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Leuchtdioden (kurz: LEDs) werden zunehmend auch für Beleuchtungszwecke eingesetzt. Im Gegensatz zu Glühlampen werden LEDs nicht an einer konstanten Spannung sondern mit einem konstanten Strom betrieben, was ein entsprechendes Vorschaltgerät in Form einer Konstantstromquelle erfordert.
Im folgenden wird eine LED-Konstantstromquelle beschrieben, die aufgrund des verwendeten Schaltreglerprinzips gerade bei Hochleistungs-LEDs besonders effizient ist. Die Stromquelle arbeitet als Abwärtswandler. Deshalb muß die Speisespannung größer sein als die Flußspannung der Diode(n).
Die Konstantstromquelle besteht im wesentlichen aus einem Abwärtswandler, dessen Strom durch einen Zweipunktregler geregelt wird. Die Regelgröße ist der Strom durch den Widerstand R3. Dieser Strom ist nahezu gleich dem Strom durch die Leuchtdiode(n), die an die Anschlüsse LED+ und LED- angeschlossen werden.
Wird der Transistor T6 eingeschaltet, so fließt ein Strom durch R3, die LEDs, die Spule L1 und den Transistor T6. Der Strom steigt stetig, und es wird immer mehr magnetische Energie in der Spule L1 gespeichert. Wird der Transistor T6 abgeschaltet, so fließt ein Strom durch R3, die LEDs, die Spule L1 und die Diode D5. Der Strom fällt stetig, und die magnetische Energie in der Spule L1 sinkt. Das Schaltsignal für den Transistor T6 wird durch einen Zweipunktregler bestimmt.
Die Spannung über dem Widerstand R3 wird durch den Doppeltransistor T1/T2 verstärkt. Steigt der Strom durch R3, so steigt auch die Spannung an R1. Ab einer bestimmten Stromstärke sperrt der Transistor T3, wodurch die Spannung an dessen Kollektor auf 0 V fällt. Diese Spannung wird über den Widerstand R4 auf den Doppeltransistor T1/T2 mitgekoppelt. Dadurch ergibt sich eine Hysterese und folglich eine Zweipunktregelung. Die Spannung am Kollektor von T3 wird durch den Spannungsteiler R5/R6 halbiert und steht durch die Gegentakt-Endstufe T4/T5 niederohmig am Gate des MOSFET T6 an. Der Kondensator C2 beschleunigt das Umschalten des Zweipunktreglers. Durch das schnelle Umschalten und die niederohmige Ansteuerung treten am Transistor T6 nur geringe Schaltverluste auf.
Der Strom durch die LEDs ergibt sich näherungsweise zu 17 mV / R3. Für die konkrete Schaltung oben also 17 mV / 25 mOhm = 680 mA. Im Shunt-Widerstand R3 werden nur 17 mV * 680 mA = 12 mW Leistung in Wärme umgesetzt. Die Speisespannung sollte mit den oben gezeigten Bauteilen 30 V~ nicht überschreiten.
Die Konstantstromquelle kann mit LTspice IV simuliert werden. Dazu steht eine entsprechende Simulationsdatei zum Download bereit. Das Modell für den eingesetzten MOSFET IRFZ24N kann von der IRF-Website heruntergeladen werden. Die folgende Grafik zeigt den Verlauf der Spannung an C1 und den Strom durch fünf in Reihe geschaltete LEDs.
Beim Aufbau der Schaltung ist auf niederohmige Führung der am stärksten belasteten Leitungen zu achten. Der Shunt-Widerstand R3 kann z.B. als ein ca. 4 cm langes Kupferdrahtstück mit 0,2 mm Durchmesser ausgeführt werden. Die Emitter des Doppeltransistors T1/T2 sollten möglichst durch separate Leitungen mit den Enden dieses Drahtstücks verbunden werden (Stichworte: Vierleitermessung, Kelvin-Leitung).
Der Wert der Spule L1 ist nicht kritisch. Wird die Induktivität verringert, erhöht sich die Schaltfrequenz. Wichtig ist, daß die Spule zur Energiespeicherung geeignet ist (sog. Speicherdrossel) und mindestens mit dem LED-Strom belastbar ist. Gerät die Spule aufgrund zu geringer Strombelastbarkeit in Sättigung, können die LEDs oder der MOSFET T6 beschädigt werden. Man kann die Spule L1 auch selbst wickeln. Für einen LED-Strom bis 700 mA eignet sich ein Eisenpulver-Ringkern T68-26, auf den ca. 200 Windungen Kupferlackdraht mit 0,4 mm Durchmesser straff gewickelt werden. Der Kupferlackdraht ist dabei ca. 5 m lang. Die Leerlaufinduktivität liegt bei etwa 1,6 mH.
Durch die geringen Schaltverluste kommt der Transistor T6 ohne Kühlkörper aus. Der Spannungsteiler R5/R6 ist in Abhängigkeit von der Speisespannung so zu dimensionieren, daß T6 sicher durchschaltet, dessen maximal zulässige Gate-Spannung aber nicht überschritten wird.
Ein Leiterplatten-Layout liegt im EAGLE-Format vor: Schaltplan und Layout.
Der Doppeltransistor T1/T2 kann durch zwei Einzeltransistoren ersetzt werden. Durch die schlechtere thermische Kopplung zwischen beiden Transistoren kann der Strom durch die LEDs aber stark driften. Weiterhin kann der Kondensator C3 entfallen. Dadurch steigt die Stromwelligkeit der LEDs an. Schließlich kann man die Gegentaktendstufe T4/T5 und R7 einsparen und das Gate von T6 direkt mit dem Spannungsteiler R5/R6 verbinden. Dadurch steigen die Umschaltverluste im MOSFET T6. Die Widerstände R5 und R6 sollten auf ca. 1 kOhm verringert werden und der MOSFET einen Kühlkörper spendiert bekommen.
Ein anderer diskreter LED-Treiber wird in AN10739 von NXP beschreiben.
Integrierte Schaltkreise mit ähnlicher Funktion:
Anregungen für die Konstantstromquelle entnahm ich den Websites von Eberhard Haug und Stepan Novotill.
Zuletzt bearbeitet am 26. Juni 2011.