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Der kurze Weg geht hier entlang:
Vampirschaltungen (Akku-/Batterie-Betrieb, Step-Up):
BAUSTELLE
Die Vampirschaltungen werden in Kürze in überarbeiteter Form erscheinen.
Vorwort
Getaktete LED-Treiber sind Schaltungen, die LEDs mit dem Prinzip von Schaltnetzteilen ansteuern. Der Grund ist derselbe: ein hoher Wirkungsgrad von 70% bis über 90%.
"Getaktet" heißen die Treiber, weil in irgend einer Form ein Takt eines Oszillators (20 kHz bis über 1 MHz) vorhanden ist, mit dem über elektronische Schalter (meist MOSFETs) die in Spulen oder Kondensatoren aufgebaute Energie mit möglichst wenig Verlusten an die zu treibenden LEDs übertragen und an deren Flussspannung angepasst wird.
Entstörmaßnahmen nötig
Einen wesentlichen Nachteil von getakteten LED-Treibern darf man nicht unerwähnt lassen: Aufgrund der Schaltvorgänge sind Entstörmaßnahmen unumgänglich, vor allem bei größeren LED-Strömen. Insgesamt ist der Aufwand für einen getakteten LED-Treiber also deutlich höher als für einen linearen.
In dieser Rubrik sollen eine ganze Reihe von verschiedenen getakteten LED-Treibern für kleine und große LED-Ströme vorgestellt werden, zunächst Step-Down-Wandler basierend auf Standard-Bausteinen und einige Step-Up-Wandler mit Spezialbausteinen (die es leider nicht im Hobby-Laden gibt).
Weitere Spezialbausteine (Januar 2006)
Darüber hinaus gibt es inzwischen auch eine große Zahl von integrierten Bausteinen, die von den allseits bekannten Power-Management-Halbleiterherstellern speziell zum Treiben von LEDs angeboten werden. Auf deren Websites ist normalerweise ausführliche Dokumentation verfügbar.
Demnächst werden auch hierfür Schaltvorschläge vorgestellt und diskutiert.
LED-Treiber-555 (25.12.2003)
Der inzwischen ziemlich betagte Timer-555 lässt sich bestimmt nie in der Elektronikwelt ausrotten, denn man findet ihn seit einigen Jahrzehnten in wirklich allen erdenklichen Applikationen.
Damit er auch unter den LED-Treibern seinen würdigen Platz findet, habe ich mir speziell hierfür eine ganze Reihe von getakteten Schaltungen für Hochleistungs-LEDs ausgedacht, zunächst zum Kennenlernen die Einfachstversion - im Wesentlichen bestehend nur aus dem Timer-555, einer Standard-Spule, einer Schottky-Diode, drei Widerständen und zwei bipolaren Transistoren (alles Billigst-Bauteile), die aber zwei Luxeon™-LEDs schon kräftig zum Leuchten bringt!
Geht beim ersten Experimentieren das IC kaputt, hat man nicht gleich ein Vermögen in den Sand gesetzt ...
Halbe Kraft voraus
Bei dieser ersten Version treibt der NE555 die LEDs direkt. Deshalb ist unbedingt die bipolare Ausführung nötig, denn nur diese schafft einen Ausgangsspitzenstrom von bis zu 200mA, womit man einen LED-Effektivstrom von ca. 170mA erhält. Das ist zwar nur halbe Kraft für die 1W-Luxeon™-LEDs, aber schon ziemlich volle Kraft für die roten und gelben Megabright-LEDs (von ETG).
Selbstredend muss die Spule mindestens diese 300mA Spitzenstrom verkraften, ohne in Sättigung zu geraten!!
Obwohl man auf den ersten Blick meinen könnte, dass die Schaltung dem ReLED-Treiber sehr gleicht, ist das Prinzip dennoch ein ziemlich anderes.
Der ReLED-Treiber arbeitet mit einer konstanten Taktfrequenz, der LED-Treiber-555 dagegen ist ein selbstschwingender Dreiecks-Oszillator, dessen Frequenz von verschiedenen Parametern abhängt, und zwar außer der Versorgungsspannung und der Spuleninduktivität fast von allen weiteren Bauteilen der Schaltung.
Dennoch ist der LED-Strom über den genannten Versorgungsspannungsbereich trotz der sehr einfachen Schaltung relativ konstant - und darum geht es ja schließlich bei einem LED-Treiber!
Bei 12V beträgt die Taktfrequenz in der gezeigten Schaltung mit zwei LEDs ca. 25-30 kHz.
Der Kondensator C1 ist nicht (wesentlich) frequenzbestimmend, er bügelt nur einige Störspitzen weg.
Die beiden Transistoren T1/T2 stellen einen (etwas ungewöhnlichen) Differenzverstärker dar und sollen gleiche Typen und nahe beieinander montiert sein, damit sie möglichst gleiche Temperatur haben. Deshalb diese auch nicht in der Nähe von stärkeren Wärmequellen platzieren, wie z.B. dem NE555 oder den Luxeon™-LEDs. Verschiedene Temperaturen bei T1/T2 haben eine LED-Stromverschiebung in die eine oder andere Richtung zur Folge.
Leider ist der (interne) Spannungsabfall am Ausgang des NE555 bei Maximalstrom stolze 2V1. Deshalb liegt der Wirkungsgrad der gesamten Schaltung auch "nur" bei etwa 70-80%.
Der NE555 kommt daher in dieser Schaltung ganz schön ins Schwitzen und hat beinahe dieselbe Betriebstemperatur wie die Luxeon™-LEDs!
Falls nur eine LED betrieben werden soll, kann die Induktivität bei sonst gleicher Dimensionierung nur halb so groß sein. Der Wirkungsgrad ist mit einer LED etwas geringer als mit zwei LEDs.
Mit dem LED-Leuchten kommt der Appetit und man kann mit den nachfolgenden verbesserten Schaltungen deutlich nachlegen ...
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LED-Treiber-555 nachgebessert (29.1.2005)
Mit einem kleinen Trick lässt sich aus obiger Schaltung noch etwas mehr LED-Strom herauskitzeln oder der Wirkungsgrad bei gleichem LED-Strom noch etwas erhöhen:
Durch Verbinden des Entlade-Pins DIS mit dem NE555-Ausgang Q kann man den Ausgangsstrom auf diese beiden Pins verteilen!
Die Schaltung schaut dann - ausgelegt für ca. 240mA LED-Strom - wie folgt aus:
Mit dieser Methode ist der interne Spannungsabfall bei 240mA LED-Strom etwa derselbe (nämlich ca. 2V) wie bei 170mA der Originalschaltung.
Die Schaltung funktioniert nicht nur (wie angegeben) von (10...12)V, sondern auch bis 15V, allerdings nur beim niedrigeren Strom von ca. 170mA der ursprünglichen Schaltung. Die Verluste im NE555 wären sonst bei >12V zu groß, d.h. der NE555 würde über Gebühr heiß werden!
Verwendet man statt zwei 1W-Luxeon™-LEDs nur eine (bei sonst gleicher Dimensionierung), lässt sich sogar ein LED-Strom von ca. 270 mA erreichen. Dann wird es bei 12V für den NE555 aber schon eine sehr hitzige Angelegenheit und eine der verschiedenen Versionen mit externem Transistor (PNP, N-Kanal-MOSFET oder P-Kanal-MOSFET) wäre in diesem Fall bestimmt die bessere Wahl.
Auf jeden Fall gilt es die verwendete Spule für den höheren LED-Spitzenstrom auszulegen (wenigstens für 350mA bei obiger Dimensionierung)!
Den gleichen Trick kann man natürlich auch bei der folgenden Version mit externem Leistungs-PNP-Transistor verwenden, um den Basisstrom zwischen DIS und Q aufzuteilen.
Der gewonnene Vorteil an dieser Stelle ist wegen dem deutlich kleineren Basisstrom (statt dem vollen LED-Strom) allerdings nicht mehr so besonders groß.
Bei der N-Kanal-MOSFET-Version erfolgt das Abschalten (speziell bei MOSFETs mit Gate-Eingangskapazitäten > 1nF) noch etwas schneller. Bei der P-Kanal-MOSFET-Version dagegen hilft dieser Trick, den MOSFET schneller einzuschalten.
Transistor-Paar
Bei dieser Gelegenheit sei erwähnt, dass es PNP-Transistor-Paare auch in einem einzigen Gehäuse gibt, was von großem Vorteil für den thermischen Gleichlauf wäre.
Beispiele hierfür sind u.a. BC857BS von Philips (schön klein) und ZDT749 von Zetex (vielleicht etwas überdimensioniert).
PWM-Dimmen ganz einfach
Im obigen Schaltplan (2) ist die Vorbereitung für eine einfache PWM-Dimm-Methode dargestellt: Trennt man R3 von GND, so lässt sich der LED-Treiber deaktivieren2.
Legt man an diesem freigelegten Anschluss (dargestellt als R3*; R3 entfällt dann natürlich) den Open-Kollektor-Ausgang des PWM-Dimmers (aktiv LOW und ohne Pull-Up-Widerstand R5!), so lässt sich unser LED-Treiber-555 (in jeder Version) ganz einfach per PWM dimmen. Bei der Version mit N-Kanal-MOSFET geht es sogar noch einfacher!
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LED-Treiber-555 für höheren LED-Strom (25.12.2003)
Nun wäre es ja ein Jammer, wenn man die Luxeon™-LEDs nicht mit dem maximalen Strom betreiben würde!
Deshalb hat der LED-Treiber-555 am Ausgang noch einen Leistungs-PNP-Transistor verpasst bekommen, der einen deutlich höheren Strom liefern kann und außerdem nur noch etwa 1V Spannungsabfall beschert.
Die gezeigte Schaltung mit PNP-Leistungstransistor ist für ca. 350mA LED-Strom und zwei Luxeon™-LEDs dimensioniert. Der tatsächliche Wert kann je nach gewählten Bauteilen etwas schwanken.
Das heißt auch, dass die Spule nun für etwa 500mA Spitzenstrom ausgelegt sein muss, ohne in Sättigung zu geraten!!
Der Leistungs-Transistor wird dabei nur mäßig warm, der NE555 dafür überhaupt nicht mehr. Jetzt ist diese Schaltung einem linearen LED-Treiber auf jeden Fall überlegen.
Und wenn das immer noch nicht reicht, gibt es weiter verfeinerte Versionen mit N-Kanal-MOSFET und P-Kanal-MOSFET, deren erzielbare Wirkungsgrade wirklich keine Wünsche mehr offen lassen!
Simulation
Die LED-Treiber-555-Schaltungen lassen sich sehr schön mit SwitcherCAD simulieren und damit auch die richtige Dimensionierung für andere LED-Ströme finden.
Für eine Luxeon™-Star/Emitter habe ich bei Speleogroup.org folgendes Spice-Modell gefunden:
.model Luxeon1 D(Is=2.27n Rs=0.25 N=6.79 Cjo=42p Iave=350m mfg=Lumileds type=LED)
Diese Zeile fügt man mit einem Texteditor bei SwitcherCAD in die Dioden-Bibliothek ein (\lib\cmp\standard.dio). Leider muss man diese Prozedur bei jedem Software-Update wieder machen - oder man legt sich eine eigene Bibliothek dafür an ...
Aufwand
Eine berechtige Frage lautet: "Wozu dieser Aufwand für einen getakteten LED-Treiber? Mit einem einfachen LED-Vorwiderstand ist der Wirkungsgrad bei 12V und 2 Luxeon™-LEDs kaum schlechter (nämlich 57%)."
Die Antwort ist einfach:
Mit einem Vorwiderstand ist der LED-Strom sehr viel stärker von der Versorgungsspannung abhängig. Außerdem wäre der Wirkungsgrad bei 14V (voller KFZ-Akku) nur noch 48%, d.h. mehr als die Hälfte der aufgebrachten Energie wird verschwendet!
Bei Spannungsschwankungen sollte man zumindest einen linearen LED-Treiber (bevorzugt mit Stromregelung) verwenden, besonders wenn die Differenz zwischen Versorgungsspannung und LED-Spannung nicht besonders groß ist.
Im Vergleich zum Vorwiderstand ändert sich natürlich am Wirkungsgrad so gut wie nichts - dafür an der Konstanz des LED-Stromes bzw. der LED-Helligkeit!
Ansprüche
Falls man etwas größere Ansprüche an die Reproduzierbarkeit und Stabilität seines LED-Treibers stellt und einen höheren Wirkungsgrad haben möchte, sollte man statt dem LED-Treiber-555 einen "more sophisticated" LED-Treiber nehmen.
Wenn es um deutlich höheren Wirkungsgrad geht, helfen entweder die Version mit N-Kanal-MOSFET oder die Plug&Play-Version mit P-Kanal-MOSFET als Leistungsschalter.
Kleine Verbesserungen (29.1.2005)
In obiger Schaltung (2) sind zwei kleine Verbesserungen gezeigt, die auch beim LED-Treiber mit PNP-Transistor verwendet werden können:
- Durch Verbinden der beiden Ausgänge Q und DIS des Timers-555 lässt sich der Ausgangsstrom aufteilen und somit der interne Spannungsabfall verringern.
- PWM-Dimmen erfolgt ganz einfach am GND-Anschluss von R3.
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LED-Treiber-555 mit N-Kanal-MOSFET (1.2.2005)
Es gibt nichts, das man nicht verbessern könnte - das gilt auch für den LED-Treiber-555!
Ursprünglich ging es bei diesem LED-Treiber nur darum, mit dem weit verbreiteten Timer-555 einen einfachen LED-Treiber zu bauen und möglichst auch die LEDs direkt damit zu treiben, was für nicht allzu große LED-Ströme mit dem bipolaren Timer-555 (z.B. NE555) auch ganz passabel klappt.
Mit dem Essen kam der Appetit - und nun auch eine Version mit externem MOSFET T3 als Leistungsschalter.
Das Ergebnis überzeugt, denn der Wirkungsgrad dieser Version liegt mit dem CMOS-Timer-555 je nach Bauelementeauswahl, Zahl der Luxeon™-LEDs und der Versorgungsspannung im Bereich von ca. 84% bis 92% - also eine echt coole "DeLuxeon"-Ausführung!
Gegenüber den ursprünglichen Versionen wurde der Stromspiegel-Verstärker T1/T2 noch mit einem weiteren PNP-Transistor T4 zum Wilson-Stromspiegel verfeinert.
Achtung: Die Emitter-Anschlüsse von T1/T2 sind nun gegenüber den anderen Ausführungen vertauscht. Damit erreicht man die korrekte Ansteuerung des MOSFETs.
Aufgrund des diskreten Aufbaus mit Einzeltransistoren bleiben die kleinen Schwachpunkte dennoch erhalten:
- T1 und T2 müssen thermisch gut gekoppelt sein, sprich sollen immer dieselbe Temperatur haben.
- Der LED-Strom ist von der guten Paarung der bipolaren Transistoren (insbesondere von den Eingangskennlinien und Stromverstärkungen der Transistoren T1/T2) abhängig.
Besser dafür geeignete Doppel-Transistoren BC857BS (Philips) bzw. BC807U, BC856S/U, BC857S (alle Infineon) und einigen anderen Halbleiterherstellern reduzieren diese kleine Schwäche, sind allerdings nicht unbedingt im Hobbyladen zu bekommen. Mit zwei dieser Doppel-Transistoren könnte man sogar eine vollständig symmetrische "Full-Wilson"-Schaltung realisieren.
Bei etwa symmetrischen Eigenschaften dieser Transistoren gilt bei der angegebenen Dimensionierung von R1 und R2 für den mittleren LED-Strom die einfache Formel:
ILED = 0,07V/R1
Anmerkungen: Es muss tatsächlich 0,07V und nicht 0,7V heißen - ein vorteilhaft geringer Spannungsabfall!
Die vorgeschlagenen R1=0,2 Ohm entstehen aus 5x 1 Ohm parallel, die besser zu bekommen sind als Werte unter 1 Ohm. Ggf. kann man mit weniger 1Ohm-Widerständen parallel geschaltet den Maximalstrom beim Inbetriebnehmen auch geringer einstellen oder - falls verfügbar - auch einen 0,22Ohm-Widerstand nehmen für einen nicht ganz so extremen LED-Strom von 320mA.
Dieser LED-Strom ist - wie erwünscht - relativ unabhängig von der Versorgungsspannung und die LED-Stromwelligkeit beträgt ca. ±16%, also etwa das empfohlene Maximum für die Luxeon™-LEDs.
Bei meinem Versuchsaufbau hat alles auf Anhieb recht genau mit den Berechnungen (und Simulationen, s.o.) übereingestimmt.
Sollte der tatsächliche LED-Strom jedoch stark vom berechneten Wert abweichen, liegt es wahrscheinlich an stark unterschiedlichen Stromverstärkungen von T1 und T2. Deshalb hierfür unbedingt gleiche Typen mit gleicher Klassifizierung (also z.B. zweimal BC557B oder BC557C und nicht einmal B und einmal C) möglichst vom gleichen Hersteller nehmen.
Klare Verhältnisse
Verblüffend an obigen LED-Treibern-555 ist die Tatsache, dass die Schaltungen alle keine Referenz-Spannung benötigen und dennoch bei schwankender Versorgungsspannung einen relativ konstanten LED-Strom liefern. Das Geheimnis ist der Stromspiegel-Verstärker, der - ganz nach dem bewährten 555-Prinzip - unabhängig von der Versorgungsspannung mit Strom- bzw. Spannungs-Verhältnissen arbeitet und hierfür die festen 1/3- bzw. 2/3-Trigger-Schwellen des Timers ausnützt.
Der Spule Kern
Wie bei allen spulenbasierenden getakteten LED-Treibern ist des Pudels Kern eine solide Spule, die beim LED-Spitzenstrom nicht in Sättigung gerät - man kann es nicht oft genug wiederholen!
Bei obiger Dimensionierung sind es etwa 400mA. Mit einer 500mA-Spule liegt man also auf der sicheren Seite - je mehr, desto besser und um so niederohmiger und damit verlustärmer ist die Wicklung, um so höher ist der Wirkungsgrad ...
Die Induktivität der Spule hat aufgrund des Dreieck-Oszillator-Prinzips mit zwei festgelegten Schaltschwellen keinen Einfluss auf den LED-Strom, sondern nur auf die Frequenz, die zwangsläufig auch von der jeweiligen Versorgungsspannung abhängig ist. Die Taktfrequenz liegt bei der angegebenen Dimensionierung und maximaler Versorgungsspannung bei einigen zig kHz.
Mit einer kleineren Induktivität würde die Taktfrequenz steigen, was beim CMOS-Timmer-555 und einem MOSFET mit ausreichend kleiner Gate-Eingangs-Kapazität (im Bereich 500pF) jedoch keine größeren Probleme bereitet.
PWM-Dimmen noch einfacher
Bei der Version mit MOSFET lässt sich der LED-Treiber-555 ausgesprochen einfach am Reset-Pin ein- und ausschalten und natürlich auch dimmen (am besten von 0 bis 100% mit dem immer wieder empfohlenen PWM-Dimmer, PWM-Ausgang hier aktiv HIGH), denn die Schaltung spricht ungemein schnell an. Es ist eine wahre Freude, das angedimmte Zickzack des LED-Stromes (gemessen an R1) auf dem Oszilloskop zu betrachten!
Da sich bei besonders niedrigen Dimmstufen der Spulenstrom nicht bis auf den vorgesehenen Maximalwert aufbauen kann, ist der LED-Strom in diesem Zustand nicht mehr unabhängig von der Versorgungsspannung.
Der Pull-Up-Widerstand R4 ist wegen des hochohmigen CMOS-Einganges beim CMOS-Timer-555 bereits in der Schaltung vorgesehen, kann also beim PWM-Dimmer entfallen (dort R5).
Mal EIN - mal AUS
Mittels Schaltkontakt oder Transistor nach GND kann man die LED am PWM-DIM-Anschluss deaktivieren.
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LED-Treiber-555 mit P-Kanal-MOSFET - Plug & Play (13.2.2005)
Falls man für den LED-Treiber-555 mit N-Kanal-MOSFET nicht die nötigen PNP-Transistor-Paare für den Stromspiegelverstärker zur Verfügung hat oder sich das Aussuchen geeigneter Einzeltransistoren ersparen möchte, kann man das auch einfacher haben - allerdings mit (minimal) größerem Bauteileaufwand.
Die folgende Plug&Play- oder besser Löt&Leucht-Version (nun mit P-Kanal-MOSFET) verwendet statt des Stromspiegel-Verstärkers der obigen LED-Treiber-555 jetzt zwei Komparatoren und benötigt deshalb zusätzlich eine 1,25V-Spannungsreferenz in Form eines LM317L (z.B. im TO-92- oder SO-Gehäuse).
Denn bei dieser Ausführung werden nun nicht mehr die von der Versorgungsspannung unabhängigen Trigger-Schwellen des Timers-555 ausgenützt, sondern die Trigger-Schwellen sind durch die beiden Referenzspannungen (83mV und 64mV) an den beiden Komparatoren bestimmt, die von der Referenzspannung Uref abgeleitet werden.
Der Timer dient nun nur noch als Flip-Flop für den Dreiecks-Oszillator und als MOSFET-Treiber.
Damit der MOSFET immer schnell und gut gesperrt wird, kommt nur die CMOS-Timer-555-Ausführung in Frage. Ansonsten riskiert man aufgrund unsauberen Taktens des MOSFETs einen deutlich zu hohen LED-Strom.
Fast nur Vorteile
Das bei allen oben vorgestellten LED-Treibern-555 angewandte hysteresegesteuerte Regelprinzip hat gegenüber "normalen" PWM-Step-Down-Wandlern (Buck-Converter) gleich drei wesentliche Vorteile:
- Die Zweipunktregelung ist ungemein schnell, d.h. der LED-Spitzenstrom wird ohne erhöhten Einschaltstrom bereits im ersten (etwas verlängerten) Taktzyklus erreicht, wodurch PWM-Dimmung auch mit höheren Dimm-Taktraten sinnvoll möglich ist.
- Die Schaltung benötigt keine aufwendigen Maßnahmen zur Phasenkompensation und ist deshalb immer stabil und robust im Betrieb.
- Es ist ggf. nur ein kleiner Spannungsspielraum (Drop-Spannung) zwischen Versorgungsspannung und LED-Flussspannung nötig.
MOSFET-Auswahl
Statt des vorgeschlagenen P-Kanal-MOSFETs IRF5305 kann man auch eine andere P-Kanal-Ausführung nehmen, solange deren Gate-Eingangs-Kapazität nicht mehr als etwa 1,5nF und die Gate-Source-Schwellenspannung (deren Betrag) <4V ist.
Es muss auch keinesfalls ein TO-220-Gehäuse sein - ganz im Gegenteil, denn die Verlustleistung ist (je nach RDS(on) des verwendeten MOSFETs) sehr gering und alles bleibt absolut cool (also ohne dass irgendwelche Kühlmaßnahmen nötig wären) - bis auf die gepowerten LEDs!
Zum Beispiel mit einem IRF7205 im SO-8-Gehäuse und max. 3V Gate-Source-Schwellenspannung könnte man den LED-Treiber nicht nur sehr kompakt bauen, sondern diesen darüber hinaus vermutlich sogar herunter bis 4,2V3 Versorgungsspannung betreiben können (mangels IRF7205 habe ich das aber noch nicht praktisch überprüft).
Dann würde es für sehr kompakten Aufbau Sinn machen, die anderen ICs ebenfalls im SO-Gehäuse zu nehmen.
Wie auch immer, es lassen sich - je nach Versorgungsspannung und Wahl der anderen Bauteile (besonders MOSFET T1, Spule L1 und Diode D1) - wiederum Wirkungsgrade >90% ganz ohne Kühlung des LED-Treibers erreichen.
Verschiedene Tweaks
Solange die Versorgungsspannung des LED-Treibers etwa 1,5V über der Gesamt-LED-Flussspannung liegt, kann man 1, 2 oder 3 Stk. weiße bzw. blaue 1W-Luxeon™-LEDs treiben. Bei anderen LED-Farben bleibt wegen den geringeren LED-Flussspannungen dann etwas mehr Spannungsspielraum oder es klappen ggf. bis zu 4 LEDs in Reihe.
Wenn die Oszillator-Frequenz bei mehreren LEDs zu klein wird (besonders bei geringem Spannungsspielraum), nimmt man für L1 eine entsprechend kleinere Induktivität, also z.B. 330µH oder 220µH.
Aber immer daran denken:
Die Spule L1 unbedingt für den tatsächlichen Spitzenstrom auslegen: Imax = 83mV/R1 zzgl. ausreichend Spielraum nach oben, damit sie unter keinen Umständen in Sättigung gerät!
Eine Spule, die für einen höheren Strom ausgelegt ist, hat zwar normalerweise einen etwas größeren Kern, aber auch einen geringeren ohmschen Wicklungswiderstand. Ein paar zig Milliohm sind immer OK. Was in den Ohm-Bereich oder gar darüber kommt, schadet natürlich merkbar dem Wirkungsgrad.
LED-Strom ganz nach Wunsch
Für den mittleren LED-Strom gilt bei der angegebenen Dimensionierung (von Uref, R4, R5 und R6) ganz einfach:
ILED = 74mV/R1
Für 3W-Luxeon™-LEDs mit ca. 700mA LED-Strom wäre R1 demnach also nur noch 0,11 Ohm (z.B. 2x 0,22 oder 3x 0,33 Ohm parallel).
Die LED-Stromwelligkeit ist ebenfalls sehr einfach zu berechnen und ist wiederum (nahezu) unabhängig von der Induktivität der Spule L1:
ΔILED = 19mV/R1
bzw. ΔILED/ILED = 19/74 = 0,26 = ±13%.
Die tatsächlich gemessenen Ströme (auch die LED-Stromwelligkeit) sind in Wirklichkeit minimal größer als die berechneten Werte. Der Grund sind die Ansprechverzögerungszeiten der beiden Komparatoren und des CMOS-Timers.
Tipp: Den tatsächlichen LED-Stromverlauf misst man indirekt über den Spannungsabfall an R1. Mittels Oszilloskop kann man an dieser Stelle auch überprüfen, ob die Spule nicht in Sättigung gerät.
PWM-Dimmen - einfach wie immer ... (13.2.2005)
Da der verwendete Dual-Komparator LM393 Open-Kollektor-Ausgänge hat, kann man diesen PWM-Dimmer direkt am Anschluss PWM-DIM parallel anschließen (PWM-Ausgang aktiv HIGH beschalten, siehe dortige Anmerkungen).
Mit einem Kontakt von PWM-DIM nach GND wäre die LED in obiger Schaltung einfach abzuschalten.
Der nötige Pullup-Widerstand ist bereits "on-board" (hier R3), d.h. der Pullup-Widerstand der Dimmer-Schaltung (dort R5) kann entfallen.
... wenn man folgende Dinge beachtet (4.10.2009)
Beim PWM-Dimmen darf die PWM-Frequenz nicht zu groß sein (je nach minimaler Taktfrequenz des LED-Treibers maximal ein paar 100 Hz) und am Anschluss PWM-DIM muss sowohl eine Pegel-Anpassung erfolgen als auch unbedingt mit einem Open-Drain/Collector-Ausgang angesteuert werden, wie es bei meinem PWM-Dimmer-Vorschlag automatisch der Fall ist!
Im Unterschied zur Version mit N-Kanal-MOSFET geht der Eingang PWM-DIM hier nicht an den /RESET-Eingang des TLC555 (das wäre bei der P-Kanal-MOSFET-Version fatal) sondern an den (analogen) Trigger-Eingang des TLC555, dessen Triggerschwelle bei ca. 1/3 der Versorgungsspannung liegt.
PWM-DIM darf NICHT mit einem Push-Pull-Ausgang angesteuert werden, der bei HIGH-Pegel sonst ggf. mit dem Ausgang von IC2B kollidiert, falls letzterer auf LOW gehen will, um den MOSFET bei Erreichen des LED-Spitzenstromes abzuschalten. In einem solcher Fall wäre der MOSFET dann nicht mehr abschaltbar, was die LED schließlich an Überstrom sterben ließe.
Weitere Tipps zum Aufbau (4.10.2009)
Bei dieser Gelegenheit noch weitere (grundsätzliche) Tipps für zuverlässigen und störungsfreien Betrieb eines getakteten LED-Treibers:
- Je nach Länge und Querschnitt der Versorgungszuleitungen und dem LED-Maximalstrom ggf. C1 deutlich größer dimensionieren (470µF oder gar 1.000µF).
- Bei jedem getakteten LED-Treiber sollten die LED-Zuleitungen möglichst kurz sein.
- Für das Platinen-Layout gilt bei getakteten LED-Treibern dasselbe wie bei Schaltreglern (zu diesem Thema gibt es dicke Bücher und viele Applikationsvorschläge).
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Timmer-555-Tipps für obige Vorschläge (15.2./11.10.2005)
Je nach CMOS-Timer-555-Hersteller auch bis zu 3V mehr
Die maximal zulässige Versorgungsspannung des CMOS-Timers-555 reicht bei der im Schaltplan angegebenen Ausführung TLC555 von Texas Instruments oder dem kompatiblen LMC555 National Semiconductor bis 15V.
Beim ebenfalls kompatiblen ICM7555 von Hersteller Harris/Intersil und Maxim sind es laut Datenblatt immerhin bis zu 18V ("aktuelle" Ausgabe 11/1992, wobei Maxim in der Online-Übersicht dagegen nur 16,5V nennt).
D.h., bei geeignetem MOSFET (Gate-Souce-Spannung ±20V) könnte die Versorgungsspannung der gesamten Schaltung auch bis 18V gehen, also ließen sich dann ggf. bis zu 4 Stk. 1W-Luxeon™-LED treiben.
Jedoch Vorsicht: Die namensgleiche Version ICM7555 von Philips lässt dagegen nur 16V zu, was aber für 4 Stk. 1W-Luxeon™-LEDs auch noch reicht.
TS555 von ST (Ergänzung vom 15.2.2005)
Der weniger bekannte TS555 von ST ist auch eine CMOS-Version bis max. 16V Versorgungsspannung (laut Datenblatt 2003; laut Datenblatt 1999 dagegen noch bis max. 18V).
Getestet habe ich allerdings nicht alle genannten verschiedenen CMOS-Timer-555-Hersteller, sondern bisher nur den ICM7555 von Harris/Intersil und den TLC555 von TI.
Offensichtlich gibt es auch sonst einige technische Unterschiede zwischen den einzelnen Herstellern. Der Harris/Intersil-Baustein z.B. hat neben seinem größeren Versorgungsspannungsbereich im Vergleich zum TI-Baustein auch keine Schwingneigung beim Triggern.
Deshalb habe ich für den TLC555 nun noch den Kondensator C4 in die Schaltung eingefügt, der beim ICM7555 nicht nötig ist (aber auch nicht schadet).
Achtung: Das sind 100pF und nicht 100nF (wie C3 gleich daneben)!
MIC1555 und MIC1557 von Micrel (Ergänzung vom 11.10.2005/22.2.2009)
Micrel bietet unter den Typenbezeichnungen MIC1555 und MIC1557 die so genannten IttyBitty™-Timer/Oszillator-Bausteine an, die eigentlich4 nichts anderes sind, als CMOS-555-Derivate, bei denen nicht alle Pins herausgeführt sind. Dafür gibt es diese Bausteine im lupenkleinen SOT-23-5-Gehäuse.
Falls man ein solches Gehäuse löttechnisch noch sicher im Griff hat (im wahrsten Sinne des Wortes), sind diese beiden Bausteine (zulässige Versorgungsspannung 2,7V bis 18V) in den obigen 555-basierenden LED-Treiber-Vorschlägen mit zusätzlichem Transistor auch geeignet und zwar der MIC1555 dort, wo der Reset-Eingang nicht benötigt wird (Version mit P-Kanal-MOSFET) und der MIC1557 dort, wo der Trigger- und der Threshold-Anschluss miteinander verbunden sind (Version mit N-Kanal-MOSFET).
Wenn man ausschließlich auf solch kleine Gehäuse steht, kommt von Micrel noch der IttyBitty™-Comparator MIC6270 in Frage, allerdings benötigt man dann zwei dieser Bausteine anstatt einem LM393.
Noch habe ich die IttyBitty™-Bausteine in obigen Vorschlägen nicht selbst eingesetzt, werde es aber bei Gelegenheit nachholen.
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[1] Würde man mit dem bipolaren 555-Timer nach +Ub hin schalten (bei völlig umgestellter Schaltung), wäre der Spannungsabfall noch höher.
[2] Der RESET-Anschluss des 555-Timers ist zum Deaktivieren bei diesem Vorschlag UNGEEIGNET, da dieser Q (und DIS) dauerhaft auf LOW legt, was den LEDs - je nach Versorgungsspannung - ziemlich schnell das Leben aushauchen würde!
[3] Die minimale Versorgungsspannung für den LM317L beträgt 4,2V.
[4] Beim MIC1555 hat THR Vorrang gegenüber TRG. Bei den Standard-555-Timern (sowohl bipolar als auch CMOS) ist es umgekehrt (TRG hat Vorrang)!
Beim MIC1557 liegt die Schaltschwelle von /RESET bzw. CS bei ca. 50% der Versorgungsspannung, hat aber keine Vs/3 Hysterese, wie man aus den Datenblattangaben schließen könnte.
Die erzielbaren Ausgangsströme der Micrel-Bausteine sind geringer als bei den Standard-CMOS-555-Timern, reichen aber zum sauberen Ansteuern von MOSFETs solange deren Gate-Eingangskapazität nicht viel über 500pF liegt.
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