Die wichtige Rolle von LED-Treibern in Beleuchtungsanwendungen

Glühlampen und andere ältere Lampen verwenden Strom, um einen Glühfaden oder ein Gas zu erhitzen, um Licht abzugeben. Eine Leuchtdiode (LED) hingegen besteht aus einem speziellen Halbleitermaterial, das den durch sie fließenden Strom direkt in Licht umwandelt - ein Phänomen, das als Elektrolumineszenz bezeichnet wird.

Jedes LED-Material emittiert Licht in einem engen Frequenzbereich, wenn es mit einer bestimmten Spannung und Stromstärke versorgt wird. Abweichungen von diesen Werten können dazu führen, dass die LED kein Licht mehr erzeugt oder ihre Farbintensität verändert.

Designer verwenden in der Regel entweder eine konstante Stromreduzierung (CCR) oder eine Pulsweitenmodulation (PWM), um die LED-Intensität zu steuern. Beide dienen dazu, die Lichtleistung anzupassen, funktionieren jedoch auf grundlegend unterschiedliche Weise und weisen jeweils eigene Kompromisse beim Design auf:

• CCR, oft als analoges Dimmen bezeichnet, funktioniert durch Reduzierung des Stroms, der zur LED fließt. Es handelt sich um einen unkomplizierten und rauscharmen Ansatz, der kein Flackern verursacht und sich daher für einfache Anwendungen eignet. Eine Reduzierung des Stroms kann jedoch die Farbe einer LED leicht verändern und den Dimmbereich einschränken, insbesondere bei sehr niedrigen Lichtstärken.
• PWM dimmt LEDs, indem es sie schnell ein- und ausschaltet und dabei während jedes Impulses einen konstanten Strom aufrechterhält. Diese Technik bewahrt die Farbkonsistenz und ermöglicht einen wesentlich größeren Dimmbereich, oft bis unter 1%. Dies macht sie ideal für abstimmbare Beleuchtung oder Displays. Der Nachteil ist, dass PWM elektromagnetische Störungen (EMI) und sichtbares Flackern verursachen kann, wenn die Schaltfrequenz nicht hoch genug ist. Entwickler müssen diese Faktoren sorgfältig gegeneinander abwägen.

PWM erfordert möglicherweise komplexere Treiber und eine sorgfältigere EMI-Filterung, während CCR bei Anwendungen, die Farbgenauigkeit oder extrem niedrige Dimmwerte erfordern, möglicherweise nicht ausreicht. In einigen Fällen bietet ein hybrider Ansatz, der CCR und PWM kombiniert, die besten Eigenschaften beider Verfahren.

Designüberlegungen

Entwickler können die Einschränkungen von CCR- oder PWM-Dimmung durch intelligente Designentscheidungen überwinden. Für CCR können Entwickler LEDs mit stabiler Farbwiedergabe über einen breiten Strombereich auswählen und Gammakorrektur oder logarithmische Dimmkurven anwenden, um die Dimmreaktion an die Wahrnehmung von Helligkeitsänderungen durch das menschliche Auge anzupassen. Dies führt zu flüssigeren und natürlicheren Übergängen. Eine sorgfältige Auswahl der Treiber und ein gutes Wärmemanagement können ebenfalls dazu beitragen, die Farbstabilität zu erhalten und die Dimmleistung zu verlängern, ohne dass zusätzliche Schaltungen erforderlich sind.

Bei der PWM-Dimmung sind Flimmern, EMI und die Komplexität des Designs die größten Herausforderungen. Diese können durch die Verwendung hoher PWM-Frequenzen – typischerweise über 20 kHz bis 25 kHz – überwunden werden, um sichtbares Flackern zu vermeiden und Störungen von Audio- oder Kamerasystemen zu minimieren. EMI kann durch sorgfältige Gestaltung der Leiterplatte, den Einsatz von Filtern und die Auswahl von LED-Treibern mit Funktionen wie einstellbaren Signalraten wirksam kontrolliert werden. Treiber mit integrierten PWM-Funktionen vereinfachen den Prozess, indem sie Signale intern generieren, sodass keine präzise Zeitsteuerung außerhalb des Treibers erforderlich ist.

CCR kann für Anwendungen bevorzugt werden, die minimale EMI erfordern, wie z. B. im Gesundheitswesen, in Laboren oder in Umgebungen mit empfindlicher Elektronik. Diese Option bietet eine zuverlässig gleichmäßige und flimmerfreie Dimmung in einem begrenzten Bereich. Dank ihrer relativen Einfachheit eignet sie sich auch für die allgemeine Beleuchtung in Wohnungen, Restaurants und großen Veranstaltungsorten, insbesondere wenn Einfachheit und Kosten im Vordergrund stehen.

PWM wird häufig aufgrund seiner hohen Farbkonsistenz und seines großen Dimmbereichs bevorzugt, beispielsweise für die Bühnenbeleuchtung oder in Umgebungen, in denen eine sehr feine Lichtsteuerung erforderlich ist. PWM-Treiber mit integrierten Signalquellen vereinfachen den Entwicklungsprozess weiter, indem sie die Zeitsteuerung intern übernehmen und so die Komplexität des Projekts reduzieren.

Bei der Wahl der PWM-Option

Anwendungen, die eine Mehrkanalsteuerung, Farbkonsistenz und Zuverlässigkeit im Automobilbereich erfordern, profitieren vom PWM-Ansatz.

Ein gutes Beispiel hierfür ist der moderne 36-Kanal-LED-Treiber AL5887Q für die Automobilindustrie von Diodes Inc., der Dual-Modus-Fähigkeiten bietet. Er bietet PWM-Dimmung, indem das Tastverhältnis des Konstantstroms von 100% auf 3% moduliert wird. Bei weniger als 3% wechselt es jedoch in einen analogen Dimmmodus, der die gleiche Funktionalität wie CCR über programmierbare digitale Steuerungen anstelle einer klassischen analogen CCR-Schaltung bietet.

Mit einem integrierten 16-MHz-Oszillator macht der AL5887Q einen externen Taktgeber überflüssig, was eine vereinfachte Leiterplattenkonstruktion und -anordnung, kleinere Leiterplattenabmessungen und geringere Materialkosten (BOM) ermöglicht. Er verwendet ein adressierbares 12-Bit-PWM-Register und einen internen 30-kHz-PWM-Generator für eine bessere Farbmischung und reduziertes Rauschen.

Entwickler können dies gezielt einsetzen für:

• Innen- und Außenbeleuchtung für Kraftfahrzeuge
• Infotainment-Displays
• Statusindikatoren
• Touchpanels und LCD-Display-Hintergrundbeleuchtung

Diese Anwendungen erfordern die Steuerung der Farbe und Intensität der LEDs, was die Hauptfunktionen des Treibers AL5887Q (Abbildung 1) sind.

Abbildung 1: Der LED-Treiber AL5887Q von Diodes Inc. vereinfacht Anwendungen für Displays und Beleuchtung in Kraftfahrzeugen. (Bildquelle: Diodes Inc.)

Steuerung der Farbe einer RGB-LED

Die Steuerung der Farbe einer RGB-LED erfolgt durch die Anpassung des Stromflusses zu jedem der drei verschiedenen farbigen Chips, die im LED-Gehäuse enthalten sind (Abbildung 2). Einfach ausgedrückt: Um ein leuchtendes Gelb zu erzeugen, werden die roten und grünen Farbpigmente auf ihre maximale Intensität gebracht und die blaue LED gedimmt oder ausgeschaltet. Ebenso lässt sich durch die Steuerung der Intensität der einzelnen LEDs eine andere Farbe aus einer großen Farbpalette erzeugen.

Abbildung 2: Um die Farbe einer RGB-LED zu steuern, muss die Anwendung den Stromfluss zu jedem der drei verschiedenfarbigen Chips im LED-Gehäuse anpassen. (Bildquelle: Broadcom)

Die Architektur einer typischen Beleuchtungsanwendung

Eine Beleuchtungsanwendung kann aus Hunderten von LEDs und anderen Komponenten bestehen, die alle von einem Programm gesteuert werden, das auf einem einzigen kleinen Computer oder Mikrocontroller läuft.

Die Pinbelegung der AL5887Q ist in Abbildung 3 dargestellt. Eine Anwendung kann mehrere Treiber enthalten, von denen jeder bis zu 12 RGB-LEDs oder bis zu 36 einzelne LEDs mit dedizierten Pins OUT0 bis OUT35 verbinden kann.

Abbildung 3: Die Pinbelegung des AL5887Q. Er kann an bis zu 12 RGB-LEDs oder bis zu 36 einzelne LEDs angeschlossen werden, mit dedizierten Pins OUT0 bis OUT35 (Bildquelle: Diodes Inc.).

Warum der AL5887Q ein guter LED-Treiber für Beleuchtungsanwendungen ist

Der AL5887Q kann Kanäle beliebig kombinieren, wobei einige für die Farbmischung und andere für Statusanzeigen oder ähnliche einfarbige LED-Anwendungen verwendet werden können. Jeder Kanal dient als programmierbare Konstantstromquelle, um eine gleichmäßige Helligkeit und Farbe zu liefern – ein wichtiger Aspekt für die Beleuchtung im Einzelhandel, in der Automobilindustrie oder in der Architektur, wo Unregelmäßigkeiten leicht auffallen.

Fehlererkennung

Neben dem Mischen und Dimmen von LED-Leuchten erkennt der AL5887Q verschiedene Fehlerzustände, wie z. B. Kurzschlüsse, und speichert diese in einem internen „Flag“-Register. Der AL5887Q meldet dem Mikrocontroller Probleme über seinen FAULT-Pin. Der Fehlererkennungsmechanismus des LED-Treibers ermöglicht es der auf dem Mikrocontroller ausgeführten Anwendung, zu reagieren und Diagnosen für Reparaturen bereitzustellen.

Vereinfachungen für Anwendungsentwickler

Der AL5887Q entlastet den Mikrocontroller, der ihn steuert, von einigen Aufgaben, wie z. B. der Intensitäts-Farbzuordnung, und vereinfacht so die Arbeit des Anwendungsentwicklers. Dadurch wird das auf dem Mikrocontroller ausgeführte Programm einfacher, die Entwicklungszeit verkürzt sich und das System wird durch die Beseitigung möglicher Fehlerquellen robuster.

Bankwesen

Einige LED-Animationseffekte wie Blinken und „Atmen“ (das wie langsames Pulsieren aussieht) erfordern gleichzeitige Aktionen auf vielen LEDs. Anstatt dass das Mikrocontroller-Programm jede LED einzeln identifiziert und immer wieder dieselben Befehle sendet, kann der AL5887Q so konfiguriert werden, dass die LEDs in „Bänken“ gruppiert werden. Die gesamte Gruppe kann dann einem einzigen Befehl folgen.

I²C- und SPI-Unterstützung

Eine hochentwickelte LED-Anwendung mit vielen Peripheriegeräten und Konfigurationen erfordert eine flexible Logik, die das Verhalten entsprechend erkennt und anpasst. Sie könnte I²C verwenden, das zwei Drähte verwendet, um Dutzende von Peripheriegeräten zu erkennen und mit ihnen zu kommunizieren.

Andererseits kann eine Low-Level-Anwendung mit fester Konfiguration und einfacher Logik mithilfe von SPI vereinfacht werden, das zwar mehr Leitungen benötigt, aber direkt mit bekannten Peripheriegeräten kommuniziert.

Der AL5887Q kann in beide Arten von Anwendungsarchitekturen integriert werden. Er unterstützt sowohl die I²C- als auch die SPI-Kommunikationsmethode. Über einen Pin zur „Schnittstellenauswahl“ (INT_SEL) kann die Mikrocontroller-Anwendung dem Treiberkreis beim Start mitteilen, welche Kommunikationsmethode verwendet werden soll.

Energiesparmodus

Wenn die LEDs ausgeschaltet sind, wechselt der AL5887Q automatisch in den Energiesparmodus, in dem er nur 25 Mikroampere verbraucht. Wenn der Mikrocontroller einen Befehl an ihn sendet, kehrt er in den Normalmodus zurück. Diese Funktion kann mit einem Konfigurationsbefehl deaktiviert werden.

Fazit

Die 12-Bit-PWM-Steuerungsfunktion des AL5887Q vereint Präzision und Flexibilität und ist damit eine vielseitige und zuverlässige Wahl für anspruchsvolle LED-Beleuchtungsanwendungen. Die geringe Stellfläche und die integrierten Funktionen reduzieren den Bedarf an zusätzlichen Komponenten, senken die Gesamtkosten und optimieren die Entwicklung.