High Power DC/DC LED-Anwendungen

Die Lösung für das Problem der schwankenden Vorwärtsspannung V1 ist die Verwendung eines konstanten Stroms anstelle einer konstanten Spannung zur Ansteuerung der LEDs.

Ein Konstantstrom-LED-Treiber (CC) passt die Ausgangsspannung automatisch an, um den Ausgangsstrom und damit die Lichtleistung konstant zu halten. Dieser Prozess funktioniert mit einzelnen LEDs oder mit einer Kette oder einem Strang von in Reihe geschalteten LEDs. Solange durch alle LEDs der gleiche Strom fließt, haben sie die gleiche Helligkeit, auch wenn die V1 an jeder LED unterschiedlich ist (siehe Abbildung 4).

Während sich die LEDs auf ihre endgültige Betriebstemperatur erwärmen, passt der Konstantstromtreiber automatisch die Ansteuerspannung an, um den Strom durch die LEDs konstant zu halten, so dass die LEDs eine gleichmäßige Helligkeit liefern.

Ein wichtiger Unterschied zwischen den oben gezeigten Optionen sind die Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche. Ein DC/DC-Schaltregler verfügt über einen breiten Eingangsspannungs- und Ausgangsspannungsbereich, in dem die Konstantstromregelung gut funktioniert (z. B. hat der RCD-24-0.35, der von 5V bis 36VDC arbeitet, einen Ausgangsspannungsbereich von 2-34VDC). Ein breiter Ausgangsspannungsbereich ermöglicht nicht nur viele verschiedene Kombinationen von LED-Kettenlängen, sondern auch einen großen Dimmbereich.

Bei den beiden anderen oben gezeigten Optionen (Abbildungen 5 und 6) gibt es Probleme mit der Verlustleistung, wenn ein Potentiometer zum Dimmen verwendet wird, da der Widerstand oder der Linearregler einen großen Spannungsabfall aufweist, der die Verlustleistung noch weiter erhöht. Aus demselben Grund muss auch der Eingangsspannungsbereich eingeschränkt werden.

Zwei LEDs sind nicht sehr viel! Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, ist entweder die Verwendung eines Aufwärtswandlers, bei dem die Ausgangsspannung höher ist als die Eingangsspannung, oder die Verwendung von zwei oder mehr parallel geschalteten LED-Strängen. Für jeden parallel geschalteten LED-Strang muss der Treiberstrom erhöht werden, um den richtigen Gesamtstrom zu liefern. Wenn also ein einzelner Strang einen 350-mA-Treiber benötigt, benötigen zwei parallel geschaltete Stränge einen 700-mA-Treiber, drei parallele Stränge eine 1,05-A-Quelle und so weiter.

Deswegen hängt die Wahl des LED-Treibers von der verfügbaren Eingangsspannung und der Gesamtzahl der LEDs ab, die betrieben werden müssen. Die Abbildungen 8, 9 und 10 zeigen einige mögliche Kombinationen für eine feste 12VDC-Versorgung mit typischen weißen 1W-LEDs.

Die meisten weißen High Power LEDs sind für eine konstante Stromstärke von 350mA ausgelegt. Das liegt daran, dass die Chemie einer Weißlicht-LED die Vorwärtsspannung auf etwa 3V festlegt und 3,0V x 0,35A ~ 1W, was eine praktische LED-Leistung darstellt.

Bei den meisten DC/DC-Konstantstrom-LED-Treibern handelt es sich um Abwärtswandler oder Step-Down-Wandler. Das bedeutet, dass die maximale Ausgangsspannung niedriger ist als die Eingangsspannung. Deswegen hängt die Anzahl der LEDs, die betrieben werden können, stark von der Eingangsspannung ab.



Wenn die Eingangsspannung nicht geregelt ist (z. B. bei einer Batterie), muss die maximale Anzahl der LEDs in Abhängigkeit von der minimal verfügbaren Eingangsspannung reduziert werden.

*Hinweis: Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass die Anzahl der ansteuerbaren LEDs von der in den LED-Datenblättern angegebenen maximalen V1 abhängt. Dies trifft in der Praxis nicht zu, denn wenn die LEDs ihre Betriebstemperatur erreichen, sinkt die V1 deutlich. Deswegen kann der im Datenblatt angegebene Vf-Wert zuverlässig verwendet werden. In einem Datenblatt könnte angegeben sein, dass Vf bei 25°C Umgebungstemperatur mindestens 3,3V, typisch 3,6V und maximal 3,9V beträgt. Bei 50°C liegen die Werte jedoch eher bei 3,0V minimal, 3,3V typisch und 3,6V maximal. Deswegen kann eine feste 24-V-Versorgung 7 LEDs und eine 36-V-Versorgung 10 LEDs zuverlässig mit Strom versorgen, auch wenn der LED-Treiber noch etwas Spannungsspielraum benötigt, um zuverlässig zu regeln.

Wenn ein Strang im offenen Stromkreis ausfällt, werden die anderen beiden Stränge mit 500mA pro Strang überlastet. Die LEDs werden dies wahrscheinlich eine Zeit lang verkraften, je nachdem, wie gut sie gekühlt sind, aber irgendwann wird der Überstrom dazu führen, dass eine weitere LED ausfällt, woraufhin der dritte Strang den gesamten Strom von 1A aufnehmen und fast sofort ausfallen wird.

Wenn eine LED einen Kurzschluss erleidet, wird der Strom in den Strängen sehr unausgewogen sein, wobei der meiste Strom durch den Strang mit der kurzgeschlossenen LED fließt. Dies führt schließlich zum Ausfall des Strangs, mit dem gleichen katastrophalen Dominoeffekt auf die übrigen Stränge wie oben beschrieben

High Power LEDs sind im Betrieb zuverlässig, so dass die oben beschriebenen Ausfälle nicht sehr häufig vorkommen dürften. Deswegen entscheiden sich viele LED-Beleuchtungsdesigner für die Bequemlichkeit und Kostenersparnis des Betriebs mehrerer Stränge mit einem einzigen Treiber und nehmen das Risiko in Kauf, dass mehrere LEDs ausfallen, wenn eine einzelne LED ausfällt.

Ein weiteres wichtiges Anliegen ist die Bilanz der Ströme, die in mehreren Strängen fließen. Wir wissen, dass zwei oder drei LED-Stränge unterschiedliche kombinierte Vorwärtsspannungen haben. Der LED-Treiber liefert einen konstanten Strom bei einer Spannung, die dem Durchschnitt der kombinierten Vorwärtsspannungen der einzelnen Stränge entspricht. Diese Spannung wird für einige Stränge zu hoch und für andere zu niedrig sein, so dass die Ströme nicht gleichmäßig verteilt werden.

Ungleichgewicht im LED-Strom, der durch mehrere Stränge fließt:

Im obigen Beispiel reicht das Ungleichgewicht nicht aus, um einen Ausfall der überlasteten Stränge zu verursachen, so dass die beiden LED-Stränge zuverlässig funktionieren. Der Unterschied in der Lichtleistung zwischen den beiden Strängen beträgt jedoch 6%.

Eine Lösung für das Problem der unsymmetrischen Stränge besteht darin, entweder einen Treiber pro Strang zu verwenden oder eine externe Schaltung zum Ausgleich der Ströme hinzuzufügen. Eine solche Schaltung ist ein Stromspiegel.

Einige Hersteller von LED-Treibern behaupten, dass die LEDs den Strom automatisch gleichmäßig aufteilen und solche externen Stromspiegelschaltungen unnötig sind. Dies ist nicht unbedingt richtig. Es besteht immer ein Ungleichgewicht, es sei denn, die kombinierten Vorwärtsspannungen der LED-Stränge sind identisch.

Wenn z. B. zwei parallele Stränge auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert sind, wird ein Strang, der mehr Strom zieht als der andere, heller und heißer laufen. Die Temperatur des Kühlkörpers wird langsam ansteigen, was dazu führt, dass der Spannungswert des zweiten Strangs sinkt und dieser ebenfalls versucht, mehr Strom zu ziehen. Theoretisch sollten sich die Ströme der beiden Stränge dann aufgrund der thermischen Rückkopplung ausgleichen. In der Praxis kann dieser Effekt gemessen werden, obwohl dies nicht ausreicht, um einen genauen Stromausgleich zu garantieren.

Wenn es sich bei den beiden Strängen um zwei separate LED-Lampen handelt, gibt es außerdem keine Rückkopplung zur thermischen Kompensation. Die Lampe mit dem niedrigsten kombinierten VF wird den meisten Strom ziehen, am heißesten laufen und der VF wird noch weiter fallen. Dies verschlimmert das Ungleichgewicht und kann zum thermischen Durchgehen und zum Ausfall der LED führen.

Heute wird die Stromspiegellösung nur noch selten verwendet. Die Kosten für präzise LED-Treiber sind so weit gesunken, dass es für hochwertige Beleuchtung besser ist, jeden Strang über einen eigenen Stromregler zu betreiben. Bei minderwertigen Beleuchtungen sind ein Stromungleichgewicht und die daraus resultierende Verkürzung der Lebensdauer aus Kostengründen akzeptabel.

In einem vorangegangenen Kapitel wurden die Folgen des Ausfalls einer einzelnen LED bei Unterbrechung oder Kurzschluss beschrieben. Je größer die Anzahl der parallel geschalteten Stränge ist, desto geringer ist die Gefahr, dass ein einzelner Fehler in einem Strang zum Ausfall der übrigen Stränge führt. Wenn also fünf Stränge parallel geschaltet sind, würden bei einem Ausfall eines LED-Strangs die verbleibenden vier Stränge nur um 125% übersteuert. Die LEDs würden zwar heller leuchten, aber es wäre unwahrscheinlich, dass sie ausfallen, solange die Wärmeableitung ausreichend ist.

Der Nachteil der Parallelschaltung vieler Stränge besteht darin, dass ein Treiber benötigt wird, der mehrere Ampere liefern kann, und dieser könnte teuer oder schwer zu finden sein. Außerdem ist bei LED-Treibern, die viele Ampere Strom liefern können, eine gewisse Vorsicht geboten; wenn die LED-Last zu gering ist, weil z. B. ein Anschluss zu einigen der Stränge eine fehlerhafte Verbindung hat, wird der hohe Strom die restlichen LEDs sofort durchbrennen lassen. Es muss sehr sorgfältig darauf geachtet werden, dass alle Verbindungen einwandfrei sind, bevor der LED-Treiber eingeschaltet wird. Viele teure LED-Leuchten wurden durch fehlerhafte Verkabelung dauerhaft beschädigt!

In der Praxis ist es sicherer, ...