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Der kurze Weg geht hier entlang:
Hohe Effizienz trotz linearem LED-Treiber: MIC4802 an Li-Ion-Akku potigedimmt (4.3.2022)
Die versteckten Eigenschaften des linearen LED-Treibers MIC4802 (15.12.2020)
Oder: Wie er damit mehrere Silberdraht-LED-Lichterketten treibt ...
Weitere Silberdraht-LEDs potigedimmt (17.12.2019)
LT3083-Poti-Dimmer/Treiber für Silberdraht-LED-Lichterkette (18.12.2018)
Versorgungsspannungsgesteuerter linearer LED-Treiber mit MIC2843A (12.10.2014)
LDO-Treiber mit MIC4802 (1.1.2013)
LDO-Treiber mit High-Side-Power-Switch MIC2044 (29.9.2010)
LDO-Treiber mit High-Side-Power-Switch MIC2042 (8.2.2009)
LDO2-Treiber mit MIC29372 und Poti-Dimmer (15.3.2009)
Diskret aufgebauter LDO-Treiber mit Opto-Koppler (17.12.2003)
Falls 1V Spannungsabfall noch tolerierbar ist:
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.
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).
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.
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:
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.
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:
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.
Inzwischen (4.3.2022) gibt es hier zumindest eine genaue Standzeit-Untersuchung mit einem Lithium-Ionen-Akku.
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.
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.
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:
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.
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.
Hohe Effizienz trotz linearem LED-Treiber:
MIC4802 an Li-Ion-Akku potigedimmt (4.3.2022)
Bei Betrieb von LEDs an Batterien und Akkus kommt immer wieder die Frage auf:
- Lieber einen linearen oder besser einen getakteten LED-Treiber nehmen?
Wenn der Unterschied zwischen LED-Flussspannung und Versorgungsspannung durchweg relativ groß ist, hat ein getakteter LED-Treiber (Step-Down oder Step-Up) normalerweise den Vorzug. Allerdings kann der Aufwand entsprechend groß sein.
Im vorliegenden Fall geht es darum, eine weiße LED an einem Li-Ion-Akku, an drei NiMH-Zellen oder an drei 1,5V-Batterien zu betreiben, d. h. die Versorgungsspannung ist nur wenig höher als die LED-Spannung, nämlich um bis zu 1,5V.
Mit einem einfachen linearen Lowdrop-LED-Treiber MIC4802 könnte eine per Poti analog gedimmte Schaltung wie folgt ausschauen:
Kompakte Schaltung
Um den LED-Strom beim MIC4802 analog zu dimmen, kann man den aus Pin RSET (dort liegt gleichzeitig die Referenzspannung an) herausfließenden Strom beeinflussen, der normalerweise den Wert U_rset/R1 hat, sofern R1 an GND angeschlossen ist, siehe hier. Der LED-Strom ergibt sich daraus per angegebener Formel.
Hebt man diesen GND-Anschluss von R1 aber mit einer soliden Spannung mittels Operationsverstärker (OPV, mindestens Ground-Rail-Eigenschaften) IC3 an, so wird der Strom durch R1 und damit der LED-Strom entsprechend kleiner (linear umgerechnet).
Nicht so gut
Die ursprüngliche Idee war, die MIC4802-interne Referenzspannung am Pin RSET anzuzapfen, wie bei obiger Schaltung, wo das perfekt funktioniert. Dann müsste man die Referenzspannung hochohmig mittels einem weiteren OPV entkoppeln und damit das zum Dimmen vorgesehene Poti versorgen. Über den OPV-Ausgang würde an Pin RSET dann ausschließlich der Strom durch R1 entnommen (Stromsenke) und sonst (so gut wie) keiner.
Bei diesem Konzept wären zwei OPV mit jeweils der Verstärkung 1 hintereinander geschaltet. Je nach verwendeten OPV kann der Phasenspielraum dann aber knapp werden, wodurch wegen der Rückkopplung an RSET unerwünschte Schwingungen entstehen und schließlich der MIC4802 nicht mehr den gewollten konstanten Gleichstrom liefert, sondern einen größeren, der mit einer störenden Frequenz moduliert ist. Deshalb habe ich diese Lösung wieder verworfen.
Besser
Die bessere Lösung ist in diesem Fall eine separate Referenzspannung, z. B. erzeugt mittels LDO MIC5308 (IC2), der auch an sehr niedrigen Versorgungsspannungen (bis herunter 2,2V) betrieben werden kann. Der zusätzliche Aufwand sind die drei Widerstände R4 bis R6.
Möchte man den MIC4802 über volle 100%-0 per Poti dimmen, muss R1 im Bereich von 0V bis U_rset angehoben werden, sprich die am Poti anliegende Spannung muss mindestens U_rset = 1,27 V haben oder gleich 10 mV mehr, damit die LED bei Poti-Stellung "1" (Linksanschlag) wirklich dunkel wird. Deshalb wurden R4 bis R6 passend mit E12-Werten dimensioniert. Der Strom durch diese Widerstände beträgt ca. 65 µA.
Möchte man bei Linksanschlag des Potis noch ein Restlicht, muss nur R6 entsprechend niederohmiger ausgelegt (oder überbrückt) werden.
Der genaue Wert von R2 (Poti) ist unkritisch. Bei 10 kΩ ist die Last durch R2 gerade einmal 128 µA und fällt bei 500 mA LED-Strom (oder gar mehr) kaum ins Gewicht. Ansonsten könnte man R2 auch etwas hochohmiger auslegen.
Flexibel
Bei einem linearen Poti ist die Beziehung zwischen Poti-Stellung und LED-Strom eine lineare, also nicht dem Empfinden des menschlichen Auges angepasst, aber durchaus akzeptabel.
Statt OPV und Poti wäre auch ein µController mit DA-Wandler-Ausgang denkbar, falls PWM-Dimmen unerwünscht ist. Das hätte den Vorteil, dass man eine Luminanz-Korrektur per µC-Software dazwischenschalten könnte.
Wie beim Schaltbild erwähnt, könnte man den MIC4802 zusätzlich zum analogen Poti-Dimmen an dessen EN-Pin auch noch digital per PWM dimmen (dann sinnvollerweise gleich per Luminanz-Korrektur). Wenn nicht, sollte EN über R3 an VIN gelegt oder direkt mit VIN verbunden werden.
Zwar hatte ich immer wieder behauptet, dass der Wirkungsgrad eines getakteten LED-Treibers für eine solche Schaltung kaum besser sein kann als mit einem linearen, und wenn, dann nur mit einem großen Aufwand (Bauteile, Platz und Kosten), aber nachgewiesen hatte ich es bislang nicht. Das soll nun nachgeholt werden.
Standzeit
Für Untersuchungen der Standzeit der gezeigten Schaltung wollte ich nicht unnötig Batterien "verbraten" und habe deshalb einen 18650er Noname-Li-Ion-Akku aus meinem Bestand geholt, der inzwischen schon stolze 11 Jahre alt ist und noch nie benützt wurde. Er wurde in dieser Zeit auch nie geladen.
Um so mehr hat es mich überrascht, dass dieser Akku mit unbekanntem Zustand bei konstant 500 mA LED-Strom bereits eine Stunde durchgehalten hat.
Nach zweimaligem Laden (700 mA und 4,2 V Ladeschlussspannung) war die Standzeit aber bereits mehr als 2,5 Stunden mit extrem konstantem LED-Strom.
Da ich bei meinen Messungen das Maximum an Standzeit herausholen wollte, habe ich nicht den LED-Strom, sondern die LED-Spannung[18] gemessen, um einen hier nicht zu vernachlässigenden Spannungsabfall am A-Meter zu vermeiden. Die Umgebungstemperatur blieb während der Messung natürlich konstant.
Und so schaut das Messergebnis aus (das natürlich auch für die Grundschaltung ganz ohne Poti-Beschaltung gilt):
Auffallend ist zunächst, dass die Akkuspannung bei meiner Lithium-Mangan-Zelle trotz konstanter 500mA-Last am Anfang nicht den bei Lithium-Eisenphosphat-Zellen typischen Einbruch hat, sondern dass die Akku-Spannung eher langsam und stetig abnimmt.
Erst bei 2:30 h nimmt die Akku-Spannung deutlich schneller ab, und erst bei 2:40 h beginnt auch die LED-Spannung langsam zu fallen, d. h. ab diesem Zeitpunkt nimmt der bisher sehr konstante LED-Strom gemäß LED-Kennlinie ab.
Genau bis zu diesem Zeitpunkt wollte ich die per Logging-Multimeter alle zwei Sekunden erfassten Messdaten per Excel-Tabelle auswerten.
Hierzu hatte ich den LED-Strom und die Stromaufnahme der Schaltung bereits vorher bei frisch geladenem Akku (ca. 4,2 V) gemessen, so dass ich die augenblickliche Leistung bzw. Energie über die gesamte Betriebszeit alle zwei Sekunden mit dem konstanten Strom sehr einfach berechnen konnte.
Fast 80% Wirkungsgrad bei superkonstantem LED-Strom
Die bis zu diesem Zeitpunkt akkumulierte LED-Energie betrug 4,04 Wh und die vom Akku abgegebene war 5,08 Wh, woraus sich ein Gesamtwirkungsgrad von 79,5% ergibt.
Bei einer aus den aufgenommenen Messwerten berechneten mittleren Akku-Spannung von 3,75V ergibt sich eine "Kapazität" von 1355 mAh. D. h., wenn der Akku tatsächlich die aufgedruckten 1500 mAh hat, wurden 90% seiner Kapazität benötigt, um die LED mit einem konstanten Strom von 500 mA für 2:40 h zu betreiben.
Nach diesem Zeitpunkt leuchtet die LED mit abnehmendem Strom noch lange weiter, bis auch die restlichen 10% verbraucht sind. Die Akku-Spannung nähert sich der Entladeschlussspannung von 2,6 V. Der MIC4802 schaltet dabei noch nicht ab, obwohl seine minimale Versorgungsspannung laut Datenblatt 3,0 V beträgt.
Um das geschilderte Verhalten und vor allem den mit dem MIC4802 und einer weißen LED erzielten Wirkungsgrad von ca. 80% unter den gegebenen Bedingungen mit einem getakteten LED-Treiber zu erreichen, muss man lange suchen. Der Bauteileaufwand wird auf jeden Fall deutlich größer sein.
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:
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.
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!!
Poti-Dimmer/Treiber für Silberdraht-LED-Lichterkette
(16.12.2018)
Einen Weihnachtsbaum mit einer Lichterkette zu bestücken, die 300 (oder wieviele auch immer) LEDs hat - verteilt auf 10 Stränge mit je 3 Meter Länge - ist schon eine kleine Herausforderung.
Aber wenn dann alles gut geklappt hat, freut man sich über das gelungene Kunstwerk.
Einzig die viel zu große Helligkeit der LEDs will nicht so recht zur Weihnachtsstimmung passen.
Was liegt näher, als einen LED-Dimmer vorzuschalten, damit schließlich doch die richtige Stimmung aufkommen kann.
Allerdings muss man für eine geeignete Lösung zunächst die elektrischen Daten der Lichterkette überprüfen, am einfachsten am zugehörigen LED-Vorschaltgerät.
Im vorliegenden Fall ist es ein Steckernetzteil von CZJUTAI, dessen Ausgang mit 7V und dessen Ausgangsleistung mit 5W angegeben ist:
Vermutlich wird der LED-Strom im Steckernetzteil auf ca. 700 mA begrenzt. Aber das ist hier belanglos, da der vorgesehene Dimmer auch ein Low-Dropout-LED-Treiber sein wird, der den LED-Strom auf den gewünschten Wert einstellt - dann natürlich weniger als 700mA.
Da das Steckernetzteil alle 10 LED-Stränge parallel versorgt, alle LEDs parallel verbunden und keine LED-Vorwiderstände sichtbar sind, deuten die angegebenen 7V darauf hin, dass eine LED tatsächlich aus zwei LED-Chips besteht, die in Serie geschaltet sind, was aber selbst im gedimmten Zustand nicht zu erkennen ist.
Dank Steckverbindung ist das Messen von LED-Spannung und LED-Gesamtstrom kein Problem. Man kann damit den LED-Strom einer einzigen Doppel-LED abschätzen und kommt mit den gefundenen Angaben schließlich auf 5W/7V/300 = 2,4 mA, was eigentlich gar nicht so viel ist - aber die Menge macht’s, denn genau genommen sind es 600 LED-Chips!
Wie hoch die tatsächliche Spannung an den parallel geschalteten LED-Strängen ist, werden wir noch sehen.
Eine sehr einfache LDO-LED-Treiber-Schaltung mit Poti-Dimmer
Die hier vorgestellte Schaltung besteht aus einem speziellen LDO LT3083[10], einem Poti und etwas Schüttgut, wobei der LDO als Low-Dropout-Stromquelle[11] betrieben wird, deren Ausgangsstrom durch den Spannungsabfall eines eingeprägten Stroms von 50 µA am Poti bestimmt ist:
Mit dem in Serie geschalteten Festwiderstand R3 wird die Minimalhelligkeit festgelegt. Und per 0,15Ω-Stromfühlerwiderstand ergibt sich schließlich der Gesamtstrom für alle 10 LED-Stränge.
Um die Dropout-Spannung des LED-Treibers optimal auszunützen, sind die LEDs zwischen der positiven Versorgung und dem IN-Anschluss des LT3083 gelegt und der Stromfühlerwiderstand geht vom OUT-Anschluss zur negativen Versorgung.
Aufgrund des sehr niederohmigen Widerstands an OUT macht an dieser Stelle ein Kondensator wenig Sinn, auch nicht am Ausgang des Steckernetzteils = Eingang des LED-Treibers, sondern nur über die LEDs.
Damit schauen die Spannungen am Eingang (gelb), am Ausgang (türkis) und über die LEDs (rot = Differenz per Scope) so aus, zunächst bei minimaler Helligkeit:
Die Spannung an den LED-Strängen (also über jeweils 2 LEDs) beträgt hier ca. 5 Volt und der Gesamt-LED-Strom liegt bei ca. 9 mA, sprich nur 30 µA pro LED!
Insgesamt sind das in Minimaleinstellung nur 0,045 Watt LED-Licht.
Und dann bei maximaler Helligkeit:
Die Spannung an den LED-Strängen (also wieder über jeweils 2 LEDs) beträgt jetzt ca. 6,2 Volt und der Gesamt-LED-Strom liegt bei meinem Exemplar bei nur ca. 570 mA (bedingt durch die Toleranz des Potis), sprich ca. 1,9 mA pro LED bzw. 3,5 Watt LED-Licht, was immer noch viel zu hell ist.
Der Spannungsspielraum am LED-Treiber beträgt bei Maximalstrom ca. 1,2 Volt, wovon etwa 110 mV am Stromfühlerwiderstand abfallen.
Nicht ohne meine Siebung
Der durch das Schaltnetzteil erzeugte Ripple mit ca. 50 kHz (gelb, bei Maximalstrom) würde ohne den 10µF-Kondensator C1 reichlich verstärkt als Störspannung an den LEDs erscheinen, hier gemessen am IN-Anschluss (türkis) bei Maximalstrom:
Aber mit der vorgeschlagenen 10µF-Siebung[12] schaut die Spannung an den LED-Strängen sehr sauber aus (siehe die beiden oberen Screen-Shots) und der Weihnachtsbaum wird mit mehr als 30 Meter LED-Antenne auch nicht zur Störquelle - stille Weihnacht!
Winz-Dimmer/Treiber
Verpackt in einem Kunststoffgehäuse der "Größe" 4,5cm x 3cm x 2cm und wegen der sehr einfachen Schaltung frei verdrahtet, schaut der LT3083-LED-Dimmer/Treiber dann so aus:
Der LT3083 im verwendeten TO-220-5 befindet sich links vom Poti, der graue Stromfühlerwiderstand rechts davon und der Siebelko ist links unten im Eck versteckt.
Das Steckernetzteil ist auf dem Foto oben angeschlossen und die LED-Stränge unten. Hierfür wurde das Anschlusskabel etwa 50 cm nach dem Anschlussstecker durchgeschnitten, so dass der Dimmer ggf. auf dem Fußboden liegen kann. Zur Zugentlastung sind die Leitungen innen im Gehäuse einfach mit einem Knoten versehen.
Tipp, damit man das durchtrennte Kabel wieder auf Anhieb richtig gepolt anschließen kann:
Die durchsichtige Isolation des positiven Anschlusses trägt kleine Ringe oder Striche in kurzen Abständen als Markierung.
Der Pluspol von Buchse und Stecker am Steckernetzteil ist jeweils innen markiert.
Bei mittlerer bis maximaler Helligkeit wird das Minigehäuse nur handwarm (immerhin ist es ein linearer LED-Treiber).
Hier zwei Aufnahmen des LED-Knäuels (aufgewickelt auf der Lieferrolle) bei minimaler und bei mittlerer Helligkeit:
Maximale Helligkeit geht natürlich auch, aber damit will keine große Freude aufkommen - vor allem nicht unterm Weihnachtsbaum ...
Der gedimmte Weihnachtsbaum (26.12.2018)
und so schaut das Kunstwerk (bei Freunden) schließlich aus, im oberen Bereich mit der gedimmten LED-Lichterkette und im unteren Bereich eine gleichartige ungedimmt:
Weitere Silberdraht-LEDs potigedimmt (17.12.2019)
Der Mini-Poti-Dimmer kam so gut an, dass der Wunsch bestand, weitere der sehr grellen Silberdraht-LED-Lichterketten per Poti zu dimmen:
Allerdings waren alle Lichterketten mit unterschiedlich vielen LEDs bestückt und alle hatten unterschiedliche Steckernetzteile.
Immerhin sind die technischen Daten sowohl am Steckernetzteil als auch per Etikett an den Lichterketten vermerkt, denn man kann beide durch die einheitliche Steckverbindung voneinander trennen. Und so bekommt man sie anhand der Kennzeichnungen wieder passend zusammen (siehe auch nachfolgende Tabelle).
In einem Fall waren statt der zwei LED-Chips in Serie (wie bei der ersten Lichterkette) sogar jeweils nur einzelne LED-Chips parallel geschaltet (erkennbar an der Spannung des Steckernetzteils), offensichtlich mit so lausiger LED-Qualität, dass der Widerstand R3 für die Minimalbeleuchtung deutlich vergrößert werden musste, denn bei der ursprünglich vorgesehenen Dimensionierung hatten die LEDs nicht mehr wirklich geleuchtet.
In einem anderen Fall war das Steckernetzteil gar unterdimensioniert, so dass der angegebene LED-Strom nicht erreicht wurde. Der LED-Dimmer wurde aber dennoch für den maximal zulässigen LED-Strom Imax ausgelegt.
Hier eine Zusammenfassung für die Dimensionierung von drei unterschiedlichen Poti-Dimmern gemäß obiger LT3083-Schaltung (Imax ist ein berechneter Wert):
Bevor ich die Potis eingebaut hatte, habe ich diesmal interessehalber noch deren tatsächlichen Widerstand gemessen (siehe R2 in der Tabelle). Abweichungen vom vorgesehenen Wert (hier 2,2 kOhm) wirken sich schaltungsbedingt beim Maximalstrom aus.
Bei einem der Steckernetzteile war die Ausgangsspannung stark mit Störspannung verseucht, die trotz C1 an den LEDs manchmal per schwachem Flackern sichtbar war.
Mit dem zusätzlichen Kondensator C2 am Eingang des Poti-Dimmers (der ursprünglich nicht nötig war und den ich bei dem geringen Platzangebot im Minigehäuse eigentlich einsparen wollte,) konnte diese Störung schließlich beseitigt werden.
Völlig dunkel
Falls gewünscht, kann man mit dem Mini-Poti-Dimmer auch volle 0% bis 100% dimmen.
Dann muss R3=0 sein - und schon darf es bei Bedarf auch völlig dunkel werden.
Für den ziemlich unwahrscheinlichen Fall, dass es in Dunkelstellung dennoch ein Restleuchten gibt, hilft der weiter oben beschriebene Trick.
Jetzt dürfen einige weitere hundert Silberdraht-LEDs ganz nach gewünschter Stimmung minigedimmt werden ...
Die versteckten Eigenschaften des linearen LED-Treibers MIC4802 (15.12.2020)
Oder: Wie er damit mehrere Silberdraht-LED-Lichterketten treibt ...
Den MIC4802 habe ich bereits 2013[13] vorgestellt und seitdem auch in einigen sehr unterschiedlichen Anwendungen erfolgreich eingesetzt, aber offensichtlich doch noch nicht alle undokumentierten Eigenschaften entdeckt.
Neuerdings habe ich (einmal wieder) äußerst günstige batteriebetriebene Silberdraht-LED-Lichterketten[14] für deutlich niedrigeren LED-Strom (für angenehmeres LED-Licht) umgebaut.
Genau genommen sollte ein vorhandener 15Ω-Vorwiderstand durch einen geeigneten LED-Treiber ersetzt werden, damit das LED-Licht nicht nur angenehmer wird, sondern dass die LEDs deutlich länger mit konstanter Helligkeit leuchten.
Anstatt dem ursprünglich einen LED-Strang mit 100 LEDs sollten aber mit derselben Batteriebox (3 Mignon- bzw. AA-Zellen, d. h. etwa 2.000 mAh Kapazität) nun 3 LED-Stränge à 150 LEDs versorgt werden, natürlich mit einem kleineren LED-Strom von jetzt 30 mA für 150 LEDs, also insgesamt 3x 30 mA.
Das entspricht ungefähr dem Anfangsstrom der Originalbeschaltung mit dem 15Ω-Vorwiderstand bei 100 LEDs und vollen Batterien.
Standzeit
Rein rechnerisch müsste ein solcher Batteriesatz bei 90 mA LED-Strom für ca. 22 Stunden halten, nach der Modifikation dann eben mit einem konstanten Laststrom (was auch die Berechnung der Standzeit einfacher macht) statt vorher stetig fallend.
Meine ersten Untersuchungen für die 3 LED-Stränge hatte ich mit dem MIC4812 mit 6 Ausgängen gemacht, an den ich zunächst 6 vorhandene originale 100-LED-Stränge mit je 20 mA LED-Strom versorgt hatte, da ich die Flussspannungen der einzelnen LED-Stränge überprüfen wollte. Zu meiner Überraschung war die maximale Abweichung der Flussspannungen untereinander nur 9 mV[15].
Deshalb hatte ich entschieden, die drei neuen LED-Stränge alle gemeinsam (parallel geschaltet) mit einem MIC4802 zu versorgen, der nur einen (Strom-) Ausgang hat, aber im handlicheren SOP-8 statt im MSOP-10 verfügbar ist.
Wie (hoffentlich) allgemein bekannt ist, sollte man nur LEDs mit nahezu identischen elektrischen Eigenschaften parallel schalten und dann möglichst mit einer Strom-Quelle/Senke versorgen.
Platziert
Als mein Mini-Platinchen (das locker in der Original-Batteriebox Platz findet) bestückt war, wollte ich den Ausgangsstrom per Multimeter messen, vor allem wollte ich überprüfen, ob es ausreicht, nur ein einziges Ausgangs-Pin anzuschließen anstatt alle 4 Pins 5 bis 8 (auf dem später gemachten Foto sind die Pins 6 und 7 bereits verbunden):
Tipp: Der MIC4802YME hat einen integrierten Kühlkörper, der zwar intern nicht mit dem Chip verbunden ist, aber unter Umständen an der Gehäuseunterseite Kurzschlüsse an nicht isolierten Leiterbahnen verursachen kann. Bei Verwendung eines MIC4801YM besteht diese Gefahr nicht.
Überraschung
Schon per Ohmmeter hatte ich festgestellt, dass die 4 Ausgänge nicht miteinander verbunden sind, wie es das MIC4802-Bauteilesymbol mit der Angabe 4x D1 eigentlich vermuten lässt. Aber da gibt es noch den Datenblatthinweis: "All D1 Pins must be connected to the LED".
Der Ausgangstrom des MIC4802 war per R_set = 56 kΩ auf rechnerisch I_led = 88 mA eingestellt.
Beim Messen des MIC4802-Ausgangsstroms gab es dann aber eine große Überraschung:
- Pin 5 liefert 30 mA = I_led/3
- Pin 6 liefert 15 mA = I_led/6
- Pin 7 liefert 15 mA = I_led/6
- Pin 8 liefert 30 mA = I_led/3
Sink und Source
Statt "liefert" müsste es genau genommen "nimmt" heißen, denn die Ausgänge sind Stromsenken. Wohl deshalb werden diese Pins in den MIC48xx-Datenblättern als "Eingänge" bezeichnet, obwohl es Funktions-Ausgänge sind.
Wenn man schon differenziert, scheinen mir die Bezeichnungen Source-Output und Sink-Output bzw. Sink-Input und Source-Input sinnvoller. Bei vielen ICs überschneidet sich das Sink- und Source-Verhalten je nach Spannungs-/Logik-Pegel.
Ich werde deshalb bei den LED-Pins des MIC4802 einfach "Ausgang" verwenden.
Gleiche Dice
Ganz offensichtlich handelt es sich bei MIC4802/MIC4801 um (nahezu) dasselbe Halbleiter-Chip wie bei MIC4811/MIC4812, nur sind bei den Pins 5 und 8 jeweils zwei Chip-Ausgänge miteinander verbunden (jeweils zwei Bonddrähte gehen vom jeweiligen Chip-Ausgang auf ein gemeinsames D1-Pin 5 bzw. 8). Bei den Pins 6 und 7 sind die Ausgänge dagegen direkt (und separat) gebondet.
Wenn man die Formeln zur Berechnung der Ausgangsströme vergleicht, findet man bei MIC4811/MIC4812 die Konstante 820 statt 4920 (= 6 * 820) bei MIC4801/MIC4802, was meine Vermutung bestätigt.
Fazit
Der MIC4802YME (und vermutlich auch der MIC4801YM) ist in Wirklichkeit ein LED-Treiber mit 4 Ausgängen (statt nur einem), und zwar mit 2x I_led/3 (Pins 5 und 8) und 2x I_led/6 (Pins 6 und 7).
Damit kann man neben diesen 4 einzelnen LED-Strömen noch 7 weitere unterschiedliche Kombinationen mit unterschiedlichen (von einander entkoppelten) Einzelströmen[16] realisieren.
Die Darstellung der Einzelströme wird überschaubarer, wenn man Vielfache von I_led/6 verwendet bzw. die Formel von MIC4811/MIC4812 anwendet (damit man keine Brüche angeben muss).
Für die einzelnen Ausgangsströme des MIC4802 an den Pins 5 bis 8 gelten dann folgende Faktoren:
Die Summe der Einzelstromfaktoren muss natürlich immer 6 ergeben, da 6x I_led/6 = I_led.
Ich habe deshalb dem MIC4802YME ein neues Symbol MIC4802_YME verpasst, und zwar mit getrennten Ausgängen D12, D3, D4 und D56 an den Pins 8, 7, 6 und 5 und damit das Schaltbild für meinen Mini-LED-Treiber für 3x 150 Silberdraht-LEDs gezeichnet:
Wie bei fast allen meinen Schaltplänen auf dieser Website ist auch hier die Spannungsversorgung (die Batterie) und der EIN-Schalter der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
Da ein PWM-Dimmen[17] mangels Platz nicht vorgesehen war, ist Pin EN mit Pin VIN verbunden.
Aufgrund des geringen LED-Stroms könnte man locker auch einen MIC4801YM (ohne integrierten Kühlkörper) nehmen. Untersucht habe ich es aber nicht.
Für die drei 150-LED-Stränge wurde jeweils ein 100-LED-Strang mit einem weiteren halbierten verlängert, und zwar immer jene LED-Stränge mit nahezu gleichen Flussspannungen (bei gleichem LED-Strom) kombiniert. Bei dieser Gelegenheit wurden auch gleich die sehr kurzen Anschlusskabel an der Batteriebox (ohne LEDs) mit transparenter Litze verlängert.
Da die drei LED-Stränge mit je 150 LEDs jetzt von unterschiedlichen Ausgängen des MIC4802 getrieben werden, kann man die sehr geringen Unterschiede in den LED-Flussspannungen nun sogar kontrollieren (gemessen wurden 2,706V, 2,702V und 2,701V @0,2mA/LED).
Und man sieht aufgrund der drei untereinander sehr genauen vom MIC4802 gelieferten LED-Ströme mit dem bloßen Auge natürlich keinen Unterschied in der LED-Helligkeit.
Die anfangs berechneten 22 Stunden Standzeit wurden sogar mit nicht mehr ganz vollen Batterien (anfangs 4,1V unter Last) bei konstanten 90 mA LED-Summenstrom erreicht, so dass die tatsächliche Standzeit mit 3 Mignon-Zellen wohl deutlich größer ist (je nach Batteriequalität).
Am unteren Limit
Zunächst ist der MIC4802 für minimal 3V Versorgungsspannung bei maximal 800 mA LED-Strom spezifiziert. Er funktioniert aber auch noch genau so zuverlässig bei kleineren Spannungen (auch sind viele Datenblatt-Diagramme bis herunter auf 2,5V dargestellt).
Erst ab ca. 2,7V Batteriespannung nimmt bei den verwendeten Silberdraht-LEDs wegen deren Kennlinien der LED-Strom bzw. die LED-Helligkeit unmerklich stetig ab.
Und bei ca. 2,3V ist bei diesen LEDs schließlich Schluss. Dann ist aus den nun tiefentladenen Batterien aber wirklich nichts mehr herauszuholen und man sollte sie schleunigst entsorgen, bevor sie auslaufen und Schaden in der Batteriebox anrichten.
Verpolschutz
Nicht fehlen sollte ein Verpolschutz bei falsch eingelegten Batterien per geeignetem MOSFET (mit sehr niedriger Gate-Schwellenspannung < 1,5V), sonst fließt ein satter Kurzschlussstrom über die Substratdiode(n) des MIC4802.
Solche MOSFETs gibt es im SOT-23 oder SOP-8 in reichlicher Auswahl. Zum Beispiel FDN337, DMN2056U oder Si2302 wären drei von vielen möglichen.
Aber Achtung: Deren maximal zulässige Gate-Source-Spannung ist (wie bei einigen anderen vergleichbaren kleinen MOSFETs) nur ±8V statt sonst typisch ±20V. In der vorliegenden Schaltung spielt das aber keine Rolle.
Lineare Verluste
Um LEDs mit weniger als 3V Flussspannung per 4,5V-Batterie mit einem möglichst guten Wirkungsgrad zu versorgen, wird man zunächst an einen getakteten LED-Treiber denken.
Abgesehen davon, dass der Aufwand und Platzbedarf dafür einiges größer ist, wird der durchschnittliche Wirkungsgrad über die Lebensdauer der Batterien (oder Akkus) nach meinen Abschätzungen unter den gegebenen Bedingungen aber kaum größer sein (wenn überhaupt), als mit einem guten linearen LED-Treiber (wie dem MIC4802).
Der getaktete LED-Treiber hat einen kleinen Vorteil bei neuen Batterien bzw. vollen Akkus. Da die Batterie/Akku-Spannung unter Last anfangs aber relativ schnell fällt, schwindet auch dieser Vorteil schnell. Es ist sogar so, dass der Wirkungsgrad des linearen LED-Treibers mit fallender Batterie/Akku-Spannung größer wird und nahezu gegen 100% geht.
Eine ausführliche Untersuchung mit dem MIC4802 wurde inzwischen hier anhand eines Li-Ionen-Akkus durchgeführt.
Am Baum
Und so schaut ein etwas anderer (ca. 1,90 m hoher!) Weihnachtsbaum aus, bestückt mit 3x 150 batteriebetriebenen Silberdraht-LEDs:
Man will gar nicht glauben, dass das 450 LEDs sind, die mit jeweils nur 200 µA bestromt werden. Das ist für die gesamte Beleuchtung gerade einmal 1/4 W LED-Licht!
Die Batteriebox nebst MIC4802 ist unter dem Fuß versteckt.
Ausblick
Mit dem MIC4802 kann man noch weitere nette Tricks machen. Dazu aber ein andermal mehr.
[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.
[10] Der LT3083 ist eine 3A-Ausführung für möglichst wenig Dropout-Spannung.
Die 1A-Ausführungen LT3080/-1 würden für die untersuchte LED-Lichterkette mit 300 LEDs ggf. auch ausreichen.
Der hier gezeigte Schaltungsvorschlag entspricht im Prinzip dem Datenblattvorschlag "Low Dropout Voltage LED Driver".
[11] Genau genommen ist die vorgestellte Schaltung eine Stromsenke.
[12] Eine Siebung am SET-Anschluss habe ich noch nicht genauer untersucht.
[13] Inzwischen gibt es viele lineare LED-Treiber mit ähnlichen Eigenschaften von anderen Halbleiterherstellern.
[14] Bestehend aus einem Silberdraht-LED-Strang mit 100 LEDs und einer Batteriebox für 3x Mignon für 2,29€ (ohne Batterien).
Die Qualität der Silberdraht-LEDs und der Batteriebox ist durchaus akzeptabel, die Lötstellen zwischen LEDs, Verbindungskabel und am Schalter sind teilweise aber sehr schlecht.
Hinweis: Batterieboxen mit 4x Mignon (6V) sind für den MIC4802 wegen zu hoher Spannung ungeeignet (sofern man nicht weitere Vorkehrungen unternimmt).
[15] Vom 2,66V-Mittelwert war die Abweichung maximal 5 mV.
[16] Bei den 6 gleichen Ausgängen der MIC4811/12 gibt es offensichtlich 11 verschiedene Stromkombinationen (mathematisch "Partitionen"), wovon die 3 "Partitionen" 1-1-1-1-1-1, 2-1-1-1-1 und 3-1-1-1 mit MIC4801/02 nicht abgedeckt werden können.
[17] Für ein gutes Poti-Dimmen wäre der Aufwand kaum größer, benötigt aber natürlich auch entsprechenden Platz.
[18] Der kleine Peak der LED-Spannung ganz am Anfang des Diagramms liegt an der Erwärmung der LED von Zimmertemperatur auf etwas über 50°C, wodurch die LED-Spannung innerhalb kurzer Zeit abnimmt, ab diesem Zeitpunkt aber konstant bleibt.