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getaktete Treiber

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An dieser Stelle sind ältere Beiträge zu getakteten LED-Treibern archiviert.

Der kurze Weg geht hier entlang:


LED-Treiber-555 (25.12.2003)

Der inzwischen ziemlich betagte Timer-555 lässt sich bestimmt nie in der Elektronikwelt ausrotten, denn man findet ihn seit einigen Jahrzehnten in wirklich allen erdenklichen Applikationen.

Damit er auch unter den LED-Treibern seinen würdigen Platz findet, habe ich mir speziell hierfür eine ganze Reihe von getakteten Schaltungen für Hochleistungs-LEDs ausgedacht, zunächst zum Kennenlernen die Einfachstversion - im Wesentlichen bestehend nur aus dem Timer-555, einer Standard-Spule, einer Schottky-Diode, drei Widerständen und zwei bipolaren Transistoren (alles Billigst-Bauteile), die aber zwei Luxeon™-LEDs schon kräftig zum Leuchten bringt!

Geht beim ersten Experimentieren das IC kaputt, hat man nicht gleich ein Vermögen in den Sand gesetzt ...

Halbe Kraft voraus

Bei dieser ersten Version treibt der NE555 die LEDs direkt. Deshalb ist unbedingt die bipolare Ausführung nötig, denn nur diese schafft einen Ausgangsspitzenstrom von bis zu 200mA, womit man einen LED-Effektivstrom von ca. 170mA erhält. Das ist zwar nur halbe Kraft für die 1W-Luxeon™-LEDs, aber schon ziemlich volle Kraft für die roten und gelben Megabright-LEDs (von ETG).

Selbstredend muss die Spule mindestens diese 300mA Spitzenstrom verkraften, ohne in Sättigung zu geraten!!

LED-Treiber mit NE555


Der LED-Treiber-555 ist ein selbstschwingender Dreiecks-Oszillator, dessen Frequenz von verschiedenen Parametern abhängt, und zwar außer der Versorgungsspannung und der Spuleninduktivität fast von allen weiteren Bauteilen der Schaltung.

Dennoch ist der LED-Strom über den genannten Versorgungsspannungsbereich trotz der sehr einfachen Schaltung relativ konstant - und darum geht es ja schließlich bei einem LED-Treiber!

Bei 12V beträgt die Taktfrequenz in der gezeigten Schaltung mit zwei LEDs ca. 25-30 kHz.

Der Kondensator C1 ist nicht (wesentlich) frequenzbestimmend, er bügelt nur einige Störspitzen weg.

Die beiden Transistoren T1/T2 stellen einen (etwas ungewöhnlichen) Differenzverstärker dar und sollen gleiche Typen und nahe beieinander montiert sein, damit sie möglichst gleiche Temperatur haben. Deshalb diese auch nicht in der Nähe von stärkeren Wärmequellen platzieren, wie z.B. dem NE555 oder den Luxeon™-LEDs. Verschiedene Temperaturen bei T1/T2 haben eine LED-Stromverschiebung in die eine oder andere Richtung zur Folge.

Leider ist der (interne) Spannungsabfall am Ausgang des NE555 bei Maximalstrom stolze 2V[1]. Deshalb liegt der Wirkungsgrad der gesamten Schaltung auch "nur" bei etwa 70-80%.

Der NE555 kommt daher in dieser Schaltung ganz schön ins Schwitzen und hat beinahe dieselbe Betriebstemperatur wie die Luxeon™-LEDs!

Falls nur eine LED betrieben werden soll, kann die Induktivität bei sonst gleicher Dimensionierung nur halb so groß sein. Der Wirkungsgrad ist mit einer LED etwas geringer als mit zwei LEDs.

Mit dem LED-Leuchten kommt der Appetit und man kann mit den nachfolgenden verbesserten Schaltungen deutlich nachlegen ...

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LED-Treiber-555 nachgebessert (29.1.2005)

Mit einem kleinen Trick lässt sich aus obiger Schaltung noch etwas mehr LED-Strom herauskitzeln oder der Wirkungsgrad bei gleichem LED-Strom noch etwas erhöhen:

    Durch Verbinden des Entlade-Pins DIS mit dem NE555-Ausgang Q kann man den Ausgangsstrom auf diese beiden Pins verteilen!

Die Schaltung schaut dann - ausgelegt für ca. 240mA LED-Strom - wie folgt aus:

LED-Treiber mit NE555 (2)


Mit dieser Methode ist der interne Spannungsabfall bei 240mA LED-Strom nun etwa derselbe (nämlich ca. 2V) wie bei 170mA der Originalschaltung.

Die Schaltung funktioniert nicht nur (wie angegeben) von (10...12)V, sondern auch bis 15V, allerdings nur beim niedrigeren Strom von ca. 170mA der ursprünglichen Schaltung. Die Verluste im NE555 wären sonst bei >12V zu groß, d.h. der NE555 würde über Gebühr heiß werden!

Verwendet man statt zwei 1W-LEDs nur eine (bei sonst gleicher Dimensionierung), lässt sich sogar ein LED-Strom von ca. 270 mA erreichen. Dann wird es bei 12V für den NE555 aber schon eine sehr hitzige Angelegenheit und eine der verschiedenen Versionen mit externem Transistor (PNP, N-Kanal-MOSFET oder P-Kanal-MOSFET) wäre in diesem Fall bestimmt die bessere Wahl.

Auf jeden Fall gilt es die verwendete Spule für den höheren LED-Spitzenstrom auszulegen (wenigstens für 350mA bei obiger Dimensionierung)!

Den gleichen Trick kann man natürlich auch bei der folgenden Version mit externem Leistungs-PNP-Transistor verwenden, um den Basisstrom zwischen DIS und Q aufzuteilen.

Der gewonnene Vorteil an dieser Stelle ist wegen dem deutlich kleineren Basisstrom (statt dem vollen LED-Strom) allerdings nicht mehr so besonders groß.

Bei der N-Kanal-MOSFET-Version erfolgt das Abschalten (speziell bei MOSFETs mit Gate-Eingangskapazitäten > 1nF) noch etwas schneller. Bei der P-Kanal-MOSFET-Version dagegen hilft dieser Trick, den MOSFET schneller einzuschalten.

Transistor-Paar

Bei dieser Gelegenheit sei erwähnt, dass es PNP-Transistor-Paare auch in einem einzigen Gehäuse gibt, was von großem Vorteil für den thermischen Gleichlauf wäre.

Beispiele hierfür sind u.a. BC857BS und BCV62B von NXP (ehemals Philips).

PWM-Dimmen ganz einfach

Im obigen Schaltplan (2) ist die Vorbereitung für eine einfache PWM-Dimm-Methode dargestellt: Trennt man R3 von GND, so lässt sich der LED-Treiber deaktivieren[2].

Legt man an diesem freigelegten Anschluss (dargestellt als R3*; R3 entfällt dann natürlich) den Open-Collector-Ausgang des PWM-Dimmers (aktiv LOW und ohne Pull-Up-Widerstand R5!), so lässt sich unser LED-Treiber-555 (in jeder Version) ganz einfach per PWM dimmen. Bei der Version mit N-Kanal-MOSFET geht es sogar noch einfacher!

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LED-Treiber-555 für höheren LED-Strom (25.12.2003)

Nun wäre es ja ein Jammer, wenn man die Luxeon™-LEDs nicht mit dem maximalen Strom betreiben würde!

Deshalb hat der LED-Treiber-555 am Ausgang noch einen PNP-Leistungstransistor verpasst bekommen, der einen deutlich höheren Strom liefern kann und außerdem nur noch etwa 1V Spannungsabfall beschert.

LED-Treiber mit NE555 + PNP


Die gezeigte Schaltung mit PNP-Leistungstransistor ist für ca. 350mA LED-Strom und zwei Luxeon™-LEDs dimensioniert. Der tatsächliche Wert kann je nach gewählten Bauteilen etwas schwanken.

Das heißt auch, dass die Spule nun für etwa 500mA Spitzenstrom ausgelegt sein muss, ohne in Sättigung zu geraten!!

Der Leistungstransistor wird dabei nur mäßig warm, der NE555 dafür überhaupt nicht mehr. Jetzt ist diese Schaltung einem linearen LED-Treiber auf jeden Fall überlegen.

Und wenn das immer noch nicht reicht, gibt es weiter verfeinerte Versionen mit N-Kanal-MOSFET und P-Kanal-MOSFET, deren erzielbare Wirkungsgrade wirklich keine Wünsche mehr offen lassen!

Simulation

Die LED-Treiber-555-Schaltungen lassen sich sehr schön mit LTspice simulieren und damit auch die richtige Dimensionierung für andere LED-Ströme finden.

Für eine Luxeon™-Star/Emitter hatte ich bereits 2003 bei Speleogroup.org folgendes Spice-Modell gefunden:

.model Luxeon1 D(Is=2.27n Rs=0.25 N=6.79 Cjo=42p Iave=350m mfg=Lumileds type=LED)

Diese Zeile musste man ursprünglich mit einem Texteditor bei LTspice (bzw. damals SwitcherCAD III) in die Dioden-Bibliothek (\lib\cmp\standard.dio) einfügen.

Inzwischen gibt es aber einige HB-LEDs in der Standard-Bibliothek.

Aufwand

Eine berechtige Frage lautet: "Wozu dieser Aufwand für einen getakteten LED-Treiber? Mit einem einfachen LED-Vorwiderstand ist der Wirkungsgrad bei 12V und 2 Luxeon™-LEDs kaum schlechter (nämlich 57%)."

Die Antwort ist einfach:

Mit einem Vorwiderstand ist der LED-Strom sehr viel stärker von der Versorgungsspannung abhängig. Außerdem wäre der Wirkungsgrad bei 14V (voller KFZ-Akku) nur noch 48%, d.h. mehr als die Hälfte der aufgebrachten Energie wird verschwendet!

Bei Spannungsschwankungen sollte man zumindest einen linearen LED-Treiber (bevorzugt mit Stromregelung) verwenden, besonders wenn die Differenz zwischen Versorgungsspannung und LED-Spannung nicht besonders groß ist.

Im Vergleich zum Vorwiderstand ändert sich natürlich am Wirkungsgrad so gut wie nichts - dafür an der Konstanz des LED-Stromes bzw. der LED-Helligkeit!

Ansprüche

Falls man etwas größere Ansprüche an die Reproduzierbarkeit und Stabilität seines LED-Treibers stellt und einen höheren Wirkungsgrad haben möchte, sollte man statt dem LED-Treiber-555 einen "more sophisticated" LED-Treiber nehmen.

Wenn es um deutlich höheren Wirkungsgrad geht, helfen entweder die Version mit N-Kanal-MOSFET oder die Plug&Play-Version mit P-Kanal-MOSFET als Leistungsschalter.

Kleine Verbesserungen (29.1.2005)

In obiger Schaltung (2) sind zwei kleine Verbesserungen gezeigt, die auch beim LED-Treiber mit PNP-Transistor verwendet werden können:

  • Durch Verbinden der beiden Ausgänge Q und DIS des Timers-555 lässt sich der Ausgangsstrom aufteilen und somit der interne Spannungsabfall verringern.
  • PWM-Dimmen erfolgt ganz einfach am GND-Anschluss von R3.

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[1] Würde man mit dem bipolaren 555-Timer nach +Ub hin schalten (bei völlig umgestellter Schaltung), wäre der Spannungsabfall noch höher.

[2] Der RESET-Anschluss des 555-Timers ist zum Deaktivieren bei diesem Vorschlag UNGEEIGNET, da dieser Q (und DIS) dauerhaft auf LOW legt, was den LEDs - je nach Versorgungsspannung - ziemlich schnell das Leben aushauchen würde!