Lowdrop-LED-Treiber

© Eberhard Haug 2003-2017

Optimale Darstellung dieser Website
bei aktiviertem
"Active Scripting" (LED-Menü-Buttons).

Bildschirm-Auflösung 800x600 wird unterstützt

Besucher seit 6.1.2004:
 

WEBCounter by GOWEB

Der kurze Weg geht hier entlang:

Falls 1V Spannungsabfall noch tolerierbar ist:

Folgende Beiträge sind nun im Archiv:


LDO heißt Low-Drop-Out oder manchmal auch nur Low-Drop.

Im Falle des LED-Treibers bedeutet das, dass die Differenz (der Spannungsabfall, die Treiber-Arbeitsspannung) zwischen Spannungsquelle (Batterie) und Verbraucher (LED) ggf. auch sehr gering sein darf bzw. dass die LED bei voller und leerer Batterie in einem gewissen Maß trotzdem einigermaßen gleichmäßig hell leuchtet, auch wenn die LED-Flussspannung knapp unter der Spannung der (leeren) Batterie ist.

Normalerweise wird unter einem LDO-Regler immer ein linearer Regler verstanden - so auch hier.

Bei einem "normalen" Linearspannungsregler liegt der erwähnte Mindestspannungsabfall in der Größenordnung >2V (Beispiel LM317T). Beim LDO-Spannungsregler sind es auf jeden Fall <1V, typ. sind 0,2V. Bei einem Stromregler (wie er zum Treiben einer LED nötig ist) kommt dann meist noch ein weiterer Spannungsbetrag dazu.

Bei der nun folgenden Schaltung sind es insgesamt <0,5V, d.h. eine weiße oder blaue LED lässt sich damit schon ab ca. 4V Versorgungsspannung betreiben, nach oben (fast) keine Grenzen.


Diskret aufgebauter LDO-Treiber mit Opto-Koppler
(17.12.2003)

Als Anfang einer Serie zunächst die Schaltung eines ziemlich einfachen (aber pfiffigen) diskret aufgebauten LDO-LED-Treibers.

LDO-LED-Treiber mit Opto-Koppler


Die Schaltung besteht grundsätzlich aus der allgemein bekannten Gegeneinanderschaltung von zwei Stromquellen LED+R1+T1 und OK1+R2. Das Besondere dabei ist die Verwendung eines Optokopplers OK1 als zweite Stromquelle (ist eigentlich ein modifizierter Stromspiegel).

Meist ist in dieser Konfiguration noch ein Widerstand zwischen den beiden Kollektoren vorhanden. Das Weglassen desselben bringt in diesem Vorschlag ausschließlich Vorteile!

Überspannungsabschaltung

Mit R3 wird bekanntermaßen dem Stromanstieg bei höheren Versorgungsspannungen entgegengewirkt. Weniger bekannt ist, dass man mit R3 auch eine Überspannungsabschaltung realisieren kann, indem man diesen ausreichend klein macht (typ. 10k)  und den erwähnten Widerstand zwischen den beiden Kollektoren weglässt.

Wird eine bestimmte Versorgungsspannung überschritten, schaltet der Treiber die LED einfach ab!

Zum Wiedereinschalten muss die Versorgungsspannung ein ganzes Stück zurückgenommen oder ganz abgeschaltet werden.

An dieser Stelle (mit R3) kann man also noch einiges selbst experimentieren, denn eine Berechnung dieser Schaltung ist aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Stromquellen nicht mehr ganz so einfach.

Auch eine Möglichkeit des Herantastens und Verstehens wäre die Simulation dieser an sich sehr simplen Schaltung mittels LTspice oder einem anderen Simulator.

Die in der Schaltung angegebene Dimensionierung gilt unter Verwendung einer weißen bzw. blauen LED mit einer Flussspannung von ca. 3,3V @20mA.

Verlustleistung

Da wir es bei unserem diskreten LDO-LED-Treiber mit einem linearen Regler zu tun haben, müssen wir bei höheren Eingangsspannungen auf jeden Fall die Verlustleistung berücksichtigen - hier besonders im Optokoppler.

Das heißt: ab einer bestimmten Versorgungsspannung ist je nach LED-Strom endgültig Schluss. Und da kommt die erwähnte Überspannungsabschaltung wie gerufen!

Andererseits ist der Sinn eines Lowdrop-LED-Reglers ja eine möglichst niedrige Versorgungsspannung (s.o.).

Mit etwas anderer Dimensionierung[1] kann man mit dieser Schaltung ohne weiteres auch eine 1W-LED z.B. mit 50 mA treiben (ist auch noch ganz schön hell!).

Genau so gut kann man damit auch SuperFlux™-LEDs mit 50mA treiben. In beiden Fällen ist aber bei etwa 9V Versorgungsspannung das Maximum der Gefühle erreicht, denn der Optokoppler beginnt dann deutlich warm zu werden ...

Der optimale Einsatz des vorgeschlagenen LDO-LED-Treibers liegt bei 4 bis 5 Batterie/Akku-Zellen und einem LED-Strom bis 50mA.

Steuereingang

Ein weiteres praktisches Feature dieser Schaltung ist der im Schaltplan eingezeichnete Steuereingang: durch Kurzschließen der Optokoppler-Diode z.B. mittels Transistor T2 oder statt dessen mit einem Open-Drain- bzw. Open-Collector-Ausgang eines ICs kann man die LED abschalten (Anschluss ON mit Masse verbinden). Der nötige Steuerstrom an dieser Stelle ist äußerst gering (µA).

(13.3.2004)

Am selben Anschluss ON könnte man auch mittels PWM-Dimmer-Schaltung eingreifen, indem man den Open-Collector-Ausgang PWM (dort Pin 8 und 9 für korrekte Funktion vertauschen) direkt anschließt und den Pullup-Widerstand (dort R5) des PWM-Dimmers weglässt.

(26.12.2007)

Nach demselben Prinzip des LDO-Treibers mit Opto-Koppler arbeiten auch die Mini-LED-Treiber für kleine LED-Ströme, die aber genau genommen nicht zu den LDO-Treibern gehören, auch wenn die Mindestversorgungsspannung sogar kleiner ist als die Summe der LED-Flussspannungen (denn es werden zwei LED-Stränge getrennt parallel versorgt).

nach oben


LDO-Treiber mit High-Side-Power-Switch (8.2.2009)

Der nachfolgende LDO-LED-Treiber ist grundsätzlich geeignet für Versorgungsspannungen bis 5,5V, ist aber in erster Linie für Lithium-Ionen-Akkus mit 3,7V Nennspannung gedacht, deren Spannung einigermaßen gut zu LEDs passt, aber wegen dem geringen Spannungsspielraum zwingend einen Low-Drop-LED-Treiber voraussetzt.

Aber auch bei Betrieb mit drei Akku/Batterie-Zellen (nominal bis zu 4,5V) sind bei ausreichend Wärmeabfuhr keine Probleme zu erwarten. Dennoch - wie bei jedem linearen LED-Treiber - immer die maximal auftretende Verlustleistung beachten!

Wichtige Voraussetzung (17.2.2009)

Falls eine Versorgung durch Akkus oder Batterien vorgesehen ist, unbedingt vorher überprüfen, ob die Spannungen von Akku bzw. Batterie und zu treibender LED auch wirklich zusammenpassen.

Hierfür zunächst die LED-Flussspannung bei Nennstrom messen.

Wenn die Akku/Batterie-Nennspannung bei Nennlaststrom (nicht die Leerlaufspannung in geladenem bzw. neuem Zustand) nicht wenigstens um 0,2V größer ist als die gemessene LED-Flussspannung, ist dieser LDO-Treiber für die ausgesuchte LED nicht geeignet.

Strom begrenzt

Diese durchaus interessante Variante eines LDO-LED-Treibers basiert auf einem High-Side-Power-Switch[5] MIC2042 von Micrel, der eine einstellbare Strombegrenzung besitzt.

Da diese aber eigentlich nur zum Schutz der Spannungsquelle und des Bausteins selbst gedacht ist, ist die exemplarabhängige Einstelltoleranz (nicht die Regelgenauigkeit!) des per Widerstand einstellbaren LED-Stroms nicht ganz so gut, wie man es sich gerne wünschen würde.

D.h., dass man - je nach den gestellten Anforderungen - aufgrund der geringeren Reproduziergenauigkeit den LED-Strom ggf. durch Anpassung des strombestimmenden Widerstandes nachjustieren muss (siehe Abschnitt "Feintuning").

Aber dann ist dieser LED-Treiber ausgesprochen einfach und robust, da er neben einer integrierten Temperaturüberwachung (schaltet ggf. den LED-Strom vorübergehend automatisch ab) optional noch ein paar weitere praktische Eigenschaften hat.

LDO-LED-Treiber mit MIC2042


Indirekte Stromfühlung

Bei LED-Treibern liegt der strombestimmende Widerstand (der "Stromfühlerwiderstand") meist im Hauptstrompfad, wird also vom LED-Strom direkt durchflossen.

Durch die Stromfühlerspannung (= Spannung, die am Stromfühlerwiderstand abfällt) wird der minimale Spannungsspielraum erhöht, der schließlich einen guten LDO-Treiber ausmacht.

Es gibt neben der direkten Stromfühlermethode aber auch indirekte Methoden der Laststrommessung ohne Stromfühlerverluste. Leider beträgt die Einstelltoleranz prinzipbedingt bei diesen Bausteinen meist typisch 10% bis 20%[6] (in seltenen Fällen darunter) gegenüber 1% bis 2% bei guten direkten Methoden.

Dafür wird bei der indirekten Methode aber kein Spannungsabfall erzeugt, um den der Akku bzw. die Batterie deshalb tiefer entladen werden kann (beim Akku natürlich nur bis zur zulässigen Entladeschlussspannung) und damit länger Energie zum Treiben der LED liefert.

Eine solche Methode wird auch beim MIC2042 angewandt.

Power pur

Der MIC2042 wurde wegen folgenden Eigenschaften aus einer größeren Familie von High-Side-Power-Switches ausgewählt:

  • für HB-LEDs passender Strombereich von 500mA bis >1A
  • einstellbare Strombegrenzung
  • geringer Spannungsabfall (Dropout-Spannung)
  • integrierte Temperaturüberwachung
  • kleines Gehäuse

Im Schaltplan ist die Dimensionierung von R1 für LED-Ströme von 480mA bis 1A angegeben.

Andere Werte (sowohl drunter als auch drüber) sind auch möglich, wobei bei größeren Strömen und vollem Akku die Verluste des LED-Treibers möglicherweise nicht mehr so gut abgeführt werden können.

Als Folge würde bei größeren LED-Strömen die Übertemperatur-Sicherung (s.u.) ansprechen und aus dem LED-Konstantstrom-Treiber ein undefinierter LED-Blinker werden ...

Wird der MIC2042 zur Stromversorgung einer USB-Schnittstelle im Schaltbetrieb verwendet, beträgt der Spannungsabfall bei 1A Laststrom über den Baustein immer <80mV.

Im Strombegrenzungsbetrieb, wie er Voraussetzung für den LED-Treiber ist, benötigt er zur soliden Regelung des LED-Stromes dagegen wenigstens 200mV. Ist dieser Mindestspannungsspielraum aufgrund eines entladenen Akkus nicht mehr erfüllt, nimmt der LED-Strom stetig ab.

So gesehen ist dieser Schaltungsvorschlag (wie jeder LED-Treiber) auch ein Strombegrenzer, nämlich auf den laut Formel bzw. Tabelle eingestellten LED-Strom.

Feintuning des LED-Stroms (Nachtrag 9.2.2009)

Um den gewünschten LED-Strom I_led ggf. etwas genauer einstellen zu können (falls der tatsächliche Wert wegen der exemplarabhängigen Einstelltoleranz des MIC2042 zu sehr von der Angabe im Schaltplan abweicht), muss man bei R1 nicht unbedingt ein Potenziometer vorsehen, sondern:

  • man wählt für R1 den nächst höheren Wert der E12-Normreihe
  • misst den tatsächlichen LED-Strom I_ledm in der Zuleitung des LED-Treibers mit R1 und bei vollem Akku[7]
  • und schaltet zu R1 einen weiteren Widerstand R1’ parallel.

Dieser Parallelwiderstand R1’ berechnet sich zu:

R1’ = R1 / [(I_led/I_ledm) - 1]

Den berechneten Wert muss man nicht akademisch genau nehmen, denn meist kommt man mit dem am nächsten gelegenen Widerstandswert der E12-Normreihe ganz gut hin.

Die in der angegebenen Formel nötige Bedingung I_led > I_ledm ist automatisch erfüllt, wenn man R1 groß genug gewählt hat.

Nachgelegt: Noch mehr LED-Strom (29.9.2010)

Für LED-Ströme >1A (mit Li-Ionen-Akkus; bei nicht mehr als 1A und ausreichend Kühlung auch noch mit 3 Akkus/Batterien à 1,5V, keinesfalls mit konstanten 5V versorgt) kann man zum größeren Bruder MIC2044 greifen, den es aber nur im TSSOP-16-Gehäuse gibt.

Die Dimensionierung von R1 ist hier eine andere:

R1/Ohm

I_led/A

220

1,0

180

1,3

150

1,5

(120)

(1,9)

(100)

(2,3)


Für den Rest einschließlich Feintuning gilt dasselbe wie beim MIC2042.

Aufgrund der durch den größeren LED-Strom bedingten größeren Verluste (Berechnung gilt für beide Bausteine) von:

P_mic204x = (U_bat - U_led) * I_led

muss man unbedingt für ausreichend Kühlung des MIC2044 sorgen und auch diesen wichtigen Hinweis beachten!

Pro Watt Verlustleistung erhöht sich die Chip-Temperatur um ca. 85°C gegenüber der Umgebungstemperatur!!

Falls die im MIC2044 erzeugte Wärme nicht ausreichend abgeführt werden kann, bekommt dieser einen Schluckauf, denn er schaltet den LED-Strom bei Erreichen von 140°C Chip-Temperatur ab und nach "Abkühlung" auf 120°C wieder an.

Akku-Standzeit verlängert

Aufgrund der Strombegrenzung kann im Unterschied zu einem schlichten LED-Vorwiderstand der LED-Strom bei vollem Akku geringer sein und erlaubt deshalb gemäß der verfügbaren Kapazität (mAh) des Akkus eine längere Stromentnahme bei konstantem LED-Nennstrom und schließlich eine längere Akku-Standzeit bis zur Entladung auf die Entladeschlussspannung (dann ggf. mit stetig abnehmendem LED-Strom).

Extras

Neben der bereits erwähnten chipinternen Temperaturüberwachung, die den LED-Strom bei Überhitzung vorübergehend abschaltet, gibt es beim MIC2042 einen Status-Ausgang (/FAULT), der sowohl den Übertemperatur-Status als auch den Konstantstrom-Betrieb anzeigt (jedoch sind diese beiden Zustände nicht direkt unterscheidbar).

Bei der im Schaltplan angegebenen 8-Pin-Ausführung MIC2042-1YM steht neben diesem Status-Pin nur noch ein Enable-Pin zur Verfügung, mit dem man die LED durch ein digitales Steuersignal mit einem High-Pegel aktivieren oder per PWM dimmen kann.

Für die umgekehrte Funktion (also mit Low-Pegel aktiv) gibt es die sonst gleiche Ausführung MIC2042-2YM. Dann sollte aber statt R3 ein Pull-Down-Widerstand vorgesehen oder das EN-Pin bzw. das /EN-Pin fest mit VIN bzw. GND verbunden werden, falls diese Funktion nicht benötigt wird.

Akku-Tiefentladung verhindert

Eine weitere vorteilhafte Funktion des MIC2042 ist die integrierte Überwachung der Versorgungsspannung (also der Akku-Spannung) und der automatischen Abschaltung der Last (= LED) bei Unterspannung, sprich entladenem Akku, was schließlich eine Tiefentladung des Akkus verhindert.

Die Akku-Überwachung wird gemäß Entladeschlussspannung des verwendeten Akkus mittels zweier Widerstände festgelegt und ist nur bei den beiden TSSOP-14-Ausführungen MIC2042-1YTS bzw. MIC2042-2YTS verfügbar.

Diese beiden im Schaltplan nicht dargestellten Ausführungen (mit anderem Pinout) sind zwar kaum größer als die beiden "kleinen" Ausführungen im SOP-8-Gehäuse, dürften allerdings aufgrund des kleineren Pin-Rasters (ca. 0,65 mm!) löttechnisch schon die Verarbeitungsgrenzen eines Hobby-Elektronikers erreicht haben.

Das Datenblatt des MIC2042 gibt es im Download-Bereich.

Wichtiger Hinweis (29.9.2010):

Bei allen USB-Power-Switches (und MOSFET-Treibern) von Micrel müssen immer alle Pins mit gleichem Pin-Namen angeschlossen = extern verbunden werden, sonst kann es u.U. zu Fehlfunktionen führen.

nach oben


LDO-LED-Treiber mit MIC4802 (1.1.2013)

Micrel bietet inzwischen eine ganze Reihe linearer LED-Treiber für kleine Versorgungsspannungen (3V bis 5,5V) und mit geringer Dropout-Spannung in kleinen Gehäusen an - also perfekt für "mobile" Anwendungen, die mit Lithium-Ionen-Akkus oder drei regulären 1,5V-Batterien in Serie versorgt werden.

Das Prinzip ist haarscharf dasselbe, wie mit den oben beschriebenen High-Side-Power-Switches. Lediglich die LEDs sind nun mittels Anode an der positiven Versorgungsspannung angeschlossen (so dass man ggf. auch RGB-LEDs mit gemeinsamer Anode damit ansteuern könnte).

Auch hier wird der LED-Strom indirekt per relativ hochohmigem Einstellwiderstand vorgegeben, der nicht im LED-Strompfad liegt und damit auch keinen zusätzlichen Spannungsabfall erzeugt.

Sehr genau

Im Unterschied zu den High-Side-Power-Switches ist die Genauigkeit bei diesen linearen LED-Treibern aber sehr groß, nämlich typisch ±1%, so dass das Feintuning entfällt.

Falls man mittels Standardwiderstandswerten den LED-Strom etwas flexibler einstellen möchte, sollte man statt R1 dennoch zwei Parallelwiderstände nehmen und entsprechend dimensionieren. Mittels 22kΩ // 39kΩ würden sich z.B. 357mA ergeben, also perfekt für eine 1W-LED.

Eine ausgesprochen einfache Schaltung mit dem MIC4802 für eine einzelne LED mit bis zu 800mA LED-Strom schaut wie folgt aus:

LDO-LED-Treiber_MIC4802


Falls kein Enable benötigt wird bzw. nicht per PWM gedimmt werden soll, kann EN direkt mit VIN verbunden werden. Ein Pull-Up-Widerstand ist natürlich auch OK. Aber keinesfalls darf dieser CMOS-Eingang offen gelassen werden.

Der MIC4802 kann dank integriertem Kühlkörper mühelos 800mA treiben. Allerdings gilt es die Temperaturerhöhung aufgrund der elektrischen Verluste (Formel siehe Schaltplan) zu berücksichtigen (insbesondere bei maximaler Versorgungsspannung und einer LED mit geringer Flussspannung, wie es z.B. bei roten LEDs der Fall wäre). Ansonsten schaltet der MIC4802 den LED-Strom einfach vorübergehend ab.

Mit einem 15kΩ-Widerstand für R1 wären es laut obiger Tabelle 334mA LED-Strom. So dimensioniert habe ich einen LED-Treiber für meine alte LED-Stirnleuchte aufgebaut, der zusammen mit einem N-Kanal-MOSFET zum Verpolungsschutz mit wenig Spannungsabfall (statt der ursprünglich verwendeten 1N5819 in der GND-Leitung) gut neben die LED ins Gehäuse passt.

Bei Gelegenheit werde ich die MIC4802-Schaltung mit einer LED nebst LED-Vorwiderstand an einem Lithium-Ionen-Akku und drei AAA-Zellen mit der Originalversion vergleichen.

nach oben


Versorgungsspannungsgesteuerter linearer LED-Treiber mit MIC2843A (12.10.2014)

Widerspruch

Die nachfolgend vorgestellte Schaltung scheint zunächst widersprüchlich, denn das Ziel eines guten LED-Treibers ist ja bekanntermaßen, dass der LED-Strom möglichst konstant und unabhängig von der Versorgungsspannung ist.

Bei dieser Schaltung war die Anforderung (eines Lesers meiner Website) eine andere, nämlich dass der LED-Strom sehr genau von der Versorgungsspannung abhängig ist, und zwar sollte der Nennstrom 80mA sein bei einer Nennspannung von 3,5V.
Bei 3,2V sollten es ca. 70mA sein und bei 3,8V ca. 90mA.

Wozu das Ganze?

Mit dem versorgungsspannungsgesteuerten LED-Treiber soll eine HB-LED betrieben werden, die ein Halogenbirnchen ersetzt, dessen Helligkeit ursprünglich mit der Versorgungsspannung eingestellt wurde.

Mit der vorliegenden Schaltung lässt sich genau diese Abhängigkeit erreichen, d.h. Strom bzw. Helligkeit der LED werden über die Versorgungsspannung eingestellt, so dass man das Halogenbirnchen in seiner gesamten Funktion per LED ersetzen kann.

Nach näherer Untersuchung unterschiedlicher Ansätze entwarf ich die vorliegende Schaltung, die aufgrund der SMD-Gehäuse[9] der verwendeten Bausteine so klein ist, dass sie sogar in den Sockel eines Halogenbirnchens passt, so dass sich damit das Halogenbirnchen sowohl elektrisch als auch mechanisch ersetzen lässt.

Und - wie nicht anders zu erwarten - die Stromaufnahme und erzeugte Wärme der LED-Ausführung ist bei gleicher Helligkeit nur ein Bruchteil im Vergleich zum gleich hellen Halogenbirnchen.

Es geht auch noch etwas mehr

Mit den ausgewählten Bauteilen reicht die Versorgungsspannung nicht nur von den ursprünglich gewünschten 3,2V bis 3,8V, sondern von 3V bis 5V - vorausgesetzt, die LED-Flussspannung der ausgewählten LED ist für die minimale Versorgungsspannung klein genug. Deshalb wurde die im Schaltplan angegebene HB-LED vorgesehen, die bei relativ kleinem Strom im "unteren" Teil der Kennlinie betrieben wird.

Natürlich können auch andere LEDs verwendet werden, die den gewünschten (und per Widerstand R3 eingestellten) maximalen LED-Strom verkraften.

Low Dropout

Die Dropout-Spannung ist aufgrund der parallel geschalteten Ausgänge bei 135mA LED-Strom kleiner als 50mV und bei kleinerem LED-Strom entsprechend weniger. Deshalb lässt sich die Schaltung ohne Einschränkungen bis herunter auf 3V betreiben.

LDO-LED-Treiber mit MIC2843A


Per Versorgungsspannung gedimmt

Falls man nicht unbedingt direkt ein Glühbirnchen per LED ersetzen möchte, kann die vorgestellte Schaltung auch ganz allgemein zum genauen und exemplar- und temperaturunabhängigen Dimmen einer LED mit der Versorgungsspannung verwendet werden.

Von der Stange

Es sei angemerkt, dass man solche LED-basierenden Birnchen auch für reichlich Geld kaufen kann. Bei genauem Hin(ein)schauen (oder Nachmessen) stellt man aber fest, dass es meist nur eine LED mit Vorwiderstand ist.

Dementsprechend ist die Kennlinie nicht linear wie bei der vorliegenden Schaltung, sondern im unteren Versorgungsspannungsbereich (≤5V) exponentiell ansteigend. Auch dürfte der Strom stark streuen und temperaturabhängig sein.

So wird z.B. bei einer E10-LED-Birne für 3V oder 4,5V Nennspannung bereits ±20% Stromtoleranz angegeben.
Weitere Angaben gibt es selten.

Per PWM gedimmt

Auch wenn es im obigen Schaltplan nicht explizit gezeichnet ist, die Schaltung kann am Pin END (= Enable/Dimming) des MIC2843A zusätzlich per PWM gedimmt bzw. ein- und ausgeschaltet werden. Falls man jedoch einen Glühbirnchen-Ersatz sucht, machen genau diese Funktionen wenig Sinn.

Oder Konstantstrom ganz solide

Schließlich versteht sich von selbst, dass man mit dem in der vorgestellten Schaltung verwendeten MIC2843A auch einen LDO-LED-Treiber realisieren kann, bei dem der LED-Strom unabhängig von der Versorgungsspannung konstant ist.

IC2, R1 und R2 werden dann nicht benötigt und R3 wird laut Datenblatt von RSET nach GND gelegt.

Versteckte Eigenschaften, Funktion der Schaltung

Wer die Funktion der Schaltung verstehen möchte, muss sich zunächst mit den Eigenschaften des in der Schaltung verwendeten MIC2843A näher beschäftigen und hierzu etwas tiefer in dessen Datenblatt einsteigen.

Beim MIC2843A wird der LED-Strom normalerweise per relativ hochohmigem Widerstand von Pin RSET nach GND eingestellt – soweit nichts Besonderes (siehe auch MIC4802 und MIC204x).

Dieser Widerstand wird indirekt von einer internen Referenzspannung von 1,27V gespeist. Der sich daraus ergebende Strom von 1,27V/RRSET erscheint mit dem Faktor 410/1,27 = 322,8 per sechs einzelnen Stromspiegeln an den sechs Ausgängen.

Durch Parallelschaltung der sechs Ausgänge ist der Gesamtstromfaktor für eine damit versorgte LED schließlich 1.937.
D.h. mit einem Widerstand von z.B. 15kΩ nach GND würde sich in der "normalen" Beschaltung zunächst ein LED-Strom von 1,27V/15kΩ * 1.937 = 164mA ergeben (bzw. 27mA pro Ausgangs-Pin) und zwar solide konstant und unabhängig von der Versorgungsspannung.

In der vorliegenden Schaltung wird der RSET-Widerstand jedoch nicht direkt an GND gelegt, sondern per Ausgang des Operationsverstärkers IC2 an eine von der Versorgungsspannung abhängigen Spannung VOP ≥ 0V.
Somit sinkt der Strom durch den RSET-Widerstand in diesem Beispiel auf (1,27V – VOP)/15kΩ und der tatsächliche LED-Strom ist das 1.937-Fache dessen.

Der Operationsverstärker IC2 (mindestens mit Output-Ground-Rail-Eigenschaft) ist als invertierender Verstärker mit der Verstärkung R2/R1 beschaltet.

Als Gleichspannungsarbeitspunkt am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers wird sehr trickreich die hochgenaue und temperaturunabhängige interne Referenzspannung des MIC2843A verwendet, die indirekt an dessen Pin RSET anliegt.

Mit anderen Worten: An Pin RSET liegt quasi eine konstante Spannung an und es fließt bei diesem Vorschlag ein von der Versorgungsspannung abhängiger Strom aus diesem Pin heraus, der schließlich über den Faktor 1.937 den tatsächlichen LED-Strom ergibt!

Steilere Kennlinie

Ebenso gut (und schaltungstechnisch weniger irritierend) könnte man etwas aufwendiger eine externe Referenzspannung nehmen (z.B. einen per VCC versorgten einstellbaren und ausreichend genauen LDO) und damit bei entsprechender Dimensionierung sogar noch eine steilere Kennlinie des versorgungsspannungsabhängigen LED-Stroms bekommen bei gleichzeitiger Einhaltung des gewünschten LED-Stroms von 80mA bei 3,5V Versorgungsspannung.

Zum Beispiel mit R1 = 120kΩ, R2 = 100kΩ und R3 = 22kΩ würde man am nicht invertierenden Pin von IC2 (dann nicht verbunden mit RSET des MIC2843A) ca. 2,41V externe (einstellbare) Referenzspannung benötigen.
Bei 3,2V würde der LED-Strom dann ca. 58mA betragen und bei 3,8V wären es ca. 102mA. Bei 5V Versorgungsspannung könnte man bei dieser Dimensionierung einen LED-Strom von ca. 190mA erreichen, hätte dann aber bereits hohe Verluste im MIC2843A.

Eine flachere Kennlinie ist bei geeigneter Dimensionierung in beiden Fällen möglich.

Diverse Kennlinien

Für die angegebene Beschaltung und Dimensionierung ist die mit einer Golden-Dragon-LED gemessene und ausgesprochen lineare LED-Treiber-Kennlinie in folgendem Diagramm in Rot dargestellt:

Kennlinien MIC2843A u.a.


Zum Vergleich sind auch noch die theoretischen Kennlinien (nämlich Ausschnitte einer Wurzelfunktion) einer etwa gleich hellen Halogenlampe in Grün und einer auf den selben Nennstrom von 80mA bei 3,5V normierten Glühlampe (die dann natürlich deutlich dunkler leuchtet) in Blau dargestellt.

Schließlich ist auch ist die Kennlinie einer LED mit Vorwiderstand in Gelb dargestellt (Ausschnitt einer Exponentialfunktion).
Der LED-Vorwiderstand ist so dimensioniert, dass sich bei 3,5V ebenfalls ein LED-Nennstrom von 80mA ergibt.

Für die LED mit Vorwiderstand gelten die Stromwerte - ganz im Unterschied zur Schaltung mit dem MIC2843A - nur für ein ganz bestimmtes LED-Exemplar bei konstanter Temperatur.

Lineare Verluste

Die thermischen Verluste in IC1 betragen bei einer weißen oder blauen LED (je nach deren LED-Kennlinien) bei 5V ca. 270mW, die vom DFN-Gehäuse des MIC2843A mühelos abgeführt werden können.

Bei andersfarbigen LEDs (insbesondere Rot und Infrarot) können es bei 5V Versorgungsspannung bis zu 0,5W Verluste im MIC2843A sein, die man ggf. wegkühlen muss. Im ursprünglich gewünschten Versorgungsspannungsbereich von 3,2V bis 3,8V ist bei der angegebenen Dimensionierung unabhängig von der LED-Farbe eigentlich immer alles im grünen Bereich.

nach oben


LDO2-Treiber mit MIC29372 und Poti-Dimmer (15.3.2009)

Dieser etwas aufwendigere LDO-LED-Treiber ist gleich doppelt "LDO" (deshalb LDO2), denn er verwendet LDOs (deren sogar gleich  zwei) und hat als LED-Treiber auch LDO-Eigenschaften, die immer dann von Interesse sind, wenn zwischen LED-Gesamtflussspannung und minimaler Versorgungsspannung nicht viel Spielraum ist.

Bei diesem Vorschlag mit einem MIC29372 beträgt dieser Spannungsspielraum minimal 0,9V bei maximalem LED-Strom von 750mA und maximalen Temperaturverhältnissen (125°C Chip-Temperatur).

Da aber bei geringem Spannungsabfall über dem LDO wenig elektrische Verluste im LDO auftreten, wird auch die Temperaturerhöhung gering sein, so dass man im Normalfall sogar mit nur typisch 0,6V minimalem Spannungsspielraum rechnen kann.

Das heißt, dass die Mindestversorgungsspannung nur ca. 0,6V über der LED-Gesamtflussspannung (beim gewünschten Strom!) liegen muss. Mit 12V könnte man also leicht drei HB-LEDs in Serie betreiben, gegenüber nur zwei mit einem Nicht-LDO-Treiber. Aber der folgende Vorschlag bietet noch mehr.

Gute Eigenschaften

Der zum Treiben des LED-Stroms verwendete LDO MIC29372 kommt aus verschiedenen Gründen zum Einsatz:

  • geringe Dropout-Spannung von typisch 0,4V bei 750mA
  • Strom ausreichend für 700mA-LEDs
  • geringer GND-Strom (falls LEDs abgeschaltet)
  • Load-Dump-Schutz zum Einsatz im KFZ (max. 3 LEDs in Serie)

Eine Eigenschaft passt aber nicht gerade zu einem LDO-LED-Treiber, nämlich seine Referenz-Spannung von 1,24V, die früher grundsätzlich bei Linearreglern üblich war, aber bei neueren LDOs immer öfter auch unter 1V liegt.

Das macht aber nichts, denn auch 1,0V oder 0,7V oder gar nur 0,5V wäre noch immer nicht der gewünschte geringe Wert für die Stromfühlerspannung.

Die Differenz macht’s

Um eine noch kleinere Stromfühlerspannung von z.B. ca. 100mV zu erhalten, bildet man "ganz einfach" die Differenz zweier genauer Spannungen.

Die Tücke dabei aber ist, dass diese beide möglichst bis auf die zweite Stelle hinter dem Komma (±1%) reproduzierbar genau sein sollten, wenn man den LED-Strom per Potenziometer linear bis herunter auf null einstellbar machen möchte.

Und so schaut schließlich die doppelt LDO-basierende Lösung aus:

LDO-LED-Treiber mit MIC29372


Das Prinzip dieser Leistungs-Differenzstromquelle ist eigentlich fast dasselbe, wie beim Power-Poti-Dimmer, nur eben jetzt als Lowdrop-Ausführung.

Damit man den LED-Strom mit dem Potenziometer R2 auch wirklich bis auf null einstellen kann (Maximum bei Rechtsanschlag Richtung R3!), muss die Referenzspannung des MIC5233 entweder genau gleich oder minimal größer sein als jene des MIC29372.
Laut Datenblatt gilt das wenigstens für den typischen Wert, was aber nicht heißt, dass es für alle willkürlich kombinierten MIC5233/MIC29372-Paare gilt.

Bei den im Schaltplan angegebenen vereinfachten Formeln für den LED-Strom und die Stromfühlerspannung wird angenommen, dass beide Referenzspannungen gleich sind.

Restleuchten

Aber selbst für den weniger wahrscheinlichen Fall, dass diese Bedingung nicht erfüllt ist und die LEDs bei Nullstellung noch geringfügig leuchten, gibt es eine einfache Abhilfe, nämlich der gestrichelt gezeichnete Widerstand R4, der ggf. einen kleinen Strom an den LEDs vorbei ableitet.

Derselbe Trick wurde schon bei den Poti-Dimmer-Treibern (mit LM358 bzw. TDA2050) beschrieben, um die Offset-Spannung der dort verwendeten Operationsverstärker zu kompensieren.

Zur Dimensionierung von R4 misst man zunächst den Null-Strom Inull, indem man die LEDs bei Null-Stellung des Potis (Linksanschlag) mit einem Ampère-Meter überbrückt.

Den benötigten Widerstand kann man dann wie folgt überschlagen:

R4 ≤ (ULEDs-1V)/Inull

Ohne Dimmen

Falls eine stufenlose (und lineare) Einstellung des LED-Stroms nicht nötig ist, nimmt man statt dem Poti R2 einen Festwiderstand R2 (gestrichelte Verbindung statt Verbindung zum Poti-Abgriff) und R4 entfällt dann natürlich.

PWM-Dimmen und Dunkel-Schalten

Beim analogen Dimmen werden bei Serienschaltung von LEDs besonders bei kleinen LED-Strömen Helligkeitsunterschiede sehr deutlich, d.h. kurz vor dunkel leuchtet noch eine der LEDs und andere sind bereits ganz aus.

Wenn das stört (und auch eventuelle Farbverschiebungen bei RGB-LEDs durch analoges Dimmen), hilft nur noch PWM-Dimmen.

Hierzu steht bei diesem Vorschlag der Shutdown-Eingang des MIC29372 zur Verfügung, der zum Deaktivieren wenigstens mit 2V beaufschlagt werden muss, aber auch bis hoch zur Versorgungsspannung gehen darf.

Falls SD nicht benötigt wird und die LEDs immer aktiviert sein sollen (bzw. ausschließlich per Poti gedimmt werden), legt man ihn am besten über einen Pull-Down-Widerstand oder direkt auf GND.

Mehr oder weniger Power

Falls bis zu 750mA nicht reichen, die ein MIC29372 liefern kann, kommt bei sonst unveränderter Schaltung der MIC2941AWU/WT (TO-263/TO-220) für bis zu 1,25A in Frage.

Für bis zu 400mA für 1W-LEDs wäre es alternativ ein MIC29202WU (TO-263) bzw. ein MIC29202WT (TO-220), ggf. als MIC29204YM/YN auch im SO-8/DIP-8-Gehäuse.

Für alle Ausführungen gilt (wie immer bei linearen LED-Treibern): Verluste im LDO beachten, die sich beim LDO-Treiber etwas vereinfacht (hier sind 112mV Stromfühlerspannung unterschlagen) so berechnen:

PLDO = (UVersorgung - ULEDs) * ILED

Tipps zum erfolgreichen Nachbau

Häufig habe ich bei Nachbauproblemen mit LED-Treibern (mit welcher Technik auch immer) gesehen, dass zum Versorgen der LED-Treiber lange Leitungen aus Klingeldraht verwendet wurden. Das geht natürlich NICHT - vor allem nicht bei LED-Strömen über ein paar Hundert mA!

Neben dickeren Kabeln (wenigstens 0,75mm2) schafft meist ein "dicker" Elko C4 von 470µF (oder mehr) entsprechender Spannungsfestigkeit Abhilfe.

Falls die Schaltung im KFZ betrieben wird, muss man natürlich die Eingangskondensatoren C3 und C4 entsprechend auslegen bzw. eine Filterspule davor schalten, auch wenn die beiden LDOs MIC5233 und MIC29372 die im KFZ auftretenden hohen Spannungstransienten durchaus aushalten (sogar dafür ausgelegt sind, siehe Datenblätter).

Auf einen anderen Kondensator kann man keinesfalls verzichten, nämlich den Siebkondensator C2, der auch sicherstellt, dass der Ausgang von IC2 beim Einschalten immer kleiner bleibt als dessen Referenzspannung. Ansonsten8 ist eine Regelung nicht möglich und die LEDs bleiben dunkel (nachdem sie beim Einschalten kurz aufgeblitzt haben).

Noch ein Tipp (10.01.2010)

Falls jemand auf die Idee kommen sollte, statt dem MIC5233 einen anderen LDO bzw. eine andere Referenzspannung zu nehmen, unbedingt darauf achten, dass sowohl die minimale als auch die maximal zulässige Versorgungsspannung zur gesamten Schaltung passt.

Denn wenn die Mindestversorgungsspannung unterschritten wird, kann es bei einem ungeeigneten LDO für IC2 besonders bei LEDs mit geringerer Flussspannung (also insbesondere bei roten LEDs) passieren, dass sich die ADJ-Spannung am MIC29372 nicht mehr kompensieren lässt und deshalb der eingestellte LED-Strom ansteigt!!

nach oben


[1] Für 50 mA LED-Strom je nach LED z.B. R1 = 1,2 kOhm und R2 = 2,2 Ohm.

[5] High-Side-Power-Switches werden u.a. zur Versorgung von USB-Schnittstellen verwendet.

[6] Demgegenüber erlaubt ein guter LDO durchaus ±1% Einstelltoleranz bzw. ±2% über den gesamten zulässigen Temperaturbereich.

[7] Die Status-LED muss leuchten, sonst ist der LED-Treiber nicht im Konstantstrom-Mode. Alternativ kann man natürlich auch ein Labornetzteil nehmen, das man z.B. auf 4,0V einstellt, dabei aber sicherstellt, dass der gewünschte LED-Strom auch fließen kann (und nicht die Strombegrenzung des Netzteils zu niedrig eingestellt ist).

[8] Der aus dem ADJ-Pin von IC1 herausfließende (relativ kleine) Strom würde das OUT-Pin von IC2 bei hochohmiger Auslegung von R2/R3 sonst möglicherweise deutlich über dessen Referenz-Spannung ziehen und somit verhindern, dass IC2 korrekt arbeiten kann.

[9] Statt dem MIC2843A im DFN-Gehäuse lassen sich mit dem selben Prinzip z.B. auch die linearen LED-Treiber MIC48xx verwenden, die in SOP- und MSOP-Gehäusen lieferbar sind, die sich vom Hobbyisten leichter handhaben lassen.