Mini-LED-Treiber

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Aufgebauter LED-Treiber

Bei der Briefkasteninnenbeleuchtung habe ich gemerkt, dass ich keine kompakten LED-Treiber herumliegen habe.

Zwar ist eine Konstantstromquelle sehr einfach auf Lochraster oder auch fliegend aufgebaut, aber leider ist die Schaltung dann entweder groß oder mechanisch empfindlich.

Funktionsweise

Die Schaltung und die Idee dahinter ist weder kompliziert noch neu. Im Gegenteil dürfte sie sogar ein gutes Beispiel aus dem Lehrbuch sein.

Sie wahlweise mit zwei Bipolar-Transistoren oder mit zumindest einem FET aufgebaut werden. Das Prinzip ist wie folgt: steigt die Spannung an der Basis eines Bipolar-Transistors über dessen Basis-Emitter-Spannung, wird dieser gemäß seiner Stromverstärkung zwischen Kollektor und Emitter leitend.

Erzeugt man diese Spannung über einen Widerstand, kann man über dessen Wert den Strom definieren, ab dem der Transistor leitend wird. Üblicherweise liegt die UBE eines BC548 bei 0,6 V. Möchte man, dass dieser bei 5 mA leitend wird, muss am Widerstand eben diese Spannung abfallen. R = U/I ergibt 120 Ohm.

Das ist schon einmal die halbe Miete. Jetzt muss diese Regelgröße nur noch zurückgeführt werden. Hier hilft ein zweiter Transistor, der in Serie zur LED geschalten wird. Der Transistor muss nun so angesteuert werden, dass er, wenn die Spannung (und damit der Strom) am Widerstand höher wird, weniger Strom durchlässt. Spannung hoch: Strom hoch, Spannung runter: Strom runter. Genau das macht unser "Messtransistor", wenn man ihm einen Pull-up am Emitter spendiert.

In ein paar Beziehungen kann man die Schaltung verbessern: ersetzt man den "Regeltransistor" durch einen n-Kanal-FET, gewinnt man zwei Dinge: zum einen kann der Pull-up-Widerstand deutlich größer dimensioniert werden: FETs benötigen im Gegensatz zu Bipolar-Transistoren keinen nennenswerten Strom am Gate; zum anderen entfällt die Kollektor-Emitter-Spannung, bzw. wird durch den Rds,on ersetzt, welcher sich positiv auf die minimale Betriebsspannung auswirkt.

Ferner muss der Pull-up des oberen ("Regel-")Transistors nicht unbedingt direkt an der Versorgung angeschlossen werden, dieser kann zum Schalten der Konstantstromquelle genutzt werden. Da die Stromregelung relativ schnell ist, kann die Leitung problemlos zum Dimmen per PWM genutzt werden.

Layout

Je kleiner, desto besser - allerdings sollte es auch noch per Hand lötbar sein. Deshalb kommen die im SOT-23-Gehäuse verfügbaren Transistoren BSS138 und BC848 zum Einsatz. Bei den Widerständen reichen welche im 0603-Gehäuse.

Um den Platz effektiv nutzen zu können, habe ich zwei Varianten erstellt: eine einseitig und beidseitig bestückbare:

Leistungsfähigkeit

Widerstände 0603-Gehäuse können in aller Regel 100 mW ab. Das klingt nach nicht sehr viel, ist aber für die meisten nicht-High-Power-LEDs gut genug. Wie oben beschrieben, fallen über den Widerstand ca. 0,65 V ab, mit I = P/U ergibt das einen Strom von 154 mA - da kann man schon fast von "High Power" sprechen. Der begrenzende Faktor liegt aber meist woanders. Der "obere" der Transistoren stellt den Strom ein, über ihn fällt somit Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und der Vorwärtsspannung der LED sowie den Spannungsabfall über den Messwiderstand ab.

Die Leistung in diesem Transistor berechnet sich zu \[P = (U - U_\textrm{f} - U_\textrm{BE}) \cdot I_\textrm{LED}\]

Würde man eine weiße LED (ULED = ca. 3,2 V) mit 100 mA und einer Eingangsspannung von 12 V treiben wollen, verbrät der Transistor stolze 0,8 Watt. Das wird mit Sicherheit nichts. Im Datenblatt des BSS138 steht eine maximale Leistung von 0,36 Watt und ein Derating von 2,8 mW pro °C. YMMV.

Mit diesen Informationen kann man Kennlinienfelder zeichnen - ich hab da schon mal was vorbereitet:

Wer das Lesen von Kennlinienfeldern nicht gewohnt ist, hier eine kleine Erläuterung: Zunächst sucht man sich eine Kennlinie aus - für die oben genannte weiße LED wäre das die durchgehend Schwarze. Nun kann man entweder von unten oder links lesen, je nachdem, welchen Wert man sucht.

Will man die LED mit 100 mA treiben, sucht man sich auf der Y-Achse die 100, und findet den Schnittpunkt mit der schwarzen Kennlinie. An dieser hangelt man sich nach unten und liest die dazugehörende maximale Betriebsspannung ab: 6,7nochwas Volt.

Andersrum: Bei einer Betriebsspannung von 12 V geht man nach oben, wiederum zum Schnittpunkt und dann nach links: irgendwas zwischen 35 und 40 mA.

Die Linien im Diagramm sind nicht zufällig gewählt - diese entsprechen in etwa den Vorwärtsspannungen der LEDs in den jeweiligen Farben (schwarz für weiße LEDs, gelbe und orange entsprechen etwa den grünen). Die gestrichelten Linien entsprechen der Reihenschaltung von zwei LEDs der entsprechenden Farbe. Hier sieht man auch, dass durch den höheren Spannungsabfall an den LEDs der Spannungsabfall am Transistor fällt und dadurch höhere Betriebsspannungen möglich werden.

Zum Eingangsspannungsbereich kann ich nicht viel sagen, außer dass dieser etwa mindestens so groß wie die LED-Vorwärtsspannung + 0,7 V sein sollte. Das obere Ende wird durch die Transistoren begrenzt. Beim BSS138 wäre das theoretisch die LED-Spannung + 50 Volt. Vorher gibt es aber sicher thermische Probleme.

Download

Datei:Mleddrv.zip Schaltplan, Layout, Excel-Datei mit Kennlinienfeld, LtSpice-Daten zum Spielen