-Treiber sind so stark gesunken, dass es bei hochwertiger Beleuchtung sinnvoller ist, jeden Strang mit einem eigenen Stromregler zu betreiben. Bei kostengünstigen Lösungen wird ein gewisses Stromungleichgewicht und die damit verkürzte Lebensdauer meist in Kauf genommen.