Hochstrom-LED-Platine mit einem TIP3055-Leistungstransistor steuern

Erstellt: August 3, 2018
Aktualisiert am: September 25, 2020

Current with hundreds of LEDs

Eines der Berufsrisiken von Hardware ist ein proportional zum Alter wachsender Bauchumfang. Deshalb versuche ich, mich mit einem regelmäßigen Workout im Fitnessstudio fit zu halten. Energieriegel sind dabei unverzichtbar, mich durch meine Trainingseinheiten zu bringen, da sie mein Energielevel hochhalten.

Der Energieriegel im Sport gleicht einem Leistungstransistor in der Elektronik: Er stemmt Hochstrom-Komponenten, wie z. B. eine Kaskade von Hunderten von LEDs, die leicht über 10 A aus der Stromversorgung ziehen. Die Wahl eines falschen Transistors oder ein Fehler im PCB-Design kann die Hardware schnell schwer beschädigen.

Herausforderungen bei der Steuerung von Hochstrom-LEDs

Das Einschalten einer einzelnen LED ist einfach. Alles, was man braucht, um diese zum Leuchten zu bringen, ist ein Begrenzungswiderstand, der zwischen Netzteil und LED geschaltet ist. Diese kann dann problemlos direkt über den Anschluss eines Mikrocontrollers angesteuert werden. Im Prinzip gibt es keine Bedenken, dass sich der Widerstand aufheizt oder die Leiterbahnen der Leiterplatte durch übermäßige Hitze zerstört werden.

Ganz anders verhält es sich, wenn Sie versuchen, Hunderte oder Tausende von LEDs mit einem Mikrocontroller zu steuern. Angenommen, eine einzelne LED verbraucht 10 mA, dann ergeben hundert solcher einen Gesamtstrom von 1 A – für ein IC ziemlich hoch. Gesunder Menschenverstand verbietet es, die LED durch direkte Stromversorgung einzuschalten, was den Mikrocontroller sofort und irreparabel schädigen würde.

Noch schwieriger ist es, mithilfe eines Mikrocontrollers mehrere Stellen mit Hunderten von LEDs gleichzeitig zu illuminieren. Dies passiert oft bei der Beleuchtung von Gebäuden, bei denen einzelne Zonen mit einer LED-PCB beleuchtet werden sollen. In solchen Fällen ist die Verwendung von Leistungstransistoren zur Ansteuerung der LED-Gruppe eine kluge Entscheidung.

Was ist ein Leistungstransistor?

Ein Leistungstransistor gleicht im Wesentlichen einem Signaltransistor. Jedoch kann er eine größere Strommenge leiten, wenn er eingeschaltet ist. Zudem sind Leistungstransistoren meist in Gehäuseformen erhältlich, die die Wärme einfach und effizient ableiten.

Typical power transistor

So sehen Leistungstransistoren üblicherweise aus.

Leistungstransistoren sind als Bipolar Junction Transistor (BJT) und als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) erhältlich. BJT-Transistoren werden in NPN- und PNP-Transistoren unterschieden, während nMOS und pMOS die Familie der MOSFETs bilden. BJT-Transistoren werden durch einen Strom am Basis-Anschluss eingeschaltet, MOSFETs durch eine Spannung am Gate.

Bei der Steuerung von Hochstrom-LED-Platine spielen drei kritische Parameter eine Rolle: maximaler Laststrom, minimaler Strom bzw. die minimale Spannung, der/die zum Einschalten des Leistungstransistors erforderlich sind, sowie der thermische Widerstand.

Verwendung eines TIP3055-Leistungstransistors für LED-Platinen

Der TIP3055 ist ein NPN-Transistor, der einen Dauerlaststrom von 15 A verarbeiten kann. Um den Transistor einzuschalten, muss am Basis-Emitter-Übergang eine Vorwärtsspannung angelegt werden. Wenn der Basisstrom fließt, ist die Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Der TIP3055 ist in den Bauformen TO-218 und TO-247 erhältlich, beide mit Metallbeschichtung zur Ableitung überschüssiger Wärme.

Die korrekte Dimensionierung der erforderlichen Schaltungen ist nur der erste Schritt beim Entwurf mit dem Leistungstransistor TIP3055. Da er zur Ansteuerung von Hochstrom-Lasten verwendet wird, kann die vom Transistor abgeführte Leistung zu starker Wärmeentwicklung führen. Ein Kühlkörper, ob anmontiert oder in der Leiterplatte integriert, ist hilfreich, um einen Wärmestau zu verhindern.

Heatsink for temperature control
Kühlkörper helfen bei der Temperaturkontrolle.

Ein weiterer Fehler beim Einsatz eines Leistungstransistors ist die unzureichende Leiterbahnbreite, um die hohe Stromstärke zu bewältigen. Sowohl der Kollektor als auch der Emitter müssen mit ausreichend breiten Leiterbahnen verbunden werden. Die Breite ist dabei je nach Stromstärke, Temperatur und Kupferdicke zu berechnen.

In jedem Fall ist es wichtig, dass Sie die Ausgangsspannung und den Spannungsabfall im Auge behalten, um sicherzustellen, dass Ihr Gerät ordnungsgemäß und ohne unnötige Probleme funktioniert. Die Spannungsversorgung sollte in Ihrem Schaltplan leicht regelbar sein. Spannungsregler und Kühlkörper könnten weitere wichtige Komponenten in Ihrem Design sein.

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