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Lichtsteuerungen: Programmierbare LED-Treiber einfach realisieren

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Lichtsteuerung: Mit einem DAC lässt sich relativ einfach ein LED-Treiber realisieren.
Lichtsteuerung: Mit einem DAC lässt sich relativ einfach ein LED-Treiber realisieren. (Bild: VCG)

In diesem Analogtipp stellen wir eine Schaltung vor, mit der sich relativ einfach ein über einen DAC programmierbarer, mehrkanaliger LED-Treiber für präzise Lichtsteuerungen realisieren lässt. Wie Sie die Schaltung dimensionieren lesen Sie hier.

Aufgrund neuer Energieverordnungen werden heute als stromsparende Lichtquellen oftmals LED-Lampen eingesetzt. Sie punkten gegenüber herkömmlichen Glühlampen nicht nur aufgrund ihres niedrigen Stromverbrauchs, einer erhöhten Lebensdauer und Schaltfestigkeit, sondern sind zudem in verschiedenen Farbtönen erhältlich.

So haben LEDs beispielsweise der größten Kirche der Welt, dem Petersdom in Rom, zu neuem Glanz verholfen. Mittels einer intelligenten Steuerung lassen sich die bedeutenden Schätze im Handumdrehen auf vordefinierte Lichtszenarien bis ins kleinste Detail hervorheben.

Teil derartiger Steuerungen sind programmierbare LED-Treiber, mit welchen sich die LEDs über eine digitale Schnittstelle nach Belieben ansteuern lassen. Wie ein dreikanaliger LED-Treiber aufgebaut sein kann, ist exemplarisch in Bild 1 zu sehen.

Die drei Ausgangsspannungen des D/A-Wandlers AD5686 in Bild 1 steuern für jeden der drei LED-Kanäle eine Spannungs-Strom-Wandlerstufe an, in deren Lastpfad sich die einzelnen LEDs befinden. Die Wandlerstufen bestehen aus dem Operationsverstärker (OPV) ADA4500-2 und einem nachgeschalteten MOSFET, der den LED-Strom regelt.

Dieser LED-Strom kann theoretisch bis zu mehreren Ampère betragen, abhängig von der Spannungsquelle (US) und dem Lastwiderstand, welcher in dieser Schaltung 2 Ω beträgt. Dementsprechend gilt es auch, einen geeigneten MOSFET auszuwählen.

Die Qualität der DAC-Ausgangsspannungen ist stark abhängig von dessen verwendeter Referenzspannungsquelle UREF, weshalb ein qualitativ hochwertiger Referenzbaustein zum Einsatz kommen sollte. Für die dargestellte Schaltung eignet sich beispielsweise der ADR4520. Er besitzt ein sehr geringes Rauschen, eine extreme (Langzeit-) Genauigkeit sowie eine hohe Temperaturstabilität.

Als Operationsverstärker bietet der Rail-to-Rail-Präzisionsverstärker ADA4500-2 sehr gute Voraussetzungen für derartige Applikationen. Typische Rail-to-Rail-Verstärker weisen allerdings – bedingt durch den internen Aufbau – eine gewisse Nichtlinearität sowie Nulldurchgangsverzerrung auf. Sie bestehen eingangsseitig aus zwei parallel geschalteten differentiellen Transistor-Eingangsstufen: einer PNP-Stufe (Q1 und Q2) und einer NPN-Stufe (Q3 und Q4), wie in Bild 2 dargestellt.

Beide Eingangspaare führen in Abhängigkeit von der angelegten Gleichtaktspannung zu unterschiedlichen Offsetspannungen und Bias-Strömen. Liegt beispielsweise am Verstärkereingang eine Gleichtaktspannung an, die einen kleineren Abstand als 0,7 V zur negativen oder positiven Versorgungsspannung (Us) hat, so wirkt nur eine der beiden Eingangsstufen. Es treten dann nur die Fehler (Offset-Spannung und Bias-Strom) der jeweils aktiven Stufe in Erscheinung.

Steigt die Spannung auf 0,8 V, wirken beide Eingangsstufen und die Offset-Spannung kann sich sprunghaft ändern, was zu der genannten Nulldurchgangsverzerrung bzw. Nichtlinearität führt.

Der ADA4500-2 hingegen besitzt eingangsseitig eine integrierte Ladungspumpe, womit sich ohne ein zweites Differentialpaar ebenfalls der Rail-to-Rail-Eingangshub erreichen und die Nulldurchgangsverzerrung vermeiden lässt. Zusätzliche Stärken des ADA4500-2 liegen in seinem geringen Offset, Bias-Strom und Rauschanteil.

Parasitäre Induktivitäten beachten

Nicht zu vernachlässigen bei derartigen Schaltungen sind auch die aufkommenden Induktivitäten im Last-/Strompfad, wie sie beispielsweise durch die Verkabelung der LEDs entstehen. Die Kabel sind oftmals mehrere Meter lang. Diese Längen können zu unerwünschten Schwingungen führen, sofern sie nicht richtig kompensiert werden.

Die Kompensation erfolgt in dieser Schaltung über einen Feedbackpfad, welcher den Strom in Form der Shunt-Spannung dem Eingang des OPVs zurückführt. Die am ADA4500-2 vorhandene Widerstands- und Kondensatorbeschaltung muss entsprechend der aufkommenden Induktivitäten abgestimmt werden.

Fazit: Mit der dargestellten Schaltung lässt sich relativ einfach ein über einen DAC programmierbarer, mehrkanaliger LED-Treiber realisieren, der sich gut für präzise Lichtsteuerungen eignet. Allerdings müssen Sie die Dimensionierung entsprechend Ihrer Anforderungen anpassen, damit Sie ein etwaiges Fehlverhalten durch die erforderlichen Ströme und vorhandene parasitäre Induktivitäten vermeiden.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Vielen Dank für Ihre Tipps! Selbstverständlich wurde diese Schaltung bei uns intern auch getestet....  lesen
posted am 12.04.2019 um 08:07 von Unregistriert

Bei einigen Ampere z.B. 5A sind das 50W am Widerstand. Ich gehe davon aus Herr Brand von AD hat...  lesen
posted am 11.04.2019 um 08:54 von Unregistriert

2 Ohm Shunt. Primärfunktion Heizung oder Beleuchtung???  lesen
posted am 03.04.2019 um 10:41 von Unregistriert


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