LLB-1a
Einleitung
Das LED light board (LLB-1a) ist eine kleine Platine, die eine batteriebetriebene Versorgung von LEDs bereitstellt. Die Platine kann z.B. in Lampen zum Einsatz kommen. Bei LEDs handelt es sich um stromgesteuerte Bauelemente, anstelle die Spannung zu regeln ist es hier notwendig den Strom zu regeln. Die Spannung stellt sich dann automatisch ein. Aus diesem Grund werden LEDs per Konstantstrom betrieben, mit einer Konstantstromquelle. (KSQ) Diese besteht im einfachsten Fall aus einem einzelnen Widerstand. Bessere KSQs bestehen aus Transistoren bzw. Mosfets und Operationsverstärkern.
Neben dem diskreten Aufbau, gibt es eine große Bandbreite an ICs, die für diesen Zweck entwickelt wurden, sogenannte LED-Treiber. Diese gibt es in zwei Gruppen: der linear geregelten Treiber und der Treiber auf Basis eines Schaltreglers. Beide Gruppen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Das LLB-1a nutzt einen Schaltregler, der es ermöglicht, LEDs an einer niedrigeren Spannung zu betreiben, als ihre Arbeits- bzw. Flussspannung beträgt.
Schaltungsbeschreibung
Der LED-Treiber
Herzstück der gesamten Schaltung ist der LED-Treiber LT1932 von der Firma Linear Technologie, heute integriert in den Hersteller Analog Devices. Es handelt sich um einen Step-Up-Regler, der mit einer Eingangsspannung von 3V bis zu acht weiße LEDs in Reihe betreiben kann. Der Regler arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 1.2MHz, was die Baugröße der benötigten Spule reduziert. ( Je höher die Schaltfrequenz, desto kleiner die Bauform der Spule bei gleicher Leistung) Besonders an diesem Schaltregler ist, dass auch LEDs versorgen kann, deren Flussspannung geringer als die Eingangsspannung ist. In diesem Modus arbeitet er als lineare KSQ. Diese Eigenschaft hilft bei dem Einsatz als portable Lösung, wenn eine einzelne LED angeschlossen werden soll.
Der gewünschte Ausgangstrom lässt sich per Widerstand zwischen 5mA und 40mA einstellen. Die passenden Werte lassen sich über die folgende Formel ermitteln: RLed = 225 * (0.1V / ILed). In meiner Schaltung habe ich den Strom fest auf 15mA festgelegt. (R6, 1.3kΩ) Ist eine Änderung des Stromes im laufenden Betrieb gewünscht, kann anstelle des Widerstandes auch ein DAC (Digital-Analog-Converter) oder eine PWM (Pulswidthmodulation) verwendet werden. Dies ist möglich, da der Widerstand an dem Pin des ICs eine definierte Spannung erzeugt, die von dem IC ausgewertet wird. Aus diesem Grund ist die Steuerung per angelegter Spannung auch möglich.
Geht der Regler in den Standby, wird der Ausgang getrennt. So liegt der Standby-Strom bei nur 1µA.
Ladeschaltung des LLB-1a
Das LLB-1a verfügt über eine eigene Ladeelektronik für den angeschlossenen Akku (4.2V Li-Ion). Dadurch entfällt der Ein- bzw. Ausbaus des Akkus, wenn dieser leer ist. Als Laderegler für Li-Ion-Akkus habe ich den LT4054-4.2, ebenfalls von Linear Technologie, gewählt. Es handelt sich hierbei um einen linearen Laderegler, welcher nach dem Prinzip der CC / CV (constant current / constant voltage) Ladung arbeitet. Der Regler beendet den Ladevorgang, wenn der Ladestrom nur noch 1 / 10 der Kapazität des Akkus beträgt. Sinkt die Akkuspannung bei angeschlossenem Netzteil, wird der Ladevorhang wieder gestartet (Erhaltungsladung). Der Ladestrom wird über einen Widerstand festgelegt und beträgt maximal 800mA. Bei diesem Wert muss auf ausreichende Kühlung geachtet werden, da der Regler prinzipbedingt die Überschüssige Spannung „verarbeitet“ und so eine gewisse Leistung an ihm selber abfällt. Ich habe mich für einen Ladestrom von 500mA (bei +5V Eingangsspannung) entschieden. Dies stellt einen vernünftigen Kompromiss zwischen Ladezeit und Wärmeentwicklung am Regler dar. Das langsamer Laden schont zudem den Akku und verlängert dessen Lebensdauer. Der Ladevorgang wird durch eine grüne LED signalisiert, leuchtete diese wird der Akku geladen, ist sie erloschen ist der Akku fertig geladen oder das Netzteil nicht angeschlossen.
Auch beim Laden kann die Schaltung weiter betrieben werden. Wird am USB-Anschluss ein Netzteil angeschlossen, verriegelt ein PMOS (IRLML5203) den Akku in Richtung Verbraucher. Der Akku wird geladen und die Schaltung aus dem Netzteil versorgt.
Schutz vor Überstrom und Tiefenentladung
Der angeschlossene Akku darf während des Betriebs nicht tiefenentladen werden, sonst besteht die Möglichkeit diesen irreparabel zu schädigen. Dies kann während des (unbeaufsichtigten) Betriebs passieren.
Der LED-Treiber wird bei einer Akkuspannung von 2,95V in den Standby versetzt. Schaltungstechnisch ist dies mit dem Micropower-Komparator LT6703-3, ebenfalls von Linear Technologie, realisiert. Hierbei handelt es sich um einen Komparator mit eingebauter 400mV Spannungsreferenz und einem Open-Kollektor-Ausgang. Am Ausgang ist für den Betrieb noch ein Pull-Up nötig. Eine weitere Besonderheit ist der geringe Betriebsstrom des Komparators, er benötigt nur 15µA; nicht mit einberechnet ist hierbei der Strom durch den Spannungsteiler und den Pull-Up des Ausgangs.
Da beide Elemente nicht großartig zum Verbrauch der Schaltung, gerade bei erreichen der 2.95V, beitragen dürfen, werden sie sehr hoch gewählt. Bei dem Pull-Up von 1MΩ fließen im abgeschalteten Zustand der Schaltung nur maximal 2.95µA; beim Spannungsteiler am Eingang des Komparators sind es ~2.55µA bei abgeschalteter Schaltung.
Die Summe der Ströme im abgeschalteten Zustand beträgt ~21.5µA; dies fällt bei einem heutigen Akku > 500mAh nicht ins Gewicht. Meist liegt die Selbstendladung des Akkus höher.
Als Schutz vor Überstrom, z.B. durch einen Kurzschluss der LEDs ist eine selbstrückstellende Sicherung (Polyfuse) mit einem Auslösestrom von 100mA verbaut. Ein- bzw Ausgeschaltet wird die Schaltung über einen einfachen (externen) Schalter, für dessen Kabel auf der Platine zwei Lötpunkte vorgesehen sind.