Treiberelektronik

Worauf es beim Dimmen ankommt, damit die LED nicht flackert

| Autor / Redakteur: Guido Körber * / Hendrik Härter

Spread-Spectrum: Wird diese Technik auf ein PWM-Signal angewandt, dann variiert die Frequenz ständig. Es entsteht kein statisches Muster und Interferenzen lassen sich vermeiden.
Spread-Spectrum: Wird diese Technik auf ein PWM-Signal angewandt, dann variiert die Frequenz ständig. Es entsteht kein statisches Muster und Interferenzen lassen sich vermeiden. (Bild: Cypress)

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Damit die LED-Leuchte nicht flackert, spielt der entsprechende Treiber eine entscheidende Rolle. Denn allein auf die Pulsweitenmodulation zu setzen ist nicht konsequent. Wir zeigen, worauf zu achten ist.

Die ersten Jahre des Übergangs zur LED als allgemeine Lichtquelle waren geprägt davon, die Hürden des mechanischen Aufbaus und der Kühlung zu meistern. Dabei hat die steigende Effizienz der LEDs dazu beigetragen, das Problem mit der Kühlung zu reduzieren.

Standzeiten von 50.000 h sind heute keine leere Versprechung mehr. Zunehmend verlagert sich der Fokus der Entwicklung bei der LED-Technik hin zu mehr Komfort, höherer Lichtqualität und variabler Beleuchtung. Hier heißt das Stichwort Human Centric Lighting = HCL. Dabei passt sich das Licht dem Menschen an, unterstützt und stimuliert ihn. Neue Forschungsergebnisse zum Schlafverhalten = Circadianer Rhythmus [1] erlauben es mit gezielter Lichtsteuerung unterstützend auf unseren Tagesrhythmus einzuwirken. Dieser Rhythmus ist geprägt vom Wechsel von Tag und Nacht und den vier Jahreszeiten. Außerdem regelt er aktive und passive Phasen.

Damit geht, wie mit vielen anderen Funktionen, die das Licht flexibler gestalten, die Notwendigkeit einher, die LEDs zu dimmen. Abhängig von der Konstruktion der Leuchte ergeben sich daraus bestimmte Probleme und Nachteile. Die Ansteuerungsmethode der LEDs entscheidet darüber wie gut oder schlecht das Dimmen funktioniert. Eine wichtige Frage ist, wie viel Kontrolle der Dimmer über die LED hat.

Der klassische Phasenanschnitt- oder abschnittdimmer ist hier der Worstcase. Zwar lässt er sich ganz leicht mit den sogenannten „treiberlosen“ LEDs kombinieren, die direkt mit Netzspannung laufen, die Funktionsweise basiert aber darauf, die Sinuskurven der Netzsspannung an- oder abzuschneiden. Damit wird dann das ohnehin vorhandene Flimmern bei einer Frequenz von 100 Hz bei solchen Anwendungen deutlich verstärkt, da die Dunkelphase verlängert wird.

Zwei Methoden, den Lichtstrom einer LED zu steuern

Viele andere LED-Applikationen lassen sich mit dieser Art auf der Primärseite der Netzspannung überhaupt nicht dimmen. Entweder sind sie mit Phasenanschnitt- oder abschnittdimmung gar nicht kompatibel, oder sie arbeiten bis zu einem gewissen Dimmgrad mit konstanter Helligkeit weiter, um dann ganz abzuschalten. Qualitativ hochwertiges Dimmen von LEDs findet sekundärseitig auf der Gleichspannungsebene statt. Prinzipiell gibt es zwei Methoden, den Lichtstrom einer LED zu steuern: Den Strom zu variieren oder den Strom periodisch zu unterbrechen. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile.

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Dabei hat analoges Dimmen, bei dem der LED-Strom variiert wird, den Vorteil, dass ein kontinuierlicher Lichtstrom erhalten bleibt. Über Flimmern muss man sich also in diesem Fall keine Gedanken machen, da es nicht vorkommt. Abhängig vom Aufbau der LED-Einheit und des Treibers kann es aber Probleme mit der Steuerbarkeit und der Energieeffizienz geben. Bei der direkten Versorgung der LEDs mit einem Konstantstrom-Schaltregler ist der Bereich der Stromregelung meist stark eingeschränkt. Die Reger können häufig im Bereich von weniger als 5 bis 10 Prozent des Maximalstroms nicht mehr regeln und schalten dann bereits hart aus.

Bei der PWM ist Flimmern ein Funktionsprinzip

Durch die nichtlineare Wahrnehmung von Helligkeit durch das menschliche Auge kann das insbesondere bei Farbmischung unzureichend sein. Lineare Stromquellen sind dagegen deutlich weiter dimmbar, haben aber den Nachteil, in vielen Fällen deutlich weniger effizient zu arbeiten als Schaltregler. Richtig problematisch wird die analoge Dimmung, wenn die zu steuernden LEDs mit Hilfe vieler einzelner Stromquellen, oder sogar einfacher Vorwiderstände, versorgt werden. Das ist eine häufige Anordnung in LED-Stripes und anderen großflächigen Modulen. Hier müsste die Steuerung entweder bei jeder einzelnen Stromquelle eingreifen, oder bei Widerständen über die Spannung erfolgen, was nur eingeschränkt funktioniert.

Das sogenannte digitale Methode des Dimmens nutzt die Pulsweitenmodulation (PWM). Hier ist das Flimmern dann gewissermaßen Funktionsprinzip. Der Strom durch die LED wird periodisch unterbrochen. Das Verhältnis zwischen hell und dunkel ergibt dann die mittlere Helligkeit die wahrgenommen wird. Technisch ist das einfach umzusetzen, es erzeugt aber eine ganze Reihe Probleme die beachtet werden müssen.

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