LED Treiber

... für ein langes Leben der LEDs

LED Zeile

Es gibt immer mehr Hochleistungs-LEDs auf dem Markt. Da LEDs mit einer Konstantstromquelle versorgt werden müssen, gibt es auch immer mehr Stromregler, die genau dafür ausgelegt werden.
Es gibt zwei Möglichkeiten einen Strom zu regeln, entweder linear (den überschüssigen Strom verheizen) oder mit einem Schaltregler.
Die hier vorgestellten ICs arbeiten alle als Schaltregler.
Hier eine Liste der ICs die ich vorstellen werde:

LM3406

LM3410

MAX16801

LT3743

MBI6652


LM3406

LM3406

Der LM3406 bietet einen hohen Wirkungsgrad und lässt sich, auf Grund einer Schaltfrequenz von mehr als einem MHz mit einer kleinen Spule auf wenig Fläche aufbauen.

In meiner Beispielschaltung verwende ich eine 10 µH Spule (Würth WE-TPC X) mit 6,8 mm x 6,8 mm. Die Spule ist das größte verwendete Bauteil. Mit einem maximalen Nennstrom von 1,6 A ist sie ausreichend dimensioniert für LEDs bis über 1 A Nennstrom. (Single Emitter 3 W LEDs, oder Multi Emitter LEDs mit z.B. 12 W)

Schaltplan

Dieses Bild zeigt meinen Beispielschaltplan. Nach dieser Schaltung habe ich einen funktionierenden Prototypen aufgebaut.

Bauteilauswahl:

C1 = 10 µF
C2 = 10 µF
C3 = 100 nF
C4 = 100 nF
C5 = 22 nF
R1 = 120 kOhm
R2 = 300 mOhm
L1 = 10 µH

Als erstes sollte man sich auf eine Schaltfrequenz festlegen. Dabei gilt, je größer die Frequenz umso kleiner die Spule, aber auch größere Schaltverluste im IC. Ich empfehle im Bereich unter 500 kHz zu bleiben, es sei denn es ist erforderlich eine kleine Spule zu verwenden. Die Frequenz wird mit R1 festgelegt.

R1 = 1 / (f * 10 ^ -11)

Anschließend kann man die "On Time" bestimmen. Sie ist erforderlich, um die Induktivität der Spule zu errechnen.

t_on = 10 ^ -11 * R1 * (V_out/V_in)
L = ((V_in - V_out) * t_on) / (I_out * 0,4)

Der Ausgangsstrom wird mit R2 festgelegt:

R2 = 0,2 / I_out

Beispielrechnung für drei LEDs mit 350 mA Flußstrom und 3,5 V Flußspannung und einer Spanungsquelle von 20 V:

V_in = 20 V
V_out = 3,5 * 3 = 10,5 V
I_out = 0,35 A
f = 500 kHz

R1 = 1 / (500000 * 10 ^ -11) = 200 kOhm
t_on = 10 ^ -11 * 200000 * (10,5/20) = 0,00000105
L = ((20 - 10,5) * 0,00000105) / (0,35 * 0,4) = 7,125 µH
Eagledateien inklusive Platinenlayout sind vorhanden.
Datenblatt LM3406

LM3410

Foto

Der LM3410 ist in zwei Versionen erhältlich, einmal mit 1,6 MHz Schaltfrequenz und einmal mit 525 KHz. Der Vorteil der 1,6 MHz Variante ist, dass ein kompakterer Aufbau mit kleinerer Spule möglich ist, aber dafür muss man mit einem etwas niedrigerem Wirkungsgrad rechnen.

Dank der kleinen Abmessung des ICs und nur wenigen benötigten Bauteilen lässt sich ein sehr kompakter LED Treiber aufbauen. Die hier verwendete Diode ist bei weitem überdimensioniert.

Diese Schaltung lässt sich für eine bis sechs LEDs verwenden, allerdings darf der maximale Schaltstrom nicht überschritten werden. Beispielsweise lässt sich damit eine LED Beleuchtung mit zwei bis sechs LEDs mit einem Lithium Ionen Akku betreiben.

Schaltplan LED Treiber LM3410

Der Schaltplan zeigt meinen Musteraufbau. Der Widerstand R2 ist bei mir testweise durch eine Lötbrücke ersetzt. Trotzdem funktioniert es mit einem 100 kOhm Widerstand wie gewünscht.

Bei dieser Schaltung ist es am wichtigsten den Shunt Widerstand R1 zu berechnen.

R2 = 0,19 / I_LED

In dem Beispiel fließen 0,38 A durch die LEDs. Etwas mehr als für 1 W LEDs erlaubt. Theoretisch kann man damit eine oder auch sechs weiße LEDs in Reihe betreiben. Praktisch darf aber der maximale Schaltstrom nicht überschritten werden und die Eingangsspannung muss immer unter der Ausgangsspannung liegen.

Eagledateien inklusive Platinenlayout sind vorhanden.
Datenblatt LM3410

MAX16801

MAX16801 und MAX16802 eignen sich für LED Beleuchtungen mit 50 W oder mehr. Das IC kann direkt mit bis zu 24 V betrieben werden. Mit wenigen Tricks lässt es sich auch an Netzspannung verwenden. Dimmen ist Analog oder über PWM möglich. Durch einen externen MOSFET lassen sich problemlos LED Treiber für große Leistungen mit verschiedenen Schaltwandler Technologien realisieren. Die Schaltfrequenz ist fest vorgegeben und liegt bei 262 kHz. Die interne Feedback Spannung für die Stromregelung liebt bei fast 300 mV.

MAX16801 Schaltplan

Dieses Bild zeigt einen Beispielschaltplan für den MAX16801 bzw. MAX16802. Die Unterschiede zwischen MAX16081 und 2 sind minimal. MAX16801 hat einen internen Bootstrap UVLO und die Startup Voltage liegt bei 22 V. MAX16802 hat keine Bootstrap UVLO und die Startup Voltage liegt bei 10,8 V. Die Unterschiede zw. der A und B Varianten bei beiden Typen ist der maximale Duty Cycle. A Typ bis 50 %, B bis 75 %.

Mit der hier gezeigten Schaltung lässt sich der Treiber weder über PWM noch Analog Dimmen. Die LED wird immer mit dem maximalen Strom betrieben. Der Strom lässt sich über R1 einstellen:

R1 = 0,29 / I_max

Für weitere Berechnungen ist es notwendig den Duty Cycle zu wissen. Dieser berechnet sich aus der Eingangsspannung, der LED Flussspannung und der Flussspannung der Diode:

D = (V_LED + V_Diode) / (V_in + V_LED + V_Diode)

Um eine Spule mit ausreichender Stromfestigkeit auswählen zu können, sollte man die Maximalströme berechnen:

I_max = (2,2 * I_LED) / (1 - D)

Nun kann man die Induktivität berechnen:

L = (D * V_in) / (f_sw * I_max)

Beispielrechnung für 1 Watt LED: 0,35 A; 3,5 V; V_in = 12 V

D = 4 / 16 = 25%
I_max = 1 A
L = 3 / (262 000 * 0,35) = 33µH
R1 = 0,29 / 1 = 0,29 Ohm
Eagledateien inklusive Platinenlayout sind vorhanden.
Datenblatt MAX16801/MAX16802

LT3743

Bei dem LT3743 handelt es sich um einen Hochleistungs-LED Treiber von Linear Technology. Dieses IC eignet sich für Stromversorgungen bis rund 20 A und ist somit geeignet für Hochleistungs-Diodenlaser und LEDs. Bei Schaltwandlern dieser Leistungsklasse verwendet man ein minimal anderes Prinzip als bei klassischen Step Down Wandler. Die Diode, über die die Spule entladen wird, wird hier durch einen MOSFET ersetzt. Die Verlustleistung der Diode wäre deutlich höher, als die des MOSFETs. So ist ein höherer Wirkungsgrad möglich, allerdings bei höherem Schaltungsaufwand.

LT3743 Foto

Das Foto zeigt unseren Prototyp. Wie man sieht ist der Schaltungsaufwand höher als bei den bisher hier gezeigten Treibern. Auf der Rückseite der Platine befinden sich weitere Bauteile.

Zu sehen sind die drei benötigten MOSFETs. Zwei MOSFETs für den Step-Down Wandler und ein weiterer, um die LEDs mittels PWM zu dimmen. Wird PWM nicht benötigt, kann dieser natürlich weggelassen werden.

Übrigens handelt es sich bei dieser Platine um di erste, die wir mit Lötstopp gefertigt haben. Teilweise erkennt man Fehler im Lötstopp oder Flußmittelreste.

Da sehr großes Interesse an diesem Treiber besteht, hier die aktuelle Version des Schaltplans.
LT3743 High Power LED Driver for Luminus SST-90
Ein paar Worte dazu:
Wichtig ist beim Layout darauf zu achten, dass die Pfade zw. MOSFETs, Spule und Kondensatoren möglichst kurz sind. Bei meiner Schaltung arbeitet der LT3743 immer mit einem festen Ausgangsstrom und kann zusätzlich per PWM gedimmt werden. Wer diese Schaltung nachbauen möchte und das Layout haben möchte, oder sonstige Fragen zu diesem Treiber hat kann mich natürlich kontaktieren.

Dieser LED Treiber ist im Shop verfügbar.


MBI6652

Auf der Light+Building 2010 in Frankfurt wurden wir durch die Firma Neumüller auf einen neuen LED Treiber von Macroblock aufmerksam. Dabei handelt es sich um einen extrem einfachen LED Treiber mit bis zu 750 mA Ausgangstrom und sehr hoher Effizienz. Also ideal für 3 W LEDs. Als Beispiel wird die SSC P4 aufgeführt. Der LED Treiber klingt aus unserer Sicht sehr interessant für diese Liste, also haben wir ihn aufgebaut und getestet.

Im Schaltplan erkennt man sehr gut, dass nur wenige Bauteile benötigt werden. Außer dem IC sind lediglich zwei Kondensatoren, eine Diode, sowie Spule und Shunt erforderlich. Bisher handelt es sich um den einfachsten Buckwandler, den wir getestet haben. Außerdem fällt auf, dass dieser Schaltrgeler einen Low-Side Switch und eine High-Side Strommessung besitzt, was man bisher eher selten antrift, obwohl keinerlei Nachteile dadurch entstehen.

Schaltplan MBI6652

Außer der typischen Schaltreglerbeschaltung sind keine weiteren Bauteile erforderlich.

Platine MBI6652

Unsere Demoplatine für den MBI6652 misst grade mal 20 mm * 22 mm und ließe sich noch kleiner aufbauen. Einerseits ist das IC selbst auch in kleinerem Gehäuse erhältlich, aber auch Spule, Diode und Shunt kann man je nach Ausgangsstrom deutlich kleiner dimensionieren.

Sowohl mit 350 mA als auch mit 750 mA hat das IC, wie versprochen einen sehr hohen Wirkungsgrad. Somit erwärmt sich das IC nur minimal, auch bei hoher Ausgangsleistung. Optimal für kompakte Anwendungen wie zum Beispiel Taschenlampen.

Mein Fazit: Super IC, einfach in der Handhabung, kompakter Aufbau und hoher Wirkungsgrad. Bisher allerdings nur über Neumüller in Deutschland verfügbar.


Kommentare zu dieser Seite: 10

Eintrag 1 vom 18.09.12 - 20:02
Von: GSG-Elektronik.de

Hallo,
das IC kann in einem Bereich bis 36V versorgt werden. Die Schaltung im Shop ist allerdings nur bis 20V ausgelegt. Die Ausgangsleistung wird in erster Linie über den Strom eingestellt, allerdings gibt es auch eine Überspannungsabschaltung. Wie schnell man damit pulsen kann wei&sz; ich nicht, aber ich werde es mal testen.


Eintrag 2 vom 18.09.12 - 20:01
Von: lodapower

hallo steffen, super sache aber ich hätt da eine frage bez.schaltung mit LT 3743: ist der eingangsspannungbereich nun 6 bis 36 V oder wie im shop beschrieben 20V ?? Und wie stellt man die ausgangsleistung ein -kurz, kann man mit dieser platine eine high power led mit 100w /3-3,5A ohne bedenken betreiben,eventuell auch als stroboskop ´schnell´schalten? LG


Eintrag 3 vom 20.02.11 - 12:22
Von: Torsten Behrendt

Hallo Steffen Habe Deine Schaltung mit dem LM3410 gesehen. Ich nutze den IC auch und habe ein Problem mit der Stromeinstellung. Bei Stromfluß kommt mein FB Pin nur auf 20mV anstatt auf 190mV Hast Du diesen Effekt auch mal gehabt ? Der Strom durch die 6 LEDs ist demnach ja auch nur 100mA und nicht wie gewünscht 1A. Hoffe Du kannst helfen. Grüße Torsten


Eintrag 4 vom 24.01.10 - 15:58
Von: Steffen

Hallo Fabian, danke für dein Lob.

Dein Vorhaben klingt nach einer SSC P7 mit einem 4 Zellen Lithium Akku. Prinzipiell sollte das machbar sein, aber ich glaube die Diode wird sehr groß ausfallen. Die Gate Kapazität deines MOSFETs ist auch etwas sehr hoch (was hast du da als FET?).
Dein Fall:

D = (3,5 V + 0,5 V) / (14,4 V + 3,5 V + 0,5 V) = 4 V / 18,4 V = 0,22 = 22%
I_max = (2,2 * 2,8 A) / (1 - 0,22) = 7,9 A
L = (0,22 * 14,4 V) / (262000 Hz * 7,9 A) = 1,5 µH 

Du musst erst den Spulenstrom berechnen, da der von dem Strom, der durch die LED fließt abweicht. Eine Spule mit den Werten ist realistisch.

Ich glaube es ist keine so gute Idee mit diesem Wandler solche LEDs zu versorgen. (Ich habe es mit einigen P7 getestet, aber du brauchst eine recht gute/große Diode und einen FET mit niedriger Gate Kapazität) Ich rate dir zum LT3743, zu dem ich später noch mehr veröffentlichen werde.

Gerne kannst du uns direkt Kontaktieren, wir helfen dir gerne weiter!

Grüße, Steffen


Eintrag 5 vom 24.01.10 - 15:34
Von: Fabian Kluge

Hi,
sehr schöne webseite!
will den max18602 treiber fürne fätte led nachbaunen:
L = (D * V_in) / (f_sw * I_max)
steht oben allerdings wird unten mit 0,35A gerechnet? was jetzt genau?
Also ich will mir jetzt mit dem fiech nen treiber an 14,4 Volt für eine led mit 2,8A bauen. Is das noch machbar mit dem ic? R1 = 0,1ohm D = 0,23% ?? L = (0,23*14,4)/(262000*2,8) =4,5!!!!! 4,5µH??? Klingt mir nicht sehr einleuchtend! Läuft das überhaupt? Schafft der ic mosfets mit 2nF gate? ich hab nix kleineres da!
MFG und DAnke


Eintrag 6 vom 21.10.09 - 20:16
Von: csde_rats
Webseite: 28398.org

Hi! Klingt sehr sehr interessant, die Sache mit der Netzspannung. :)


Eintrag 7 vom 07.10.09 - 01:12
Von: Klaus

hallo Steffen, ich würde ehr sagen das wir uns für deine Erklärungen bedanken müssen. Bin ja mal gespannt was beim Betrieb an 230VAC rauskommt. LG Klaus


Eintrag 8 vom 06.10.09 - 22:54
Von: Steffen

Hallo, danke für euer Interesse. Selbstverständlich werde ich noch ein Beispiel zum Betrieb an Netzspannung vorstellen und vorrechnen. Allerdings möchte ich dafür erstmal meinen Prototyp zum Betrieb an Netzspannung fertigstellen. Im Datenblatt von Maxim findet man auch Informationen dazu.

Grüße,
Steffen


Eintrag 9 vom 06.10.09 - 22:02
Von: Klaus

hallo, wirklich aufschlussreiche erklärung, danke für deine Mühe. Kannst du bitte mal ein beispiel für den MAX16801 mit wenigen Tricks an Netzspannung aufzeigen, weil das würde mich und bestimmt auch andere interessieren, besten dank. LG Klaus


Eintrag 10 vom 05.10.09 - 16:11
Von: Alex
Webseite: http://www.corvintaurus.de

Hey, schöner Vergleich. Aber ist schon großartig, wie gut der Wirkungsgrad geworden ist, bei Schaltreglern. Wenn ich da an konventionelle PC-Netzteile denke.. *oh mann*... Aber 95% sind schon schnuggelig. Ich hab an meinem Bike eine 1W Luxeon, ... da ist auch nur ein 5V SNT am Bleiakku und mit Wiederständen begrenze ich den Strom. Da könnte ich mir gut einen dieser Kandidaten vorstellen. Danke für die Anregung. Gruß und weiter so!! .. Alex


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