Bei der hier beschriebenen Schaltung handelt es sich um einen LED-Treiber für LEDs mit einer Leistung von 10 W. Ich habe diese Schaltung entwickelt, weil ich eine Schreibtischlampe mit 35-W-Halogenleuchtmittel durch einen Eigenbau mit einer Hochleistungs-LED ersetzen wollte. (Dezember 2012)
Es handelt sich bei dem LED-Treiber um eine als Schaltregler ausgeführte Konstantstromquelle, welche für eine Eingangsspannung von 24 V (±20 %) und einen Ausgangsstrom von 700 mA bei einer Spannung von etwa 13 V ausgelegt ist. Beim Betrieb mit der weiter unten genannten LED und einer Eingangsspannung von 24 V wurde eine tatsächliche Ausgangsleistung von 8,5 W, ein Wirkungsgrad von 88 % und eine Arbeitsfrequenz von 60 kHz gemessen.
Über J1 wird die Betriebsspannung zugeführt. Der P-Kanal-MOSFET Q1 (IRF7205), die Spule L1 (FASTRON PISR-471M-04) und die Schottky-Diode D1 (LL5819) bilden einen Abwärtswandler, an dessen Ausgang die LED an J2 angeschlossen ist. Die Parallelschaltung von R6, R7 und R8 dient als Messwiderstand mit 333 mΩ für den LED-Strom. R9 und IC2 (TS431CX) erzeugen eine Referenzspannung von 2,5 V, welche mit R10 und R11 auf 227 mV heruntergeteilt wird. Die Spannung über dem Messwiderstand und die Referenzspannung werden zum Komparator IC1 (LM393) geführt, welcher mit seinem Ausgang den MOSFET steuert und eine Hystereseregelung realisiert. Q2 und Q3 formen eine einfache Gegentaktendstufe als Gate-Treiber für Q1. Die Ansteuerung über den Spannungsteiler aus R2 und R3 bewirkt, dass die Gate-Spannung von Q1 nicht größer als die halbe Betriebsspannung werden kann und somit unterhalb des zulässigen Höchstwertes von −20 V bleibt. Gleichzeitig dient der Spannungsteiler als Pull-Up-Widerstand für den Ausgang von IC1, um die Erzeugung einer Hysterese mit R4 zu ermöglichen.
Im Einschaltmoment sind zunächst alle Halbleiter gesperrt, und es fließt kein Strom durch L1, die LED und den Messwiderstand. Am nichtinvertierenden Eingang von IC1 liegt eine Spannung von 50 mV an. Am invertierenden Eingang liegt die Referenzspannung von 227 mV an. Damit ist die Spannung am invertierenden Eingang von IC1 größer als am nichtinvertierenden Eingang, weshalb der Ausgang gegen Masse geschaltet wird. Q3 wird leitend und lädt das Gate von Q1 auf −12 V, womit dieser leitend wird. Es beginnt ein Strom durch L1, die LED und den Messwiderstand zu fließen. Nach einigen Mikrosekunden ist der Strom und damit der Spannungsabfall über dem Messwiderstand so groß, dass die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC1 größer als die Referenzspannung ist und der Ausgang geöffnet wird. Q2 wird leitend, entlädt das Gate von Q1 und sperrt ihn damit wieder. Gleichzeitig wird durch R4 die Spannung am nichtinvertierenden Eingang von IC1 um etwa 50 mV gegenüber der Spannung über dem Messwiderstand angehoben. L1 entlädt sich über D1 durch die LED und den Messwiderstand. Nach einigen weiteren Mikrosekunden ist der Strom so klein, dass die Spannung am invertierenden Eingang wieder größer als am nichtinvertierenden Eingang ist, womit der Vorgang von neuem beginnt.
Die Schaltung ist so einfach wie möglich gehalten und sicherlich noch in einigen Punkten verbesserungswürdig. Eine mögliche Verbesserung wäre eine Überstromschutzschaltung, um die LED bei einem Ausfall der Regelung zu schützen. Hierzu könnte man den unbenutzten Komparator von IC1 verwenden, um bei Überschreitung eines bestimmten Stromes (der bei funktionierender Regelung nicht erreicht werden kann) beispielsweise einen Thyristor zu zünden und damit die Betriebsspannung kurzzuschließen und eine vorgeschaltete Feinsicherung auszulösen (Crowbar-Prinzip). Eine Temperaturüberwachung wäre sinnvoll, um bei abgedecktem Kühlkörper oder zu hoher Umgebungstemperatur den Ausgangsstrom zu reduzieren oder den Ausgang ganz abzuschalten. Auch eine Dimmfunktion mittels Pulsbreitenmodulation wäre denkbar.
Schaltplan und Layout als EAGLE-Dateien (erstellt mit Version 6.3.0) sowie eine ASC-Datei zur Simulation der Schaltung in LTspice sind in folgendem ZIP-Archiv enthalten: led-treiber.zip.
Die verwendete LED ist eine warmweiße HUEY JANN HPR20D-19K10YWG. Ich habe mich hauptsächlich aufgrund der Verfügbarkeit bei Reichelt Elektronik für diese LED entschieden. Sicherlich sind vergleichbare LEDs bei anderen Händlern zu einem geringeren Preis erhältlich.
