Licht braucht Leistung

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1 Das professionelle Elektronikmagazin 1 B Januar ,00 Seite 24 Titel-Story: Beleuhtungsregelung Liht brauht Leistung Oszilloskope Seite 40 Die drei Neuen in der Mittelklasse FPGA-Design Seite 48 PLDs mit ARM7-Core entwikeln Gleihtaktfilter Seite 50 Signalintegrität im CAN-Bus Serie Die Leiterplatte 2010, Teil 1 Seite 54 Serielle Transeiver und die Folgen Links & Downloads

2 Liht brauht Leistung Hohvolt-Shaltkreise für monolithishe Beleuhtungsregler Tehnologien zur Lihtregelung unterliegen rashen Veränderungen, angetrieben durh die Forderungen des Marktes nah beispielsweise höherer Energieeffizienz, größerer Zuverlässigkeit und besseren Beleuhtungssystemen. Und niht zuletzt verlangt ein konstanter Druk auf die Preisgestaltung einen hohen Integrationsgrad der ICs. In einer neuen Tehnologie integriert International Retifier isolierte Hohspannungsshaltkreise auf einem Chip. Damit lassen sih monolithishe Regler aufbauen, die Stromerfassungs- und Steuerfunktionen für fassettenreihe Lihtanwendungen besitzen und auh die aufkommenden High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) unterstützen. Stéphane Ernoux* Elektronishe Vorshaltgeräte, so genannte Ballastshaltungen, ersetzen ältere magnetishe Vorshaltgeräte bei Leuhtstofflampen und shaffen somit Möglihkeiten zur Beleuhtungsregelung bei untershiedlihen äußeren Bedingungen. Auh andere Beleuhtungstehniken wie Halogenlampen und neuerdings helle LEDs (HB- LEDs) bieten in Verbindung mit einem optimierten elektronishen Regler eine Verbesserung von Wirkungsgrad, Lihtausbeute, Zuverlässigkeit und Flexibilität. Doh in der Gedankenwelt des Konsumenten herrshen Leuhtstoffund Halogenlampen vor, mit ihren geringen Stükkosten, die durh Vorläufertehniken bei den Vorshaltgeräten möglih waren. Folglih brauhen die Entwikler von elektronishen Regelungen hohintegrierte, preiswerte Bausteine, um mit ihren neuen Tehnologien erfolgreih zu sein. Eine Hürde war bisweilen die Notwendigkeit, die im Hohspannungsnetz vorhandenen Spannungen in die Niedervolt-Tehnik der Regler-ICs umzuwandeln. Sobald externe Bauelemente zur Pegelvershiebung nötig sind, wahsen *Stéphane Ernoux ist Tehnial Marketing Manager Lighting bei International Retifier, El Segundo/- Kalifornien. 24 j ELEKTRONIKPRAXIS NR Januar 2006

3 zielt auf Low-Cost-Leuhtstoffvorshaltgeräte ab und kombiniert einen Halbbrükentreiber mit einem 555-Timer. Weitere Entwiklungen ergänzen dieses Prinzip mit Zusatzfunktionen, um eine vollständigere Regelung zu erzielen. Der Regler IR2166, für Fluoreszenzleuhten, beispielsweise enthält zudem Vorheizund Fehlershutzfunktionen zur Maximierung der Lampenlebensdauer und zur Steigerung der Zuverlässigkeit des Vorshaltgeräts. Darüber hinaus ist sowohl eine Leistungsfaktorkorrektur- (PFC-)Regelung integriert, die eine Einhip-Lösung für das gesamte Vorshaltgerät ermögliht, wie auh ein End-of- Life-(EOL-)Pin, um den vorgeshriebenen Anforderungen an T5-Leuhtstofflampen zu genügen. Der EOL-Pin erfasst überhöhte Spannungen an der Lampe, die auftreten können, wenn sih die Lampe dem Ende ihrer Lebensdauer nähert, und shaltet das Vorshaltgerät siher ab, ehe diese hohen Spannungen Shaden anrihten können. Bei Kompaktleuhtstofflampen (CFL) mit integriertem Vorshaltgerät ist gewöhnlih ein eigenshwingendes Vorshaltelement als Regelshaltkreis. Es ist zwar reht unzuverlässig, doh hat sein sehr niedriger Preis den Einsatz aktiver Steuer-ICs verhindert, auh wenn diese bekanntlih zuverlässiger, flexibler und effizienter sind. Ein Grund dafür liegt darin, dass Steuer-ICs bislang für jedes Erfassungsmerkmal (beispielsweise niedriger DC-Bus, Überstrom, offene Wendel oder fehlendes Leuhtmittel) einen ge- j Bild 1: Der isolierte Hohspannungsbereih (oben rehts) erspart externe Bauelemente zur Pegelvershiebung Stükliste und IC-Kosten, denn die notwendigen zusätzlihen Eingänge erzwingen andere Gehäusetypen. Nun aber gibt es eine Lösung, die bereits erfolgreih sowohl bei Halogenund Leuhtstoff-Leuhtungsreglern als auh Regelung für Low-Voltage- Kompaktleuhtstofflampen (CFL) angewandt wurde. Es ist gleihzeitig eine geeignete Lösung zum Steuern der neuen High-Brightness-Leuhtdioden. Diese HB-LEDs sind zum Beispiel bereits in Kalifornien in großem Umfang im Einsatz. Der IC signalisiert das Ende der Lampenlebensdauer Die von International Retifier entwikelte Hohvolt-IC-Tehnologie (HVIC) mit PN-Isolation ermögliht kostengünstige Regler für die Leistungselektronik, welhe ein breites Anwendungsspektrum abdeken. Das HVIC erlaubt die Platzierung der Shaltung innerhalb eines isolierten Bereihs, der 600 V gegenüber der Niederspannungsshaltung floaten kann. Dadurh lässt sih ein High-Sideund ein Low-Side-Treiber auf einem einzigen Chip zur Ansteuerung der meist verbreiteten Shaltwandlertopologien integrieren. Eine dieser Topologien ist die Totem-Pole- Halbbrüke, die einen grundlegenden Baustein der neuen Generation elektronisher Lampenvorshaltgeräte repräsentiert. Der Ballast-Regler IRS2153D von International Retifier, zum Beispiel, ELEKTRONIKPRAXIS NR Januar 2006 j 25

4 j Bild 2: Festfrequenz-PWM- Regelung mit Low- Side-Strommessung trennten Pin benötigen. Das treibt tendenziell die Gehäusekosten in die Höhe, weil kompliziertere Pakages mit vielen Pins erforderlih sind. Ein interner Hohspannungs-MOSFET, integrierte HVIC- Tehnologie, kombiniert mit Steueralgorithmen wie Shutzshaltungen gegen Non-Zero-Voltage-Swithing (Non-ZVS) und die Erkennung des Sheitelfaktors erlaubt die Erfassung sämtliher benötigten Parameter über einen einzigen Pin. Deshalb ermöglihen HVICs jetzt den Aufbau geeigneter Steuer- Chips in einem kostengünstigen 8-Pin- Gehäuse. Shluss mit Leistungs- und Zuverlässigkeitsproblemen Betrahten wir nun das Marktsegment für Halogenleuhten. Es leidet in hohem Maße unter Zuverlässigkeits- und Leistungsproblemen. Elektronishe Transformatoren werden häufig infolge Fehlbedingungen durh Überlast- und Kurzshluss geshädigt. Außerdem müssen sie in der Lage sein, die Helligkeit von Halogenlampen sanft zu regeln und ständig einen Standard-Wanddimmer mit Phasenanshnittsteuerung einzusetzen. Die Herausforderung für den Bauen Sie bessere Beleuhtungsregler Die Hohvolt-IC-Tehnologie (HVIC) mit PN-Isolation ermögliht kostengünstige Regler für die Leistungselektronik, die ein breites Anwendungsspektrum abdeken. Das HVIC erlaubt die Platzierung der Shaltung innerhalb eines isolierten Bereihs, der 600 V gegenüber der Niederspannungsshaltung floaten kann. Dadurh lässt sih ein High- Side- und ein Low-Side-Treiber auf einem einzigen Chip zur Ansteuerung der meist verbreiteten Shaltwandlertopologien integrieren. Vorteile in der Anwendung: unter anderem bessere Steuerung von Lihtstärke und Energieverbrauh; andere Beleuhtungstehniken wie Halogenlampen oder superhelle LEDs (High-Bright-LEDs) bieten in Verbindung mit einem optimierten elektronishen Regler eine Verbesserung von Wirkungsgrad, Lihtausbeute, Zuverlässigkeit und Flexibilität. IR2161 besteht darin, umfangreihe Shutzmerkmale, die Regelung der Lampenspannung und der Helligkeit in einem einzigen 8-Pin-IC zu liefern. Erneut ermöglihen Hohvolt-ICs (HVIC) eine Lösung und erlaubt den Einsatz neuer Sensortehniken. Der IR2161 nutzt diese Tehnologie zur Implementierung eines dritten internen Hohspannungs-MOSFETs, der die Halbbrükenspannung erfasst. Indem er feststellt, wenn diese Spannung während der Totzeit jedes Shaltzyklus den Wert Null erreiht, kann sih das IC kontinuierlih adaptieren und dadurh wird sihergestellt, dass jeder Halbbrükenshalter einshaltet, sobald die Halbbrükenspannung auf die entsprehende Shwelle eingeshwungen ist. Durh den Einsatz dieser adaptiven Totzeitfunktion lässt sih hartes Shalten vermeiden, und die Verluste in den Shaltern können reduziert werden. Der IR2161 enthält auh einen Pin zur Stromerfassung, der die notwendige Regelung der Lampenspannung, den Überlastshutz und die Kurzshlussshutzfunktionen übernimmt. Das Ergebnis: Deutlih weniger verwendete Bauelemente bei zugleih höherer Leistungsausbeute im Vergleih zur althergebrahten Methoden für die Halogenlampenregelung. Ähnlih dem CFL-Markt wird der Einsatz einer IC-Lösung mit integriertem HVIC- MOSFET die Produzierbarkeit und Zuverlässigkeit von elektronishen Halogenreglern signifikant steigern und dadurh zu einem fortwährenden Wahstum dieses Marktsegments beitragen. Anforderungen für die Regelung von HB-LEDs LEDs mit hoher Helligkeit (HB-LEDs) eignen sih (niht nur) für den Einsatz in Verkehrsshildern und der Straßenbeleuhtung. Ihre Vorteile sind u.a. Farbreinheit, lange Lebensdauer, hohe Leistung bei kalter Witterung, hoher Wirkungsgrad sowie einfahe Montage großer LED-Felder. Beim Betrieb einer beliebigen LED ist es unumgänglih die Stromshwankungen zu regeln, damit eine konstante Lihtabstrahlung aufrehterhalten werden kann. Außerdem darf der Spitzenstrom den maximalen Impulsgrenzstrom für den Baustein niht übershreiten, um eine Beshädigung der LED zu vermeiden. Ein Widerstand mit festem Wert wird übliherweise mit einer LED-Reihe in Reihe geshaltet, um den Strom, der durh alle LEDs im Array fließt, zu begrenzen. Jedoh bietet diese Tehnik beim Regeln von HB-LEDs keine ausreihende Genauigkeit. Die Stromwerte sind hoh (bis 1,5 A) und können in einem weiten Bereih variieren, abhängig von der Betriebstemperatur, von Shwankungen der Energieversorgung sowie von Fertigungstoleranzen. Wenn große Felder mit HB-LED eine gleihmäßige Helligkeit, lange Lebensdauer und einen energieeffizienten Betrieb erreihen sollen, ist eine weiter entwikelte Anordnung, die eine Stromüberwahung enthält, erforderlih. Ein PWM-Regler mit Festfrequenz bietet eine effektive Grundshaltung zur Stromregelung. Bild 2 zeigt eine einfahe Strategie zur Stromregelung unter Verwendung eines Low-Side-MOSFET- Treibers und eines Festfrequenz-PWM- Reglers. Jedoh bildet die über RCS erfasste Spannung lediglih den LED- Strom ab, wenn der MOSFET im eingeshalteten Zustand ist oder wenn der Strom ansteigt. Effektiv wird der Spitzenstrom (niht der durhshnittlihe Strom) geregelt. Das ergibt keine genaue Regelung der Helligkeit. Darüber hinaus kann der Spitzenstrom, um einen ausreihenden Durhshnittsstrom zu gewährleisten, relativ hoh sein und da- 26 j ELEKTRONIKPRAXIS NR Januar 2006

5 durh eine größere Spule erfordern. Der Entwikler muss auh sorgfältig darauf ahten, den maximalen Nennstrom der LED niht zu übershreiten. Zudem wird die Skalierbarkeit beeinträhtigt, weil die Shaltung auf untershiedlihe Eingangsspannungen oder Serienshaltung der LED-Reihe angepasst werden muss. Shaltet man den Strommesswiderstand mit der LED-Zeile in Reihe (Bild 3), erlaubt dies eine kontinuierlihe Überwahung des durhshnittlihen Stroms, was zu einer präziseren Regelung führt. Auh ist der Spitzenstrom niedriger, und das erlaubt den Einsatz einer kleineren Spule und kleinerer MOSFETs mit höherem Wirkungsgrad. Dadurh muss der Shalter zwishen Versorgungsbus und der LED-Zeile platziert werden, was (wie gezeigt) einen High-Side-Shalter und Treiber voraussetzt. Allerdings erfordern lange LED-Reihen, setzt man den nominalen Vorwärtsspannungsabfall typisher HB-LEDs voraus, eine mittlere oder hohe Versorgungsspannung, wodurh es einem herkömmlihen Regler niht möglih wäre, den High-Side- MOSFET direkt zu steuern. Es werden zusätzlihe externe Komponenten benötigt. Unterteilt man als Alternative die LED-Zeile in mehrere kleine Abshnitte, wird diese Lösung allerdings sehr shnell reht teuer, denn jeder dieser einzelnen LED-Abshnitte brauht seinen eigenen Regler. Auh hier bietet HVIC wieder eine per- j Bild 3: Kontinuierlihe Strommessung unter Ausnutzung der HVIC-Tehnologie fekte Reglerlösung, die den High-Side- MOSFET direkt treibt. (ku) International Retifier Tel. +49(0) j Hier finden Sie alles, was Sie für Ihr Beleuhtungsdesign suhen