10/30/50/100W LED Applikation Treiber (UC3843A)

Der Betrieb von Power-LEDs fordert Konstantstromquellen höherer Leistung. (>=1A).
Exemplarisch sei hier der Betrieb einer 30W LED an einem modifizierten Step-Up-Wandler (Boost) gezeigt.

Zur Verwendung steht eine 30W Leistungs-Led mit folgenden Parametern:

• Leistung: 30W
• Farbtemperatur: 3000-3500k
• Betriebsspannung: 30-38V
• Betriebsstrom: 1A
• Lichtstrom: 2600-2800 Lumen
• Lebensdauer: >50.000 Stunden

Am Labornetzteil stellt sich der Betriebsstrom von 1A bei ca. 38V ein.

Ist keine Konstantstromquelle verfügbar, kann die LED mit Unterspannung, bei geringen Lichtstromeinbußen, betrieben werden. Hierbei wird eine Spannung gewählt, bei dem der Strom 10% unter dem Betriebsstrom liegt (900mA). Es ist sicherzustellen, dass der Strom, verursacht durch thermischen Drift, den vom Hersteller angegeben Betriebsstrom nicht überschreitet.

Mit Hilfe eines Step-Up-Wandlers (Boost) lassen sich diese LEDs auch an Spannungsquellen betreiben, deren Ausgangsspannung <= der Betriebsspannung ist. (Bspw. Batterien, Akkus, Netzteile)

Kostengünstig (derzeit 3.50€ | 19.05.2014) verfügbar sind 150W Step-Up-Module, basierend auf dem PWM-Controller UC3843A mit folgenden Parametern:

• Eingangsspannung: 10-32V
• Ausgangsspannung: 12-35V
• Eingangstrom: 10A (16A max. mit erweiterer Kühlung)
• Ausgangsleistung: 100W (150W max. mit erweiterer Kühlung)
• Effizienz: 94% (Eingang 16V, Ausgang 19V 2.5A)
• Ausgangsspannungsripple: 2% max
• Lastregelung: - 0.5%
• Spannungsregelung: -0.5%
• kein Kurzschluss- und Verpolschutz

Als Leistungsschalter findet ein STP75NF75 Einsatz (75V 80A NMOS), Leistungsdiode ist STPS2045C (45V 30Arms Schottky). Ohne Austausch des Leistungsschalters und der Diode sind somit Ausgangsspannungen von maximal 45V möglich.

Die Originalschaltung zeigt folgende Abbildung:

Diese hat den Nachteil, in höheren Lastbereichen und/oder Übersetzungsratio instabil zu sein. Bei Uin=12V4, Uout=32V und Rload=15R2 (Iout=2A, Pout=67W) zeigt die Messung an der unmodifizierten Schaltung folgendes Verhalten (Orange=Vout, Blau=VInduktor):

Modifikation

Für nachfolgende Simulation (Original) wird C1 durch einen Widerstand (100k) ersetzt. Bei 20V Eingangsspannung, 32V Ausgangsspannung (4A/120W) zeigt sich die Instabilität der Anordnung:

Zur Stabilisierung werden im weiteren R1 und R99 im Wert geändert (Modification 1).

Die Beispielsimulation bei 20V Eingangsspannung, 32V Ausgangsspannung (5A/160W) zeigt:

Strombegrenzung

Zur Verwendung als rein spannungsbegrenzter LED-Treiber kann die Schaltung, wie nachfolgend gezeigt, weiter modifiziert werden. R1/R7/R99 werden im Wert geändert, die Anbindung von R99 ist nun am 9V (7809). Zu beachten ist die Mindesteingangspannung für verschiedene Ausgangsleistungen.

Für Konstantstrombetrieb ist eine Modifikation nach folgender Abbildung notwendig. R9(R99) ist mit 9k1/10k vorzusehen. Des Weiteren werden einen Messshunt 0.33Ohm (Lastwiderstand), eine Standarddiode (1N4148 o.ä.) sowie ein 5kOhm Potentiometer (bevorzugt 10-Gang-Poti/Trimmer) benötigt. Der Shunt wird “low-Side” in den Ausgangsstromkreis eingefügt, das Potentiometer entsprechend mit dem Shunt, Vfb (Pin2) sowie Vref (Pin8) verbunden.

R2/R3 repräsentieren in der Simulation das (neu hinzugefügte) Potentiometer, Rload die LED. Die Leerlaufspannung wird mit dem bereits vorhandenen Potentiometer eingestellt, diese muss unter dem Spannungswert des Ausgangskondensators liegen. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist es unabdingbar, dass die Ausgangspannung (respektive Flussspannung der LED) bei eingestelltem Nennstrom größer ist als die Eingangsspannung des Step-Up-Wandlers. Der Testaufbau ist nachfolgend dargestellt. Für höhere Ströme wird der Wert des Shunt verkleinert, um Spannungsabfall und Verlustleistung gering zu halten. Der hier gezeigte Aufbau hat bei 1A Nennstrom (LED) eine Effizienz von ~86%.

Der Schaltungsumbau in der Zusammenfassung:

Da die Schaltung mit R8 (Messshunt 10mOhm) eine “heisse Kiste” ist, bietet es sich an, diesen mit 50mOhm zu ersetzen. Damit ergibt sich eine höhere Regelkreisstabilität, auch kann die Rückkopplung (Kompensation) hochohmiger ausgelegt werden. Nachfolgend gezeigt die Änderungen für Konstantspannung/Konstantstrom:

Abschliessend einige Bilder zum Farbeindruck bei jeweils festem Weissabgleich (Tageslicht)/Blende/Belichtungszeit (getrennt für beide Motive):

Upgrade

Für große Step-Up-Verhältnisse hat es sich bewährt, die Spule gegen Modelle von Coilcraft auszutauschen. Ohne weiteren Umbau funktionieren hierbei 33uH problemlos ohne nennenswerte Erwärmung – selbst bei 12V -> 36V und 150W Leistungsentnahme.
Coilcraft VER2923-333KL
Coilcraft AGP2923-333KL

Wenn Ripple kein Problem ist kann auch

Coilcraft HA3588-BL

verwandt werden.

Wer mehr erfahren möchte, schaut im D-Amp-Forum vorbei.

LTSpice Simulation: Download (Zip)