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Der kurze Weg geht hier entlang:
Einfacher linearer LED-Treiber mit LM317T (geregelte Stromquelle) (1.1.2004)
dto. bei kleinerem LED-Strom (6.4.2005)
Flexibler LED-Treiber für kleine LED-Ströme mit MIC5233 (1.11.2007)
Zwei Mini-LED-Treiber mit Komplementär-Transistor-Paar (26.12.2007)
LED-Treiber mit LED-Masse-Bezug (mit MIC5209) (2.12.2007)
Spannungsquelle für niedrigere Versorgungsspannung (mit LM317T) (2.1.2004)
Poti-Dimmer für 30mA-LEDs (mit LM358-LED-Treiber) (15.1.2004)
Poti-Dimmer und Treiber für Power-LEDs (mit TDA2050) (27.6.2005)
dto. für DMX-Ansteuerung [0...10V] (22.8.2005)
Wichtiger Hinweis bei höheren LED-Strömen (TDA2050) (18.2.2007)
Simple-Treiber für Power-LEDs (mit TDA2050) (25.8.2005)
Eventuell gibt es auch hier etwas Passendes zum linearen LED-Treiben:
Lineare LED-Treiber
Lineare LED-Treiber setzen grundsätzlich eine höhere Versorgungsspannung auf eine niedrige LED-Spannung um bzw. etwas genauer: sie passen den gewünschten LED-Strom an eine höhere Versorgungsspannung als die LED-Flussspannung an.
Das bedeutet zwangsläufig, dass in einem linearen LED-Treiber Leistung verbraten wird, die sich (ungefähr) ergibt aus dem Produkt von LED-Strom und dem Spannungsabfall am LED-Treiber.
Bei kleinen LED-Strömen und kleinen Versorgungsspannungen ist das normalerweise kein Problem und deshalb ist das auch der normale Einsatzbereich für lineare LED-Treiber.
Selbst bei relativ großen Versorgungsspannungen aber kleinen LED-Strömen gibt es auch lineare Lösungen.
Sobald die Verlustleistung aber zu viel wird bzw. ein guter Wirkungsgrad des LED-Treibers benötigt wird (z.B. oft auch bei batteriebetriebenen Schaltungen), kommen nur noch getaktete LED-Treiber in Frage.
Trotz selten optimalem Wirkungsgrad haben die linearen LED-Treiber einen entscheidenden Vorteil:
Lineare LED-Treiber sind ausgesprochen einfach im Aufbau und benötigen normalerweise keine Entstörmaßnahmen.
Hier in dieser Rubrik werden sowohl lineare LED-Treiber mit diskreten Bauteilen als auch integrierte Lösungen vorgestellt.
Zu letzteren gehören Schaltungen mit "normalen" integrierten Spannungsreglern, aber auch solche mit Spezial-ICs.
Den Anfang machen einige sehr einfache lineare 12V-LED-Treiber für 1W-LEDs.
Bei einigen vorgestellten Schaltungen kommt der bewährte und sehr preisgünstige Spannungsregler LM317T (im TO-220-Gehäuse) zum Einsatz, mit dem man leicht die gewünschten 300-350mA für die 1W-LEDs bereitstellen kann - vorausgesetzt man übertreibt es nicht mit der Versorgungsspannung, denn sonst wird es schnell eine recht heiße Angelegenheit!
Einige dieser linearen LED-Treiber sind trotz Spannungsregler-IC geregelte Stromquellen.
Das Prinzip der ersten Schaltung ist ausgesprochen einfach: der 1,25V-Spannungsregler LM317T wird mit einen festen Widerstand von 3,9 Ohm belastet, so dass in diesem Widerstand (je nach Bauteiletoleranzen) ein konstanter Strom von etwa 300-330mA fließt.
Die zu versorgenden LEDs kann man nun in die Zuleitungen (bei +Ub oder bei GND) dieser Schaltung legen und hat nahezu den selben Strom für die LEDs - so einfach ist das!
Falls man (wie hier) ausschließlich auf den LM317T setzt, muss man für diesen etwa 3V Spannungsabfall spendieren, der sich aus den 1,25V am Widerstand R1 und ca. 2V Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang des ICs zusammensetzt.
D.h. dass man dann maximal 2 weiße oder blaue HB-LEDs an 12V betreiben kann. Die Mindestversorgungsspannung beträgt bei dieser Schaltung etwa 10V.
Falls man diese Schaltung im Auto bei 14V betreiben möchte, benötigt man auf jeden Fall einen ausreichenden Kühlkörper!
Zur Not könnte man dann auch 3 der genannten LEDs anschließen, (in Reihe geschaltet) benötigt dann aber immer einen vollen Akku.
Oder man nimmt diesen LED-Treiber realisiert mit einem Audio-IC bzw. gleich einen LDO-LED-Treiber.
Kleinere LED-Ströme (6.4.2005)
Bei kleineren LED-Strömen ist der LM317 natürlich ebenso gut als sehr einfacher linearer LED-Treiber laut obiger Schaltung geeignet, dann auch für höhere Versorgungsspannungen!
Dann kann man eventuell sogar auf das kleinere TO-92-Gehäuse (= LM317L bzw. TL317CLP) umsteigen, das maximal 100mA liefern kann - allerdings nur bei geringerer Verlustleistung im LM317L!
Für die Dimensionierung des strombestimmenden Widerstandes R1 gilt in beiden LM317-Fällen:
R1 = 1,25V/ILED (1)
bzw. der LED-Strom wird bestimmt durch:
ILED = 1,25V/R1 (2)
Bei 20mA-LEDs wären das demnach z.B. 68 Ohm, für ca. 10 mA LED-Strom z.B. 120 Ohm, für (knapp über) 30 mA dagegen 39 Ohm.
Bei diesen kleinen LED-Strömen kann man die Schaltung bis zum Maximum von 37V des LM317 bzw. 35V beim TL317 (gemessen zwischen VI und VO) betreiben, ggf. dennoch eine Kühlung vorsehen!
Je nach Zahl der versorgten in Serie geschalteten LEDs kann die Gesamt-Versorgungsspannung entsprechend höher sein.
Auch hier werden rund 3V "Arbeitsspannung" benötigt, die am LM317L und an R1 abfallen.
Minimum
Der LM317 hat (wie einige andere Linearregler) leider eine weniger schöne Eigenschaft: Zur zuverlässigen Regelung des Ausgangsstroms benötigt er einen Mindestlaststrom, der beim LM317L bis zu 2,5 mA und bei der größeren Ausführung sogar bis zu 10 mA betragen kann.
Das heißt, dass der minimale LED-Strom bei dieser Beschaltung des LM317 dann auch dieser Mindestlaststrom ist. Für kleinere LED-Ströme muss man dann eben andere Linearregler nehmen.
Dimmen des Linear-LED-Treibers
Zwar könnte man zum Dimmen grundsätzlich statt R1 ein Potentiometer verwenden, dessen eingestellter Widerstandswert nach obiger Formel (2) den LED-Strom bestimmt.
Das taugt aber sehr wenig!
Warum? Ganz einfach: Der LED-Strom ist umgekehrt proportional zu R1, womit keineswegs ein gleichmäßiges Dimmen möglich ist, da die LED-Helligkeit in etwa linear zum LED-Strom ist. Außerdem müsste man in Serie zum Poti einen Minimalwiderstand schalten, damit der Maximal-LED-Strom festgelegt ist.
Besser ist dann auf jeden Fall Dimmen mittels PWM.
Leider hat der LM317 kein Enable-Pin, über das man für diesen Zweck die Stromquelle per PWM takten könnte. Stattdessen legt man deshalb in Serie zum LED-Treiber einfach einen geeigneten MOSFET in die GND-Leitung. Und nun kann man das Gate des MOSFETs mit dem PWM-Signal (aktiv HIGH) ansteuern.
Wie es direkt geht, zeigt diese Schaltung insbesondere für kleine LED-Ströme oder auch diese Schaltung, bei der die LEDs sogar mit Masse verbunden sind.
Falls man dennoch lieber ohne PWM per Poti dimmen möchte, kann man bei kleineren LED-Strömen z.B. zu dieser Schaltung für max. 30mA oder zu jener Schaltung für Power-LEDs weiter unten greifen.
Flexibler LED-Treiber mit MIC5233 für kleine LED-Ströme (1.11.2007)
Damit die kleinen LEDs nicht zu kurz kommen, hier ein Beitrag, der unter anderem auch bei den Modellbauern Gefallen finden könnte.
Deshalb wird hier für den LED-Treiber ein MIC5233 im sehr kleinen SOT-23-5-Gehäuse verwendet. Mit etwas Fingerspitzengefühl lässt sich dieses aber durchaus noch mit üblichem Werkzeug verarbeiten.
Im Unterschied zum LM317-basierenden Vorschlag sind die LEDs hier weder in der positiven noch in der negativen Zuleitung des LED-Treibers, sondern zwischen Regler-Ausgang (OUT) und Stromfühlerwiderstand R1 angebracht.
Das hat besonders bei kleinen LED-Strömen den Vorteil, dass die Eigenstromaufnahme des LED-Treibers nicht zusätzlich über die LEDs fließt. Somit sind mit dem MIC5233 auch LED-Ströme von <1mA überhaupt kein Problem.
Das liegt außerdem noch daran, dass der verwendete MIC5233 keinen Mindestausgangsstrom benötigt, um zuverlässig zu regeln.
Der MIC5233 kann aber noch mit einigen weiteren Eigenschaften punkten (Datenblatt siehe hier):
- Weiter Eingangsspannungsbereich von 2,3V bis 36V
- Sehr geringe Drop-Spannung von <100mV bei <5mA
- Enable-Funktion (auch zum PWM-Dimmen geeignet)
- Geringer Ruhestrom wenn deaktiviert (<35µA)
- Keramik-Kondensator für C1 am Ausgang zulässig
- Kein Reverse-Strom vom Ausgang zum Eingang
Dieser LDO lässt kurzzeitig relativ hohe Spannungsspitzen zu (auch negative), wie sie im KFZ-Bereich auftreten können. Aus diesem Grund wird er in solchen Applikationen gern zur Standby-Versorgung eingesetzt.
Verlustleistung
Eines hat der MIC5233 allerdings mit allen Linear-Reglern gemeinsam:
Die elektrische Verluste im Baustein dürfen nicht zu groß sein und müssen sich entweder über die umgebene Luft oder die Platine abführen lassen.
Immerhin ist er bis 125°C Chip-Temperatur spezifiziert, so dass man anhand des thermischen Übergangswiderstandes von 235°C/W bei bekannter Umgebungstemperatur die maximal zulässige Verlustleitung bestimmen kann.
Falls der Temperaturunterschied z.B. 50°C betragen darf, sollte die Verlustleistung im Baustein nicht mehr als ca. 0,2W betragen.
Wie bereits im Schaltplan angegeben, berechnet sich die Verlustleistung in IC1 zu:
PLDO = (UB - ULED - 1,24V) * ILED < 0,2W
In Worten:
Die Verluste im IC - gleich dem Spannungsabfall über dem IC multipliziert mit dem LED-Strom - müssen kleiner als 0,2 Watt bleiben.
Genau genommen muss man die durch den Strom in der GND-Leitung erzeugten Eigenverluste auch noch berücksichtigen:
Peigen = UB * IGND
Wobei IGND < ILED/100 ist und man diesen Anteil deshalb bei kleinen LED-Strömen vernachlässigen kann.
Minimale Versorgungsspannung
Obwohl der vorgestellte LED-Treiber einen LDO verwendet, ist er noch lange kein LDO-Treiber, den außer der kleinen Drop-Spannung kommt noch die Referenz-Spannung von 1,24V (die am Stromfühlerwiderstand abfällt) in Serie zu den LEDs.
D.h. die minimale Versorgungsspannung beträgt:
UB_min ≥ ULED + 1,7V
Bei LED-Strömen <5mA sind es sogar noch ca. 350mV weniger.
Die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren C1 und C2 sollte größer als die maximal auftretende Versorgungsspannung sein.
LED-Strom von 100mA bis <1mA
Wie man den LED-Strom ganz einfach (und sehr genau) festlegt, ist bereits im Schaltplan angegeben:
ILED = UREF/R1
UREF ist mit ±2% im Vergleich zum LM317L übrigens doppelt so genau. Bei Zimmertemperatur sind es sogar ±1%.
Wenn man mit den gängigen Widerstandswerten nicht genau hinkommt, nimmt man einen größeren Wert und schaltet einen weiteren (passend dimensionierten) Widerstand dazu parallel. Wie man das macht, sind Grundlagen der Elektrotechnik und die wollen wir hier nicht wiederholen.
Der Enable-Eingang EN des MIC5233 kann unterschiedlich zum Ein- und Ausschalten, aber auch zum PWM-Dimmen verwendet werden:
- Man benötigt ihn gar nicht. Dann verbindet man EN direkt oder über einen Widerstand R2 mit der Versorgungsspannung UB.
- Man deaktiviert den LED-Treiber mit einem Kontakt nach Masse. Dann benötigt man den Pull-Up-Widerstand R2 nach Ub, dessen Größe an die Höhe von Ub angepasst werden sollte, um unnötigen Strom durch R2 zu vermeiden.
- Man steuert den Eingang EN direkt mit einem TTL- oder CMOS-Push/Pull-Logik-Signal an. Dann muss R2 entfallen.
- Man steuert den Eingang EN direkt mit einem Open-Collector- oder Open-Drain-Signal an. Dann wird R2 nicht mit Ub, sondern mit der Versorgungsspannung der Logik verbunden.
Maximale Ausgangsspannung (6.12.2008)
Reichlich versteckt findet man im Datenblatt des MIC5233 den Hinweis, dass die maximale Ausgangsspannung bei der einstellbaren Version 20V beträgt.
Das würde bedeuten, dass man mit obigem Vorschlag maximal 5 weiße oder blaue LEDs versorgen kann, bei anderen Farben entsprechend mehr.
Maximalzahl der zu treibenden LEDs (bei jeweils einheitlicher LED-Farbe):
Nmax = INT{(20V - 1,24V)/ULED} = INT(18,76V/ULED)
Lust auf mehr LED-Strom - wenn es sein muss bis 7,5A
Bei Gelegenheit folgen Schaltungen mit nahezu denselben Eigenschaften, allerdings ausgelegt für deutlich höhere LED-Ströme (1,5A, 3A, 5A und 7,5A), natürlich unter Verwendung anderer LDOs in anderen Gehäusen - und teilweise durchaus auch für KFZ-Anwendungen geeignet.
Zwei Mini-LED-Treiber mit Komplementär-Transistor-Paar
(26.12.2007)
Zur Weihnachtszeit wird wieder an den Modellbahnen gebastelt und nach möglichst kleinen LED-Treibern zum Einbau in Loks und Waggons gesucht. Deshalb hier zwei weitere LED-Treiber für kleine LED-Ströme im Miniformat.
Wenn auch nicht ganz so perfekt wie obiger LED-Treiber dem MIC5233, so sind die beiden folgenden Vorschläge mit einem einzigen Komplementär-Transistor-Paar aber ebenso kompakt.
Als LED-treibende Kraft kommt hier entweder ein BC817DPN im SOT-457/SC-74 (ca. 3mm x 3mm) zum Einsatz oder ein BC847BPN bzw. BC847BVN im SOT-363/SC-88 bzw. im SOT-666 (jeweils ca. 2mm x 2mm).
Diese Transistor-Paare sind von NXP (ehemals Philips).
Bei On-Semi gibt es die kleinere Ausführung unter der Typenbezeichnung BC847BPDW1.
(2.1.2008)
WICHTIG: Darauf achten, dass es die NPN/PNP-Dual-Transistoren sind, denn es gibt auch BC817 und BC847 als Einzel-NPN-Transistoren!
ACHTUNG: Bei On-Semi gibt es sogar noch einen BC847BDW.
Das ist zwar auch ein Dual-Transistor, jedoch 2x NPN!
Also beim Bestellen der Transistoren sehr genau hinsehen!
Mini-LED-Treiber für zwei rote LEDs
Hier zunächst die Schlusslichtversion mit zwei roten LEDs:
* C1 siehe Text.
Diese und die folgende Schaltung ist angelehnt an den LDO-LED-Treiber mit Optokoppler, wobei nun jeweils eine LED als Referenz-Spannung für die Stromquelle der anderen LED verwendet wird.
Deshalb benötigt man im einfachsten Fall außer den LEDs und dem winzigen Komplementär-Transistorpaar T1 nur noch die beiden strombestimmenden Widerstände R1 und R2.
Je nach Versorgungsspannung kann man noch einen Siebkondensator C1 vorsehen (100nF bis 10µF bei einer Analog-Bahn und vorgeschaltetem Brückengleichrichter) oder auch nicht (für schnelles Ein-/Ausschalten bei einer Digital-Bahn mittels Decoder).
Ein und Aus
Bei Bedarf kann man den Pull-Up-Widerstand R3 vorsehen, der gleichzeitig als Starterwiderstand[1] dient, falls der Mini-LED-Treiber dauernd an der Versorgungsspannung angeschlossen ist und per T2 ein- und ausgeschaltet oder per PWM gedimmt werden soll.
Wird der Mini-LED-Treiber durch Anlegen der Versorgungsspannung ein- und ausgeschaltet, kann man im Normalfall auf den Starterwiderstand R3 verzichten und bekommt so (besonders bei Verzicht auf C1 beim Einsatz in einer Digital-Bahn) einen extrem kleinen LED-Treiber!
Dann ist es auch egal, ob man den Mini-LED-Treiber am positiven Versorgungsanschluss schaltet oder am negativen (GND), wie es z.B. bei Open-Drain/Open-Collector-Ausgängen von Digital-Decodern der Fall wäre.
Mini-LED-Strom nach Bedarf
In obiger Schaltung ist der LED-Strom gemäß den im Schaltplan angegebenen Formeln für 1mA dimensioniert. Er ändert sich in meinem Testaufbau mit zwei diskreten Transistoren über den gesamten Versorgungsspannungsbereich von 3V bis 45V um weniger als 10µA!
Die Mindestversorgungsspannung des Mini-LED-Treibers liegt etwas unterhalb der doppelten LED-Flussspannung der einzelnen LEDs, da die Kollektor-Emitter-Spannung der beiden Transistoren kleiner sein kann als die Basis-Emitter-Spannung (typ. 0,6V) und trotzdem die LED-Stromregelung bereits sauber einsetzt (bei meinem Testaufbau bereits ab 2,6V Versorgungsspannung bei 1mA LED-Strom und 1,6V LED-Flussspannung).
Mini-LED-Treiber für drei weiße LEDs
Falls man drei LEDs treiben möchte, wird die Schaltung unsymmetrisch und die Mindestversorgungsspannung entsprechend größer.
Hier ein Vorschlag für drei weiße LEDs mit jeweils 1mA LED-Strom:
Die Mindestversorgungsspannung liegt bei drei LEDs nun knapp unterhalb der Summe der drei LED-Flussspannungen, was vor allem bei weißen LEDs einiges höher ist als bei den beiden roten Schlusslicht-LEDs, aber bei Modellbahneinsatz noch ausreichen dürfte.
Die tatsächlichen LED-Ströme können je nach LED-Hersteller und LED-Type (und Farbe!) minimal abweichen, dennoch sind sie über den zulässigen Versorgungsspannungsbereich konstant.
Natürlich kann man auch unterschiedliche Farben mischen und die LED-Ströme ILED1 und ILED2 in den beiden Strompfaden können durchaus unterschiedlich groß sein. Die Dimensionierung erfolgt gemäß den im Schaltplan angegebenen Formeln.
Verlustleistung
Aufgrund des kleinen LED-Stroms von wenigen mA muss man sich über die Verlustwärme in T1 wenig Gedanken machen.
Erst wenn man in die Größenordnung von 5mA LED-Strom kommt (also 10mA pro Transistor-Paar) und die Schaltung an über 30V betrieben wird, heißt es aufzupassen.
Zur Sicherheit kann man nachrechnen (gilt mit ULED3 = 0V auch für die erste Schaltungsvariante):
PT1 = (UBAT - ULED1 - ULED2 - ULED3 + 0,6V) * (ILED1 + ILED2)
Beim BC817DPN sollte die Verlustleistung <600mW sein und beim BC847BPN bzw. BC847BVN <300mW, wobei die beiden Kollektor-Pins dann jeweils eine Platinenkupferfläche von wenigstens 1cm² haben sollen, damit die erzeugte Wärme abgeführt werden kann (siehe Hinweise im Datenblatt).
Im Falle zweier roter LEDs und 45V Versorgungsspannung käme man bei 1mA LED-Strom nur auf 85mW, also keine Gefahr für das Transistorpaar. Und die Kühlfläche bzw. die Platine darf entsprechend kleiner ausfallen.
ACHTUNG:
Auch bei dieser Schaltung beim Bestellen des Dual-Transistors wiederum auf die korrekte Bauteilbezeichnung (siehe obige Hinweise bzw. im Schaltplan) achten, dass man nicht versehentlich BC817/BC847-NPN-Einzeltransistoren oder ein BC847-NPN-Paar bekommt!
Natürlich gingen schaltungstechnisch auch Einzeltransistoren (1x NPN, 1x PNP), allerdings ist der Platzvorteil dann dahin.
LED-Treiber mit LED-Masse-Bezug (2.12.2007)
Für manche Anwendungen (u.a. RGB-LEDs mit gemeinsamer Kathode) wünscht man sich eine an Masse angeschlossene LED.
Zwar erlaubt der "ganz einfache" LED-Treiber mit dem LM317T ebenfalls Masse-Bezug, indem man die LEDs statt in den positiven Versorgungszweig in den Massezweig legt, aber es fehlt bei obigen LM317-Vorschlägen ein wichtiges Detail, nämlich die Enable-Funktion, die nicht nur zum Ein- und Ausschalten praktisch, sondern zum PWM-Dimmen zwingend nötig ist, wenn man auf einen zusätzlichen Schalttransistor verzichten will.
Der folgende Vorschlag nützt eine etwas ungewöhnliche Eigenschaft einer ganzen Familie von Micrel-LDOs aus, deren interne Referenzspannung vom Ausgang versorgt (sonst vom Eingang) und auf das Ausgangs-Pin bezogen ist (sonst auf Masse bezogen).
Hierzu gehören folgende Bausteine (nur einstellbare Ausführungen kommen für einen LED-Treiber in Frage):
Die angegebene Drop-Spannung ist jeweils ein typischer Wert bei 25°C Chip-Temperatur (intern) und maximalem Ausgangsstrom.
Bei geringerem Ausgangsstrom ist die Drop-Spannung entsprechend geringer (siehe Angaben im jeweiligen Datenblatt).
Der Wert in Klammer ist der garantierte Maximalwert bei 125°C Chip-Temperatur, der also bei den zulässigen Betriebsbedingungen keinesfalls überschritten wird.
Hinweis:
Die Pin-Belegung bei den SOP-8- und MSOP-8-Gehäusen ist nicht bei allen Bausteinen dieselbe, also das jeweilige Datenblatt studieren!
Noch ein Hinweis (20.6.2016):
Falls die oben aufgeführten LDOs[8] nicht (wie in nachfolgender Schaltung gezeigt) als LED-Treiber, sondern als einstellbarer Spannungsregler verwendet werden, ist zu beachten, dass die beiden Widerstände am ADJ-Pin in der Berechnungsformel gegenüber "normalen" einstellbaren Spannungsreglern vertauscht sind (siehe Formel in den jeweiligen Datenblättern).
Das liegt an der bereits erwähnten etwas "speziellen" Versorgung der internen Spannungsreferenz durch den Ausgang und relativ zum Ausgang:
Dadurch bedingt muss auch die Ausgangsspannung immer um einige 100mV über der Referenzspannung von 1,24V liegen (nämlich am Ausgang wenigstens 1,8V, besser 2,5V für den vollen Temperaturbereich), da diese sonst nicht versorgt werden kann!
Mit anderen Worten: Bei den oben aufgeführten einstellbaren LDOs lässt sich als Ausgangsspannung keinesfalls die Referenzspannung erzeugen (z.B. durch Verbinden von ADJ mit GND).
Es stellt sich in diesem (nicht sinnvollen) Sonderfall am Ausgang automatisch genau jene Spannung ein, die mindestens nötig ist, um die Referenzspannung zu erzeugen.
Deshalb ist der Kurzschlussstrom (LEDs kurzgeschlossen) bei der LED-Treiber-Schaltung auch etwas größer als U_ref/R1.
MIC5209-LED-Treiber für bis zu 500mA LED-Strom
(2.12.2007)
Nun aber zu einer LED-Treiber-Schaltung mit dem MIC5209YU (im TO-263-5), der den größten Spielraum bezüglich LED-Strom und maximal zulässiger Verlustleistung bietet (hierzu unten stehende Hinweise beachten).
Gehäusevielfalt
Mit dem MIC5209YM im SOP-8 lässt sich ein besonders preisgünstiger LED-Treiber für 1W-LEDs (max. 350mA) realisieren, jedoch muss man die tatsächliche Verlustleistung nach den angegebenen Formeln überprüfen. Mehr als 0,5W würde ich im SOP-8 nicht verbraten wollen.
Das TO-263-5 des MIC5209YU dagegen kann bei guter Wärmeabfuhr locker 1,5W und das nur 3mmx3mm große MLF-8 des MIC5209ML bei gutem Platinen-Layout (mit einigen Vias beim Thermal-Pad) vielleicht noch etwa 1W wegstecken.
Das SOT-23-5 der MIC5205YM5, MIC5207YM5 und MIC5219YM5 ist etwa so groß wie das MLF-8, aber im Unterschied zum MLF-8 mit Hobby-Mitteln noch "gerade so" zu verarbeiten. Allerdings kann es bei Weitem nicht die Verlustleistung des MLF-8 abführen, denn über 0,2W kann man sich schon die Finger verbrennen. Hier ist also besondere Sorgfalt bezüglich LDO-Verlusten angebracht.
Das SOT-23-5-Gehäuse bietet sich z.B. an, wenn man möglichst kleine LED-Treiber für 20mA-RGB-LEDs mit gemeinsamer Kathode machen will (dann aber natürlich nur eine RGB-LED pro LED-Treiber, denn Serienschaltung geht bei gemeinsamen LED-Anschlüssen nicht).
Wenn es mit den Verlusten beim SOT-23-5 eng wird, kann man auch auf das kaum größere MSOP-8 des MIC5206YMM bzw. MIC5219YMM umsteigen oder eines der anderen größeren Gehäuse nehmen.
Enable-Funktion und PWM-Dimmen
Die aufgeführten MIC52xx-Bausteine haben alle ein Enable-Pin EN, das vielfältig angesteuert werden kann, wie bereits beim MIC5233 ausführlich beschrieben ist.
Da der Ausgangskondensator C1 (dieser darf keine keramische Ausführung sein, Tantal und Aluminium-Elko sind OK!) nur 2,2µF beträgt, gibt es überhaupt keine Probleme beim PWM-Dimmen.
Im Gegenteil: Aufgrund des möglichen hohen Ausgangsstroms des MIC5209 (Strombegrenzung bei typ. 700mA) wird der eingestellte LED-Maximalstrom bei ausreichend Drop-Spannung schnell erreicht und dieser geht beim Abschalten auch fast so schnell wieder gegen Null.
Falls das sehr hochohmige Enable-Pin versehendlich offengelassen wird, ist der Ausgang deaktiviert.
Bei Ansteuerung durch einen CMOS-Push/Pull-Ausgang (µC etc.) wird R2 nicht bestückt. Der LOW-Zustand muss ausreichend niedrig sein (ggf. einen Pull-Down-Widerstand vorsehen).
Praktische Versuche
Obige Schaltung wurde mit dem MIC5209YU im TO-263-5 näher untersucht.
Zum PWM-Dimmen wurde der LM339A-basierende PWM-Dimmer verwendet, und zwar mit PWM-Ausgang aktiv HIGH (siehe dortigen Hinweis "Low und High") und höherer PWM-Frequenz (C1 = 47nF für ca. 330 Hz).
Die minimale Versorgungsspannung lässt sich bei bekannter LED-Gesamtflussspannung wiederum aus der im Schaltplan angegebenen Formel bestimmen:
Ub_min ≥ Uled + 1,75V (bei 350mA bzw. 1W-LEDs)
Unter Worst-Case-Bedingungen (500mA LED-Strom und maximal zulässige Temperatur) liegt die minimale Versorgungsspannung um 1,85V über der LED-Gesamtflussspannung, unter typischen Bedingungen sind es eher nur ca. 1,6V.
Beim Testversuch habe ich je eine 1W-LED von Cree, Lumileds und Osram in Serie geschaltet (siehe Kennlinien).
Der LED-Strom wurde entgegen dem Schaltplan mit R1 = 4x 15 Ohm (parallel geschaltet) auf ca. 330mA eingestellt, wobei eine Drop-Spannung von ca. 0,3V bei einer minimalen Versorgungsspannung von ca. 11,2V gemessen wurde.
Mit 5x 18 Ohm parallel geschaltet, käme man noch etwas näher an die 350mA LED-Strom einer 1W-LED.
Die mit dem MIC5209 erzielbare Genauigkeit ist wie beim MIC5233 mit ±1% bei Zimmertemperatur bzw. mit ±2% unter Worst-Case-Bedingungen ausgesprochen gut.
Verluste im Stromfühlerwiderstand
Zu Recht mag man einwenden, ob man bei höheren LED-Strömen nicht lieber einen LDO-LED-Treiber verwenden sollte, der weniger Verluste im Stromfühlerwiderstand erzeugt.
Wenn man nicht auf eine möglichst geringe Versorgungsspannung und deshalb mit großer Wahrscheinlichkeit auf einen LDO-LED-Treiber angewiesen ist, spielt es keine Rolle, wo die Verluste verbraten werden, die aufgrund der linearen Schaltungen in beiden Fällen in Summe gleich sind.
Es ist sogar eher von Vorteil, wenn man diese Verluste zwischen dem treibenden IC und dem Stromfühlerwiderstand aufteilen kann - wie gesagt, wenn es die Versorgungsspannung zulässt!
Beispiel: Man will drei 1W-LEDs mit 330mA an 12V Versorgungsspannung betreiben.
Bei obiger Schaltung wären gemäß angegebenen Formeln mit R1=3,75 Ohm (4x 15 Ohm parallel) und ULED = 9,75V (3x Golden Dragon) die Verlustleistungen in R1 bzw. im MIC5209:
PR1 = 0,41W
PMIC5209 = 0,41W
Gleichmäßiger kann man die Verluste kaum verteilen! Der Wirkungsgrad ist trotz einfacher linearer Schaltung immerhin ca. 80%.
Für die vier parallel geschalteten 15-Ohm-Widerstände kann man ⅛W-Ausführungen und den MIC5209YM im preisgünstigen SOP-8 nehmen, ohne thermische Probleme befürchten zu müssen.
Mit einem LDO-LED-Treiber wäre der Wirkungsgrad auch nicht besser, aber die Verluste im LDO wären dann unter sonst gleichen Bedingungen wahrscheinlich um die (0,7-0,8)W!
Der MIC5209YM (und der MIC5219YM) im SOP-8 hat vier GND-Pins, über die sich die 0,41W neben der direkten Abgabe vom Gehäuse an die Umgebung auch an die Masse-Fläche abführen lassen.
Kann die Versorgungsspannung aber schwanken (max. 16V), lassen sich drei 1W-LEDs allerdings nur mit dem MIC5209YU im TO-263-5-Gehäuse betreiben.
Praktischerweise ist die große TAB-Lötfahne des TO-263-5 mit GND verbunden, womit sich die entsehende Wärme sehr gut an die normalerweise größer ausgelegte Massefläche abführen lässt (beim LM317T und vielen LDOs in vergleichbaren Gehäusen ist das nicht der Fall).
Kurzschluss und Leerlauf
Falls sich ein Kurzschluss am Ausgang nicht sicher verhindern lässt, steigt die Verlustleistung aufgrund der linearen Stromquelle entsprechend an.
Dieser Sachverhalt ist gegebenenfalls bei der Gehäuseauswahl zu berücksichtigen.
Allerdings wird der LDO bei zu hoher Verlustleistung den Ausgangsstrom aufgrund seines thermischen Schutzes automatisch kontinuierlich reduzieren - heiß wird es dann aber allemal!
Andererseits ist bei einer defekten LED eher eine Unterbrechung als ein Kurzschluss zu erwarten. Dann steigt die Ausgangsspannung nahezu auf die Eingangsspannung, will heißen, dass die Spannungsfestigkeit von C1 entsprechend ausgelegt sein muss.
Einsatz im KFZ
Für KFZ-Anwendungen ist der vorgestellte MIC5209-LED-Treiber bei direktem Betrieb an der Bord-Batterie ohne Schutzmaßnahmen nicht geeignet, da er nur 16V Spannungsfestigkeit hat und deshalb KFZ-übliche transiente Spannungsspitzen nicht wegsteckt!
Hierfür gibt es inzwischen einen LDO-LED-Treiber-Vorschlag. (15.3.2009)
Spannungsquelle für niedrigere Versorgungsspannung (2.1.2004)
Wie wir inzwischen gelernt haben, werden LEDs optimal mit (konstantem) Strom versorgt.
Dennoch kann auch eine Spannungsquelle als LED-Treiber Sinn machen, und zwar wenn der aus der konstanten Spannung gewonnene LED-Strom durch einen Vorwiderstand begrenzt wird und dann zwangsläufig auch mehr oder weniger konstant[2] ist.
Wenn man dann mehrere LEDs parallel mit jeweils einem eigenen Vorwiderstand versorgt, kann die minimale Versorgungsspannung niedriger sein als bei der Stromquellenschaltung, bei der die LEDs normalerweise in Serie geschaltet sind.
Einige Einschränkungen
Der Preis dafür liegt auf der Hand: zusätzliche Verluste in den Vorwiderständen, wegen der Parallelschaltung höherer Strom im Spannungsregler (mehr als 3-4 Luxeon™-LEDs mit 300mA gehen mit dem LM317T nicht), d.h. insgesamt ein noch schlechterer Wirkungsgrad.
Aufgrund der höheren Verluste im Spannungsregler ist auch der Versorgungsspannungsbereich besonders bei 3 oder gar 4 LEDs ziemlich eingeschränkt (mehr LEDs = weniger hohe Eingangsspannung!).
Eine weitere Anmerkung ist bei dieser Spannungsreglerschaltung auch noch zu machen:
Bedingt durch den kleinen Spannungsabfall an den Vorwiderständen R1, R2 und R3 und Bauteiletoleranzen (LED-Kennlinie, LM317T, Widerstände) lassen sich die Widerstandswerte nicht so genau angeben. Die 3,3 Ohm des Schaltbildes sind eher auf der sicheren Seite (ergaben knapp über 300mA LED-Strom bei einem konkreten Aufbau). Ggf. müssen die Werte etwas nach unten korrigiert werden.
Insgesamt kann man also diesen Vorschlag als eher wenig geeignet einstufen und man sollte diese Version wirklich nur bei sehr niedriger Versorgungsspannung und kleinen Spannungsschwankungen verwenden oder gleich über eine getaktete Lösung - bei niedriger Versorgungsspannung z.B. als Step-Up-Wandler - nachdenken.
Und gerade bei den Step-Up-Wandlern kommt es dann aber wieder vor, dass diese über die erzeugte Spannung einzelne LEDs in Parallelschaltung mit Vorwiderstand versorgen - genau wie beim letzten Beispiel! Der Vorteil einer solchen Anordnung ist die geringere LED-Stromwelligkeit im Vergleich zu einer direkten Step-Up-Versorgung von mehreren in Reihe geschalteten LEDs.
Nicht zu vergessen
Eine spezielle Variante der linearen LED-Treiber sind die Lowdrop-LED-Treiber, denen bereits eine extra Rubrik gewidmet wird.
Poti-Dimmer für 30mA-LEDs (15.1.2004)
Wenn man die Helligkeit von LEDs ganz einfach per Potentiometer einstellen will, stößt man zunächst auf unvorhergesehene Probleme:
Die LED-Helligkeit ändert sich entweder wenig, ab einer bestimmten Stelle sehr abrupt oder man bekommt die LEDs nicht restlos dunkel.
Die folgende einfache Schaltung - ausgelegt für ultrahelle 30mA-LEDs beliebiger Farbe - soll Abhilfe schaffen.
Für minimalen Aufwand und dennoch Betrieb über einen schwankenden Versorgungsspannungsbereich von (9...15)V und mehr kommt eine geregelte Stromquelle zum Einsatz und zwar mit dem weit verbreiteten Dual-Operationsverstärker LM358 (gibt es seit vielen Jahren von vielerlei Herstellern), der eine 30mA-LED LED1 (oder ggf. auch mehrere in Reihe) direkt treiben kann (IC1B).
Aufgrund der Stromquelle geht die LED-Flussspannung (bzw. LED-Farbe) der zu treibenden LEDs nicht in die Dimensionierung der Schaltung ein. Allerdings bestimmt sie die maximale Zahl von in Reihe geschalteten LEDs, siehe Tabelle.
Da wir auf LEDs stehen, nehmen wir als Spannungsreferenz statt einer Z-Diode eine rote 2mA-LED (LED2 im Schaltplan; liefert bei 2mA je nach Ausführung ca. 1,6V), die mittels Operationsverstärker IC1A vom Einstellpoti R3 entkoppelt wird. Bei Bedarf dient LED2 auch noch als Statusanzeige - oder sie wird einfach versteckt.
Mit dieser Schaltung erreicht man sehr einfach einen stetig von Null an einstellbaren LED-Strom, der relativ unabhängig[3] von der Versorgungsspannung ist.
Kleine Modifikationen (ergänzt 17.1.2004)
Der genaue Wert von R3 ist unkritisch, da R3 ein (nahezu) unbelasteter Spannungsteiler ist. Allerdings wirkt sich bei deutlich größeren Werten von R3 der Eingangsstrom von IC1B schließlich doch aus und bei kleineren Werten wird die Spannungsversorgung (über IC1A) unnötig höher belastet.
Dem besonders lichtempfindlichen Betrachter wird speziell bei einer klaren 30mA-LED auffallen, dass selbst bei Nullstellung des Potis das LED-Chip unter Umständen einen minimalen Hauch von Leuchten von sich gibt.
Falls dieser Effekt stört, kann man die 30mA-LED(s) nachträglich z.B. einfach mit einem Widerstand von einigen zig kOhm (je nach Offset-Spannung des LM358) überbrücken und - schwups - hat das Restleuchten ein Ende.
Die Wahrscheinlichkeit, dass man diesen Effekt überhaupt sieht, ist 50% (die Offsetspannung kann exemplarabhängig negativ oder positiv sein). Je kleiner die Offset-Spannung ist, um so weniger auffallend ist das Restleuchten. Der pinkompatible LM258 hat eine etwas geringere Offset-Spannung als der LM358 und kann natürlich ebenfalls verwendet werden - mit dementsprechend weniger ausgeprägtem Restleuchten.
Eine andere einfache Variante, diesen Effekt (so gut wie, aber auch nicht immer) zu vermeiden, wäre zwischen dem Anschluss R1/LED1 und dem invertierenden Eingang von IC1B (Pin 6) einen 220kOhm-Widerstand einzufügen. Dieser Trick nützt den Bias-Strom des LM358 aus, der an diesem Widerstand einen Spannungsabfall erzeugt und so den Eingang immer etwas vorspannt.
Der Perfektionist sieht allerdings einen Offset-Abgleich vor, der jedoch mindestens ein Abgleich-Poti (Trimmwiderstand) und ggf. weitere Widerstände benötigt.
Andere LED-Ströme
R1 bestimmt zusammen mit der LED-Referenzspannung den maximalen LED-Strom in LED1:
ILEDmax = Uref/R1
Für Uref = 1,6V und R1= 56 Ohm sind das ca. 29mA.
Mit R1= 82 Ohm könnte man 20mA-LEDs versorgen und mit R1 = 150 Ohm solche für 10mA.
Besonders Experimentierfreudige sehen vor dem Poti R3 noch einen Widerstand vor, mit dem ggf. Feintuning des maximalen LED-Stromes gemacht werden kann.
Beim LM358 beträgt bei 30mA LED-Strom der Spannungsabfall zwischen dem +Ub-Versorgungs-Pin (Vcc; Pin 8) und dem Ausgang von IC1B (Pin 7) etwa 3,5V, wodurch die maximale Zahl von in Reihe angeschlossenen 30mA-LEDs (an Stelle von LED1) in der gezeigten Schaltung begrenzt wird.
Je nach Versorgungsspannung kann man laut Tabelle bis zu drei LEDs in Serienschaltung betreiben (siehe auch LED-Flussspannungen).
Anhand der Formel:
ULEDgesamt = Ubatt - 5,1V
kann man die Zahl der maximal möglichen (in Reihe geschalteten) LEDs laut obiger Tabelle auch selbst bestimmen - oder feststellen, dass die Schaltung z.B. mit einer roten LED sogar schon ab ca. 7V laufen müsste ...
Etwas mehr Spannungsspielraum könnte man noch herauskitzeln, indem man für den maximalen LED-Strom nicht die gesamte Referenzspannung an R1 abfallen lässt, sondern nur einen Teil davon.
Hierzu wäre zwischen Ausgang IC1A und dem Poti R3 nur ein zusätzlicher Widerstand nötig (bereits oben für Experimentierfreudige schon erwähnt), der die maximale Spannung an R3 und damit an R1 bestimmt. Mit einem Widerstand von z.B. 4,7 kOhm wären es statt 1,6V nur noch 0,8V. Man hätte also 0,8V Spielraum "gewonnen".
Höhere Versorgungsspannung
Falls man die vorgeschlagene Schaltung an mehr als 15V Versorgungsspannung betreiben möchte (bis zu 30V sind zulässig!), kann man auch noch mehr LEDs in Reihe betreiben, allerdings muss dann der Vorwiderstand R2 der Referenz-LED neu dimensioniert werden.
Verlustleistung
Außerdem muss (wie bei jedem linearen LED-Treiber) die maximale Verlustleistung des LM358 überprüft werden, die von der jeweiligen Versorgungsspannung und der Zahl (und Farbe) der angeschlossenen LEDs abhängt.
Ganz grob ergibt sich die Verlustleistung in der gezeigten Schaltung bei maximalem Strom zu:
PLM358 = (Ubatt - 1,6V - ULEDgesamt) * 30mA
Die 1,6V entsprechen der LED-Referenzspannung, die beim maximalen Strom an R1 abfällt.
Bei 15V und einer roten LED (diese hat von den 30mA-LEDs die geringste Flussspannung von ca. 1,8V) sind es demnach etwa 0,35 Watt und der LM358 wird dabei (im DIP-Gehäuse) kaum spürbar warm.
Sollten die 30mA nicht reichen, ist mit dem LM358 allerdings das Ende des Möglichen erreicht. Dann hilft evtl. ein L272, der jedoch ein anderes Pinout hat und dessen Spannungsabfall am Ausgang bei dem höheren Strom auch deutlich höher ist (obige Formel für ULEDgesamt gilt also nicht mehr). Außerdem sind maximal nur 28V zulässig.
Die echte Power-Version gibt es inzwischen hier. (27.6.2005)
Indirekt per Poti gedimmt (April 2016)
Falls man bei einer µC-basierenden Applikation per Poti dimmen möchte (aber nicht linear, sondern per PWM), gibt es hier einen einfachen Vorschlag, bei Bedarf sogar mit Luminanz-Korrektur.
Poti-Dimmer und Treiber für Power-LEDs (27.6.2005)
Auf der Suche nach einem geeigneten Leistungsverstärker zum linearen Treiben von Power-LEDs kam mir die Idee, preisgünstige integrierte Audio-Leistungsverstärker näher zu untersuchen.
Bei einigen Ausführungen der TDA2000-Serie von ST sticht an den Eingängen gleich der Ground-Rail-Differenzverstärker ins Auge, wie er für Stromfühlung nahe der negativen Versorgung (hier GND) benötigt wird.
Den in der folgenden Schaltung verwendeten TDA2050 habe ich schließlich deshalb ausgewählt, da er bei wenig Spannungsabfall im positiven Ausgangspfad (um einem LDO-Treiber möglichst nahe zu kommen) ausreichend LED-Strom für Power-LEDs liefern kann, einen großen Versorgungsspannungsbereich hat und außerdem sehr günstig (<€1,00) im Elektronik-Versand erhältlich ist.
Das Prinzip ist dasselbe wie beim obigen einfachen Poti-Dimmer für 30mA-LEDs, nämlich eine spannungsgesteuerte Stromquelle.
Allerdings wurde wegen des weiten Versorgungsspannungsbereichs4 nun ein LM317L (im TO-92-Gehäuse) als 1,25V-Referenzspannung verwendet, die über einen Spannungsteiler R3/R4 auf ca. 114mV heruntergeteilt wird, was dem maximalen Spannungsabfall (bei maximaler LED-Helligkeit) am Stromfühlerwiderstand R1 entspricht.
Kleine Tücken
Bei dieser Gelegenheit sei jedoch gleich darauf hingewiesen, dass dieser sehr verbreitete Linearregler einen Mindestlaststrom von einigen mA benötigt, damit er die gewünschten 1,25V auch sauber regelt.
So habe ich einige LM317L-kompatible KA317LZ untersucht, die im Leerlauf stolze 8V statt der gewünschten 1,25V lieferten! Bei der entsprechenden Minimallast war aber schließlich alles in Ordnung ...
Das ist auch der Grund, warum im Schaltbild der Widerstand R5 parallel zum Poti R4 nebst dessen Vorwiderstand R3 geschaltet ist.
Man hätte eben so gut R3+R4 entsprechend niederohmiger auslegen können, jedoch ist ein 100-Ohm-Poti besser zu beschaffen als ein solches mit einem geringeren Widerstandswert.
Das RC-Glied R2/C1 verhindert Schwingungen am Ausgang des TDA2050.
Im Vergleich zur Audio-Verstärker-Anwendung ist hier sonst keine weitere Beschaltung des TDA2050 nötig, es sei denn, man betreibt diesen Linear-LED-Treiber an einer längeren Versorgungsleitung.
Ruhestrom
Aufgrund des Ruhestromes des TDA2050 von typ. (30...55)mA[5] ist dieser LED-Treiber-Vorschlag nicht unbedingt die erste Wahl bei batteriebetriebenen Anwendungen, bei denen um jedes mA gegeizt werden muss. Bei Betrieb im KFZ (dank 35V auch im LKW) oder an einem Netzteil sollte das aber weniger eine Rolle spielen.
Versorgungsspannung
Je nach Zahl und Art der angeschlossenen LEDs kann die Versorgungsspannung der vorgestellten Schaltung von 4V bis 40V[4] reichen.
Die 40V ergeben sich aus der maximal zulässigen Spannung[4] zwischen Ein- und Ausgang des LM317L.
Der TDA2050 selbst würde sogar bis zu 50V vertragen!
Die minimale Versorgungsspannung sollte bei 350mA LED-Strom ca. 1V über der LED-Gesamtspannung liegen, also z.B. 4V bei einer einzelnen roten 1W-Luxeon™-LED.
Bei einer einzelnen weißen (oder blauen) LED wären es dann schon etwa mindestens (4,5...5)V, bei zwei weißen LEDs entsprechend ca. (8...9)V.
Kühlung muss sein
Das Pentawatt-Gehäuse des TDA2050 steckt bei entsprechendem Kühlkörper eine ganze Menge weg und besitzt auch eine Reihe integrierter Schutzfunktionen. Bezüglich Versorgungsspannung[4] und LED-Strom bzw. Verlustleistung im TDA2050 hat man also einen großen Spielraum - immer ausreichende Kühlung des TDA2050 (und der versorgten LEDs!) vorausgesetzt!
Je größer die Differenz zwischen Versorgungsspannung[4] und LED-Gesamtspannung, um so höher die Verlustleistung im TDA2050, die sich wie folgt berechnet (etwas vereinfacht):
PTDA2050 = (UB - ULED_gesamt) * ILED + UB * Id
Beispiel:
UB = 14V (z.B. im KFZ)
ULED_gesamt = 6,8V (2x 1W-Luxeon™ weiß oder blau)
ILED = 350mA
Id = 50mA (Ruhestrom des TDA2050)
PTDA2050 = (14V - 6,8V) * 0,35A + 14V * 0,05A = 3,2W
Bei dieser Verlustleistung reicht für den TDA2050 ein kleiner Rippen-Kühlkörper (<10K/W). Ein etwas überdimensionierter Kühlkörper schadet natürlich nie.
Hinweis: Der Schraubflansch des TDA2050 ist mit Pin 3 = GND in der Schaltung elektrisch verbunden. An dieser Stelle kann man also normalerweise auf eine elektrische Isolation verzichten.
Die LEDs kühlt man möglichst auf einem eigenen Kühlkörper (auch elektrisch untereinander und vom TDA2050 isoliert!).
Mehr oder weniger LED-Strom
Bei der angegebenen Dimensionierung lässt sich mit dem Poti R4 ein LED-Strom von null bis ca. 350mA einstellen - natürlich unabhängig von der Versorgungsspannung (solange diese wenigstens 1V über der Gesamt-LED-Spannung ist)!
Falls man für R1 keinen Widerstand mit 0,33 Ohm zur Hand hat, kann man auch drei 1-Ohm-Widerstände parallel schalten, die sich bestimmt in jeder gut sortierten Bastelkiste finden ...
Für einen anderen Maximal-LED-Strom ändert man ganz einfach R1 und/oder R3/R4 entsprechend.
Zur Kontrolle berechnet man dann zuerst die an R4 maximal einstellbare Spannung:
Upoti_max = 1,25V * R4/(R3+R4)
Der maximale LED-Strom ergibt sich daraus zu:
ILED_max = Upoti_max/R1 = 1,25V/R1 * R4/(R3+R4)
Allerdings muss man in Kauf nehmen, dass selbst bei genauen Festwiderständen (z.B. mit 2% Toleranz) der maximale LED-Strom stärker streuen kann, da Kohleschicht-Potentiometer üblicherweise nicht so genau sind.
Die Referenzspannung selbst ist auch nur ±4% genau (kann also zwischen 1,2V und 1,3V liegen).
Genauere Drahtwendel-Potis haben den (kleinen) Nachteil, dass die LED-Helligkeit damit nicht wirklich stufenlos sondern nur in kleinen Helligkeitsschritten einstellbar ist. Dafür fühlen sich diese Potis beim Drehen normalerweise richtig solide an.
Wichtiger Hinweis bei größerem LED-Strom (18.2.2007)
Mit den neueren Hochleistungs-LEDs kommt die Lust auf höhere LED-Ströme wie z.B. 700mA oder gar 1A.
Obiger Vorschlag mit dem TDA2050 ist nicht direkt dafür geeignet, indem man R1 "ganz einfach" entsprechend kleiner macht, denn der TDA2050 fängt bei einer solchen Last trotz R2/C1 ziemlich heftig das Schwingen an und der LED-Strom kann schlimmstenfalls bei niedrigem Innenwiderstand der Spannungsversorgung auch zur Zerstörung der LED führen!
Aber mit einer kleinen Änderung klappt es schließlich doch:
Man legt vom Ausgang des TDA2050 (Pin 4) einen "dicken" Elko von 470µF (und entsprechender Spannungsfestigkeit von z.B. 35V) nach Anschluss GND.
Damit beim Abschalten nichts in die Hose geht, schließt man zum Entladen des Elkos noch eine Allerwelts-Diode 1N4001 (oder mit anderer Endziffer) vom Pluspol des Elkos (= Anode der Diode) nach +UB (Kathode der Diode) an.
Mit dieser Elko-Maßnahme kann man eine weiße (oder blaue) LED über den ganzen Spannungsbereich auch bei 1A (mehr habe ich nicht getestet) betreiben. Besonders kritisch ist das Einschalten bei maximalem LED-Strom, weniger das Hochdrehen von Null auf Maximum.
Andere TDAs
Den TDA2050 hielt ich ursprünglich (bei 350mA LED-Strom) für die beste Lösung. Für höhere LED-Ströme werde ich die anderen in Frage kommenden Ausführungen (mit Ground-Rail-Eingängen) nun auch noch untersuchen. Möglicherweise kann man dann auf den "dicken" 470µF-Elko verzichten, muss dann aber ein paar andere Einschränkungen in Kauf nehmen (z.B. größere Offset-Spannung etc., siehe nächsten Absatz).
Restleuchten (27.6.2005)
Mit etwas Glück macht sich die Offset-Spannung des TDA2050 nicht bemerkbar und man kann die LEDs bis auf ganz dunkel dimmen.
Ansonsten bleibt - je nach Offset-Spannung des TDA2050 - noch ein geringes LED-Restleuchten wie beim obigen Poti-Dimmer mit dem LM358.
Wie dort hilft auch hier als Notlösung ggf. ein geeignet dimensionierter Widerstand parallel zu den LEDs, so dass darüber gerade so viel Strom fließen kann, dass an R1 die Offset-Spannung kompensiert wird. Mit etwas mehr Aufwand ließe sich das natürlich auch eleganter lösen.
Falls der LED-Power-Dimmer über eine längere Zuleitung zur Stromversorgung betrieben wird, sollte man noch einen Stütz-Elko 1000µF/63V direkt an den Pins 3 und 5 des TDA2050 anschließen, (siehe auch C3 im Schaltbild der für DMX-Ansteuerung modifizierten Version).
Varianten
Statt das LED-Dimmen wie vorgeschlagen direkt mit einem Poti zu realisieren, könnte man auch mittels PWM dimmen, z.B. wie beim LDO-Treiber mit MOSFET oder per DMX-Steuerspannung.
ACHTUNG: Dort beträgt die Referenz-Spannung 2,5V statt hier dagegen 1,25V!
Der Spannungsteiler müsste also entsprechend angepasst werden oder man nimmt statt dem TL431 eine Referenz-Diode LM385Z-1.2!
Anmerkung
Dem aufmerksamen Leser ist bestimmt aufgefallen, dass obige Schaltung Eigenschaften des TDA2050 ausnützt, die nicht im Datenblatt ausdrücklich spezifiziert sind.
Das ist einerseits der für diese Schaltung zwingend nötige Ground-Rail-Betrieb (der laut dokumentiertem "Innenleben" funktionell auf jeden Fall Sinn macht) und zum anderen ggf. eine (zu) niedrige Versorgungsspannung des TDA2050 von <9V (spezifiziert sind minimal ±4,5V bei symmetrischer Versorgung).
Wie so oft: Das gute Ergebnis heiligt die Mittel ...
Lowdrop-Ausführung (15.3.2009)
Ab nun gibt es auch einen per Poti dimmbaren Power-LDO-LED-Treiber.
Per Versorgungsspannung dimmen (14.10.2014)
Eine andere Möglichkeit zu "Dimmen", ist per Versorgungsspannung.
Dann kommt man ganz ohne Steuerleitungen aus.
Hier ist ein Beispiel für den LED-basierenden Ersatz eines Halogenbirnchens vorgestellt. Die LED-Helligkeit wird über die Versorgungsspannung eingestellt.
DMX[7]-Ansteuerung für den TDA2050-LED-Treiber (22.8.2005)
Bei DMX-Systemen[7] liegen die analogisierten Lichtsteuersignale (also nach dem DMX-Demultiplexer) normalerweise im Bereich (0...10)V[6].
Damit ist die Ansteuerung einer spannungsgesteuerten Stromquelle wie jene mit dem TDA2050 eine leichte Übung, denn man muss die 10V-Steuerspannung im Falle obigen Beispiels nur auf die ca. 120mV des TDA2050-Treibers herunterteilen.
Statt dem ursprünglichen Dreh-Poti kommt zum Maximum-Abgleich des LED-Stromes (z.B. 350mA bei 10V Analog-Signal) nun ein Trimm-Poti R4 zum Einsatz.
Wenn man eine ganze Reihe solcher meist abgesetzter LED-Treiber mittels DMX[7] ansteuern möchte, sollte man jedem einzelnen LED-Treiber einen Stütz-Elko C3 verpassen (evtl. reicht auch eine etwas kleinere Kapazität).
Damit keine unnötigen Störspannungen zum LED-Treiber gelangen, empfiehlt es sich, die Masse des analogen DMX-Steuersignals (DMX_GND) unbedingt getrennt von der Stromversorgungs-Masse (GND) des LED-Treibers zu führen.
Die Versorgungsspannung +UB des TDA2050-LED-Treibers wählt man nicht allzu sehr über der LED-Summen-Flussspannung (bei 350mA LED-Strom jedoch mindestens immer 1V darüber) und erspart sich so zusätzliche Verluste in IC1 (welche die Stromversorgung zu liefern hat) und einen unnötig großen Kühlkörper an dieser Stelle.
Kleinere Steuerspannung
Falls man nicht ein käufliches DMX[7]-System mit DMX-Demultiplexer (10V-D/A-Wandler) verwendet, sondern seinen eigenen Analog-Ausgang realisiert, müssen es nicht unbedingt die standardmäßigen (0...10)V DMX-Steuerspannung sein.
Im Gegenteil: Man passt die maximale Steuerspannung an die Versorgungsspannung seiner eigenen Schaltung an und kommt dann normalerweise mit einem deutlich kleineren Maximalwert aus, den man wiederum mittels geeignet dimensioniertem R3 auf die ca. 120mV obigen TDA2050-LED-Treibers herunterteilt.
Größerer LED-Strom
Für LED-Ströme über 400mA unbedingt diesen Hinweis beachten.
Verwendet man den linearen DMX[7]-Dimmer/Treiber für RGB-LEDs (Einzel-LEDs oder RGB-Module) zur Farbeinstellung, hat man gegenüber PWM-Dimmung den Vorteil, dass das analog gedimmte Licht foto- und videotauglich ist.
Allerdings wird dieser Vorteil damit erkauft, dass sich die eingestellte Mischfarbe aufgrund des nicht ganz linearen Zusammenhangs von LED-Strom und Helligkeit (ist unterschiedlich je nach LED-Farbe!) mit dem Dimmgrad verändert.
Deshalb werden oft zusätzlich zu roten, grünen und blauen LEDs auch noch weiße genommen - oder man dimmt mittels PWM ...
Simple-Treiber für Power-LEDs mit TDA2050 (25.8.2005)
(ohne Dimmung)
Zugegeben, der einfache lineare LED-Treiber mit dem TDA2050 hat es mir schon etwas angetan. Immerhin ist der Operationsverstärker für die Stromregelung und der Leistungstransistor in einem einzigen kompakten Gehäuse, das man auch noch ganz schön heizen kann.
All jene, die nicht dimmen wollen (müssen), wo ein linearer LED-Treiber akzeptierbar und der Wirkungsgrad nicht das letzte Maß aller Dinge ist, sollten sich den folgenden Vorschlag anschauen.
Verluste
Leider hat der TDA2050 einen relativ hohen Ruhestrom[5], sonst wäre das auch noch fast der ideale Einfachtreiber für Taschenlampen und andere batterie/akkubefeuerte LED-Leuchten.
Wenn man aus einer 6V-Batterie 1W und mehr für die LEDs liefern muss, sind 160mW (typ.) aufgrund des Ruhestromes für den TDA2050 vielleicht gerade noch akzeptabel. Allerdings werden auch noch 875mW im positiven Ausgangstreiber (die unvermeidlichen linearen Verluste bei 350mA Ausgangsstrom für eine weiße 1W-LED) verbraten. Bei 4,5V sind es jedoch nur noch 120mW (typ.) bzw. 350mW Verluste im TDA2050 selbst.
Die überschlägige Berechnung ist ja weiter oben bereits beschrieben. Der Wert für den Ruhestrom bei einer bestimmten Versorgungsspannung wird aus dem Datenblatt entnommen (Achtung: Dort ist der Wert bei symmetrischer Versorgung angegeben).
Wenn es auf diese Details ankommt und ein besserer Wirkungsgrad benötigt wird, sollte man auf jeden Fall über einen geeigneten getakteten LED-Treiber nachdenken!
Vielleicht ist aber der LDO mit MOSFET auch schon ein guter Kompromiss, denn dessen Ruhestrom (einige mA) ist deutlich geringer und auch der Spannungsspielraum (≥0,5V) ist etwas kleiner - bei Akku- bzw. Batterie-Lampen sicher von Vorteil.
Wie auch immer: Dieser Simple-LED-Treiber kann mit 4 Batterie- oder Akku-Zellen (entsprechende Kapazität vorausgesetzt) eine 1W-LED mit äußerst geringem Aufwand solide mit konstantem Strom versorgen, so dass man immer optimalen LED-Strom hat - egal, ob die Akkus randvoll oder so gut wie leer sind.
Bei einer weißen oder blauen LED klappt das perfekt bis herunter auf 4,5V, bei einer roten sogar bis 4V. Darunter geht der LED-Strom allerdings schnell auf wenige mA zurück, so dass man einen einfachen Indikator für leere Akkus hat.
Die Schaltung
Im Unterschied zum Poti-Dimmer/Treiber für Power-LEDs wird die Referenzspannung nicht mittels Spannungsregler erzeugt, der von der Versorgungsspannung gespeist wird, sondern sie kommt von einer grünen 2mA-LED, die von der relativ konstanten Ausgangsspannung des LED-Treibers (= LED-Flussspannung + Stromfühlerspannung) von ca. 3,5V (im Falle einer einzigen weißen LED) über R3 versorgt wird.
Solange man damit nicht dimmen will, klappt das hervorragend, auch wenn einem kleine Zweifel kommen könnten, ob die ganze Schaltung auch immer zuverlässig anspringt. Diese Zweifel sind völlig unbegründet, da der Ausgang des TDA2050 bei angelegter Versorgungsspannung immer deutlich über GND liegt und so sein nicht invertierender Eingang über den Pfad R3-R4-R5 gegenüber dem invertierenden Eingang (der über R1 and GND liegt) immer positiver vorgespannt ist als die maximale Offsetspannung (15mV).
Durch diesen Versorgungs-Trick macht sich eine stark schwankende Versorgungsspannung an LED2 und damit dem LED-Strom von LED1 kaum bemerkbar und es werden sogar noch ein paar Milliwatt eingespart.
Der Spannungsabfall an der grünen LED2 ist (je nach Hersteller und Type) ca. 1,9V, die mittels R4 und R5 auf ca. 119mV heruntergeteilt werden. Daraus ergibt sich mit R1=0,33 Ohm ein Power-LED-Strom von knapp unter 360mA.
Statt der grünen LED (ist auch gut als Kontrollanzeige geeignet) kann man natürlich auch eine gelbe oder gar eine rote nehmen, muss dann eben die etwas andere LED-Flussspannung beachten und ggf. R4 und R5 entsprechend anpassen, so dass sich über R1 wieder der gewünschte LED-Strom in LED1 ergibt.
Eine blaue oder weiße LED klappt für LED2 bei einer 1W-LED am Ausgang eher nicht so gut, da sie wegen der höheren Flussspannung nicht mehr solide versorgt werden kann.
Statt LED2 lässt sich genau so gut eine Referenz-Diode (LM385Z-1.2) oder ein Shunt-Regler (TL431) nehmen (dann den Vorwiderstand R3 geeignet dimensionieren). Auch hier gilt es wiederum, R4 und R5 entsprechend anzupassen, so dass sich eine Spannung von rund 115mV (für 350mA LED-Strom in LED1) am nicht invertierenden Eingang des TDA2050 ergibt.
Mehr Power-LEDs, höhere Spannung
Falls man am Ausgang mehrere LEDs in Serie schaltet, sieht alles sehr ähnlich aus und die Versorgungsspannung kann (muss) dann natürlich entsprechend höher ausfallen. Die Referenzspannung wird aber bevorzugt immer von der untersten Ausgangs-LED versorgt.
Bei entsprechend vielen Ausgangs-LEDs in Serie kann man die Versorgungsspannung sogar bis an die Grenzen des TDA2050, nämlich bis 50V hochtreiben (obwohl in der Schaltung nur 35V angegeben sind)! Halt immer an die Verluste denken, s.o. ...
Vorsicht bei LED-Unterbrechung
Eine kleine Sache gibt es beim Simple-LED-Treiber zu beachten:
Bei Unterbrechung der Ausgangs-LED(s) liefert IC1 an seinem Ausgang fast die volle Versorgungsspannung, wodurch der (über R3 begrenzte) Strom in LED2 bei höheren Versorgungsspannungen stark ansteigen kann, d.h. Vorsicht beim Experimentieren mit höheren Versorgungsspannungen!
Schwingneigung
Der TDA2050 muss (wie weiter oben schon erwähnt) grundsätzlich an seinem Ausgang das Dämpfungsglied R2/C1 haben, sonst fängt er heftig das Schwingen an, was sich prompt mit zu niedrigem LED-Strom bemerkbar macht!
Bei größeren LED-Strömen (über 400mA) kann sich das Verhalten schlimmstenfalls aber auch ins Gegenteil kehren, deshalb obigen ergänzenden Hinweis beachten.
[1] Normalerweise ist der Starterwiderstand zwischen den beiden Basis- bzw. Kollektoranschlüssen angeschlossen. Bei diese Methode würde aber bei per T2 deaktivierten LEDs immer noch ein kleiner Strom durch die obere LED und den Starterwiderstand fließen und die LED nicht vollständig erlöschen.
[2] Keinesfalls so gut wie bei einer stromgeregelten Schaltung.
[3] Für noch höhere LED-Stromkonstanz könnte man die LED-Referenzdiode ebenfalls mit einer Stromquelle versorgen, die z.B. mittels Stromspiegel witzigerweise wiederum mit der eigenen LED-Referenzspannung gespeist werden könnte.
[4] Mit etwas Vorsicht geht man mit der Versorgungsspannung beim LM317L nur bis max. 37V. Beim TLC317 sind es sogar nur 35V - deshalb im Schaltbild nur max. 35V!
[5] Ein solcher Ruhestrom ist typisch für einen Class-AB-Audio-Verstärker.
[6] Manchmal liegt die analoge DMX-Lichtsteuerspannung auch im Bereich (1...10)V, teilweise bei recht exotischen Spannungen irgendwo in diesem Bereich. Selbst negative Steuerspannungen soll es geben oder es soll sogar vorkommen, dass höhere Steuerspannung weniger Helligkeit bedeutet ...
[7] Beim digitalen DMX-512 ist ein DMX-Demultiplexer nötig, der das digitale DMX-512-Signal in ein analoges von (normalerweise) 0...10V umsetzt.
[8] Nahezu kompatibel zum MIC5209YM gibt es den TL5209DR (beide im SOP-8), der allerdings nur für maximal 6,5V am Ausgang spezifiziert ist, d.h. mit dem TL5209 kann man mit der vorgestellten Schaltung maximal eine weiße (oder blaue) LED treiben.
Auch benötigt der TL5209 im Unterschied zu MIC5209 eine Mindestlast von 1mA.
Andere LDOs mit der beschriebenen "speziellen" Eigenschaft sind mir derzeit nicht bekannt.