LED Treiber

... für ein langes Leben der LEDs

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

• Integrierter 2 A MOSFET
• Bis zu 1,5 A Ausgangsstrom
• Weiter Eingangsspannungsbereich: 6 V bis 42 V (75 V bei der HV Version)
• Mehr als fünf weiße LEDs in Reihenschaltung möglich
• Wirkungsgrad über 95%
• Buckmode (Die Versorgungsspannung muss größer sein als die benötige Ausgangsspannung)

LM3410

• Integrierter 2,8 A MOSFET
• Eingangsspannungsbereich: 2,7 V bis 5,5 V
• Bis zu sechs LEDs in Reihenschaltung möglich (max. Ausgangsspannung: 24 V)
• Bis zu 88% Wirkungsgrad
• Boostmode (Die Versorgungsspannung muss kleiner als die benötigte Ausgangsspannung sein)

MAX16801

• Externer MOSFET
• Eingangsspannungsbereich: 10,8 V bis 265 V AC
• SEPIC, Buck, Boost, Flyback

LT3743

• Externe MOSFETs erforderlich
• Eingangsspannungsbereich: 6 V bis 36 V
• Buck Mode
• Hochstromtreiber bis rund 20 A Diodenstrom
• Optimal für Luminus SST90, SSR90, CBM Serie uvm.
• Geeignet für Hochleistungs-LEDs und Laserdioden
• Umschaltbar zw. mehreren Ausgangsleistungen
• PWM Eingang
• Im Shop verfügbar

MBI6652

• Integrierter MOSFET für bis zu 750 mA Ausgangsstrom
• Eingangsspannungsbereich: 6 V - 30 V
• Bis zu 96% Wirkungsgrad
• Sehr wenig Außenbeschaltung erforderlich
• Buckmode

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LM3406

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

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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

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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.

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

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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.

Da sehr großes Interesse an diesem Treiber besteht, hier die aktuelle Version des Schaltplans.

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.

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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.

Außer der typischen Schaltreglerbeschaltung sind keine weiteren Bauteile erforderlich.

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.