Die dritte Bremsleuchte: Integrierte Lösung vs. diskrete Implementierung

Die dritte Bremsleuchte ist ist für die Sicherheit unerlässlich. Die Implementierung erfolgt dabei entweder mit diskreten Bauelementen oder per integrierten LED-Treiber-ICs. Doch welche Lösung bietet welche Vorteile? Ein Überblick.

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Texas Instruments Deutschland GmbH

In modernen Fahrzeugen dient als Leuchtmittel in der dritten Bremsleuchte eine LED-Leiste, die von transistorbasierten Schaltungen angesteuert wird. Die Treiberschaltungen sind überwiegend linear und nicht geschaltet, sodass die Transistoren im linearen Bereich arbeiten.

Häufig implementieren Designer die LED-Treiberschaltung für eine dritte Bremsleuchte mit diskreten Bauelementen, also mit separaten Widerständen und Bipolartransistoren (engl.: Bipolar Junction Transistor, BJT). In Bild 1 ist ein Beispiel einer diskreten LED-Treiberschaltung für eine dritte Bremsleuchte zu sehen. Darin ist die dritte Bremsleuchte mit zwei LED-Strings bestückt, wobei jeder String aus zwei in Serie geschalteten LEDs besteht. Die Bipolartransistoren befinden sich zwischen den LEDs und der Masse.

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Beim Design linearer LED-Treiberschaltungen gilt es die thermischen Eigenschaften im Blick zu behalten. Im Klartext: Beim Entwurf der Schaltung und bei der Auswahl der Bauelemente ist sicherzustellen, dass sich keines der Bauteile so stark erwärmt, dass es beschädigt wird. Aus Bild 1 ist ersichtlich, dass bei einem Anheben der Versorgungsspannung auch die am Bipolartransistor und am Widerstand liegende Spannung ansteigt, wodurch auch die Verlustleistung in diesen Bauelementen zunimmt. Mehr Verlustleistung aber bedeutet eine höhere Temperatur. In linearen LED-Treibern entscheidet somit größtenteils die Versorgungsspannung über die thermischen Eigenschaften.

Um die thermischen Aspekte der Schaltung aus Bild 1 zu analysieren, soll der LED-Strom als Beispiel insgesamt 90 mA betragen, sodass auf jeden der beiden LED-Strings ein Strom von 45 mA entfällt. Bei 16 V Versorgungsspannung ergibt sich gemäß Gleichung 1 ein maximaler Spannungsabfall von 9 V am Bipolartransistor:

V_BJT = 16V - V_D - V_LED - V_R = 16V - 1V - 4V - 2V = 9V

Mit Gleichung 2 lässt sich die maximale Verlustleistung der Transistoren berechnen, die demnach 0,81 W beträgt:

P_DMAX = V_BJT * I = 9V * 90mA = 0.81W

Legt man im Betrieb eine maximale Umgebungstemperatur von 85 °C zugrunde und geht davon aus, dass die Transistoren ein Small-Outline-Gehäuse des Typs SOT-223 mit einem thermischen Widerstand von 80 °C/W besitzen, so lässt sich mit Gleichung 3 die maximale Sperrschichttemperatur der Transistoren berechnen:

T_JMAX = 85°C + 80°C/W * 0.81W = 149.8°C

Gemäß dieser Berechnung liegt die erreichte Sperrschichttemperatur sehr nah an der typisch maximal zulässigen Sperrschichttemperatur von 150 °C.

Verbessern lassen sich die thermischen Eigenschaften der Schaltung, indem man zwei Transistoren parallelschaltet. Hierdurch teilt sich die Verlustleistung auf, sodass die maximale Sperrschichttemperatur selbst unter ungünstigsten Bedingungen unter 150 °C bleibt, wie Gleichung 4 zeigt:

T_JMAX = 85°C + 80°C/W * 0.405W = 117.4°C

Verwendet man einen anderen Transistortyp mit höherem Wärmewiderstand, müssen noch mehr Transistoren parallelgeschaltet werden, um die Verlustleistung weiter aufzuteilen. Anzahl und Größe der parallelgeschalteten Transistoren hängen hauptsächlich vom LED-Strom und der maximal zulässigen Verlustleistung der Transistoren ab.

Implementierung einer dritten Bremsleuchte mit integrierten LED-Treiber-ICs

Eine weitere Möglichkeit zur Ansteuerung der LEDs ist die Verwendung eines speziellen linearen LED-Treiber-IC, wie es von TI beispielsweise mit dem TPS92610-Q1 angeboten wird (Bild 2). In ein solches Treiber-IC sind sowohl der Transistor als auch die zugehörige Treiberschaltung integriert. Auch hier arbeitet der Transistor im linearen Bereich. Da sämtliche Bauelemente in das IC integriert sind, benötigt man für diese Lösung neben dem IC selbst nur noch einen externen Abtastwiderstand.

Thermische Eigenschaften der integrierten Lösung

Betrachten wir nun die thermischen Aspekte dieses Designs, und zwar speziell die Sperrschichttemperatur des IC. Bei 16 V Versorgungsspannung lässt sich mit Gleichung 5 der maximale Spannungsabfall am IC mit 11 V berechnen:

V_IC = 16V - V_D - V_LED = 16V - 1V - 4V = 11V

Legen wir erneut einen LED-Strom von 90 mA zugrunde, so ergibt Gleichung 6 die maximale Sperrschichttemperatur, wenn am IC 11 V abfallen und der Wärmewiderstand 52 °C/W beträgt.

T_JMAX = 85°C + 52°C/W * 0.99W = 136.5°C

Die Temperatur von 136,5 °C liegt deutlich unter der maximalen Sperrschichttemperatur des IC von 150 °C. Man benötigt folglich nur ein IC für den Betrieb der LED-Strings der exemplarischen dritten Bremsleuchte.

Vorteile einer integrierten Lösung

Ein klarer Vorteil der integrierten Lösung gegenüber einer diskreten Implementierung ist der geringere Bauteileaufwand. Reduziert man die Anzahl der Bauelemente auf der Leiterplatte, so verringert sich auch der Platzbedarf.

Als weiterer wichtiger Pluspunkt kommt die Genauigkeit hinzu, mit der der Strom über den gesamten Temperaturbereich geregelt wird. Das Treiber-IC kann eine konstante Stromstärke in den LEDs aufrechterhalten, auch wenn sich die Vorwärtsspannung der LEDs temperaturbedingt ändert. Dies steht im Gegensatz zur diskreten Schaltung aus Bild 1, die den LED-Strom bei Änderungen der Temperatur nicht regeln kann.

Als dritter Vorteil einer Lösung auf der Basis eines linearen LED-Treiber-IC sind die Diagnosefunktionen des Bausteins anzuführen. Diese erlauben die Detektierung von Fehlern wie etwa Stromkreisunterbrechungen oder Kurzschlüssen in den LEDs und signalisieren dem Treiber solche Fehler.

Betrachtet man die Anzahl der Bauelemente und die Kosten der einzelnen Komponenten, so kann die in Bild 2 gezeigte Implementierung außerdem kostengünstiger sein als die Lösung aus Bild 1.

* Michael Helmlinger ist Automotive Systems Engineer bei Texas Instruments

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