Ansteuern der LCD-Hintergrundbeleuchtung mit Konstantstrom

1. Einführung in die LED-Hintergrundbeleuchtung

LED-Hintergrundbeleuchtungen sind die Standardbeleuchtungsmethode für moderne LCD-Module, einschließlich Zeichen- und Grafiktypen. Diese Hintergrundbeleuchtungen sind grundsätzlich stromgesteuert, d. h. ihre Helligkeit hängt direkt vom durch die LEDs fließenden Strom ab. Die Versorgung der LEDs mit einer Spannungsquelle (typischerweise über einen Strombegrenzungswiderstand) ist eine gängige, aber nicht optimale Methode. Sie führt oft zu ungleichmäßiger Helligkeit aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung und LED-Durchlassspannungsabfällen.

Dieser Anwendungshinweis stellt eine kostengünstige, effiziente Konstantstromschaltung zum Ansteuern von LED-Hintergrundbeleuchtungen vor, die eine stabile, wiederholbare Helligkeit unter unterschiedlichen Bedingungen gewährleistet.

2. LED-Hintergrundbeleuchtung mit Konstantstrom ansteuern

2.1 Gründe für die Verwendung von Konstantstrom

LEDs reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen und weisen eine nichtlineare Volt-Ampere-Kennlinie auf, die sich bei Erwärmung ändert. Mit steigender Temperatur verringert sich der Durchlassspannungsabfall, der Durchlassstrom steigt deutlich an.

Bei der Reihenschaltung von LED-Glühbirnen steigt die Temperatur der LED-Hintergrundbeleuchtung durch die Anlegung von Konstantstrom. Da der Versorgungsstrom unverändert bleibt, sinkt die anliegende Spannung. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass die LED-Hintergrundbeleuchtung trotz Temperaturschwankungen eine gleichmäßige Helligkeit erzeugt.

Bei konstanter Spannung können die einzigartigen Volt-Ampere-Eigenschaften von LEDs hingegen zu Problemen führen. Steigt die Temperatur einer funktionierenden LED, erhöht sich auch der durch die LEDs fließende Strom. Dieser höhere Strom erzeugt wiederum noch mehr Wärme und führt zu einem Selbstverstärkungseffekt im Schaltkreis.

Dieser steigende Strom kann den Verschleiß einer LED erheblich beschleunigen und ihre Lebensdauer verkürzen . Da jede einzelne LED zudem leicht unterschiedliche Volt-Ampere-Kennlinien aufweist, kommt es zu unterschiedlichen Stromflüssen. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Helligkeit der LED-Hintergrundbeleuchtung.

2.2 Hauptvorteile der Konstantstrom-Steuerung

• Helligkeitsstabilität: Wird durch Schwankungen der Versorgungsspannung nicht beeinflusst.
• Verbesserte Lebensdauer: Vermeidet eine Übersteuerung der LEDs.
• Einfaches Design: Keine komplexen ICs oder PWM-Controller erforderlich.
• Niedrige Kosten: Gesamte Stückliste unter 1,50 $ (je nach aktuellem Niveau).

3. Grundlegende Konstantstromschaltung

3.1 Funktionsprinzip

Die Schaltung verwendet einen Bipolartransistor (BJT) mit zwei Dioden (oder einen BJT als Diode), um eine feste Emitterspannung einzustellen. Der Strom wird bestimmt durch:

V re f ≈ 0,7 V (Diodenabfall).

3.2 Designbeispiel (100 mA Ausgang)

• Vdd: 5 V
• LED-Durchlassspannung: ~3,2 V
• Gewünschter Strom: 100 mA

Komponentenauswahl:

• Re (Emitterwiderstand): 0,7𝑉/0,1𝐴=7Ω
• Rb (Basiswiderstand): Legt den Strom durch den Diodenstapel fest (normalerweise 4–5 mA).

4. Praktische Implementierungsschaltung

4.1 Verbesserung der thermischen Stabilität

Verwenden Sie anstelle des Diodenstapels einen einzelnen Transistor (z. B. TIP100), indem Sie den Kollektor mit der Basis verbinden und so ein Diodenäquivalent mit angepasstem Temperaturverhalten bilden.

4.2 Hochstromvariante (700mA)

• Re = 1Ω
• Aufgrund des hohen hFE von TIP100 kann Rb bei 910 Ω bleiben.

5. Einstellbare Stromversion

5.1 Konstruktionshinweise:

• Verwenden Sie einen Drehschalter mit mehreren Positionen und mehreren Emitterwiderständen.
• Jede Position entspricht einem festen Strom (z. B. 20 mA, 50 mA, 100 mA).
• Beschriften Sie die Schalterpositionen nach der Kalibrierung.

5.2 Vermeiden Sie Potentiometer:

• Während der Einstellung ist ein Strommessgerät erforderlich.
• Restwiderstand erschwert die Kalibrierung.
• Benötigt festen Begrenzungswiderstand in Reihe.

6. Laborpräzisionsvariante

Für höhere Genauigkeit und Vielseitigkeit:

• Verwenden Sie eine separate 12-V-–15-V-Versorgung für den Hintergrundbeleuchtungstreiber.
• Ersetzen Sie die Diodenreferenz durch eine Zenerdiode (z. B. 5,1 V).
• Neue Stromgleichung:
  
• Verwenden Sie angepasste Transistoren für die thermische Verfolgung.
• Schalten Sie zur Stromüberwachung ein Amperemeter in Reihe (optional für den Laborgebrauch).

7. Thermische Überlegungen

• Sorgen Sie bei Anwendungen mit hohem Strom (> 300 mA) für eine ausreichende Wärmeableitung oder Luftzirkulation.
• Überwachen Sie den Temperaturanstieg des Transistors während des Dauerbetriebs.
• Verwenden Sie Transistoren mit ausreichender Belastbarkeit (z. B. TIP100: 50 W Nennleistung).

8. Empfohlene Anwendungsfälle

Zeichen-LCD-Module (16x2, 20x4)
Kleine Grafikmodule (zB 128x64)
Panel-Hintergrundbeleuchtungen in industriellen HMIs
Tragbare Instrumente, die eine gleichmäßige Helligkeit erfordern

9. Stückliste für 100-mA-Treiber

Komponente	Wert	Typ	Geschätzte Kosten (USD)
Frage 1	TIP100	NPN-Transistor	0,40
Rb	910 Ω, 0,25 W	Widerstand	0,02
Re	7 Ω, 0,5 W	Widerstand	0,05
Gesamtkosten der Stückliste			~0,47

10. Fazit

Diese Konstantstrom-Treiberschaltung ist eine einfache, skalierbare und zuverlässige Methode zur Stromversorgung von LED-Hintergrundbeleuchtungen in LCD-Anwendungen. Durch die Gewährleistung eines konstanten LED-Stroms verbessern Sie die Helligkeitskonsistenz und die Lebensdauer des Displays deutlich. Ob für Produktion, Labor oder Prototyping – dieser Ansatz bietet eine kostengünstige, leistungsstarke Lösung, die sich an eine Vielzahl von Anwendungen anpassen lässt.