LED-Treiberbausteine, Teil 1

LEDs dimmen – welche Techniken gibt es?

14.05.13 | Autor / Redakteur: Michael Würkner und Shane Callanan * / Hendrik Härter

Welchel Dimm-Techniken für LEDs gibt es und was sind ihre Eigenheiten?
Welchel Dimm-Techniken für LEDs gibt es und was sind ihre Eigenheiten? (Bild: VBM-Archiv)

In unserem Beitrag stellen wir zwei Dimm-Methoden für LEDs und deren spezielle Eigenheiten vor. Der erste Teil des Beitrages geht auf die gepulste Ansteuerung ein.

Um die Intensität des von einer LED abgestrahlten Lichts zu reduzieren, bieten sich zwei Möglichkeiten an: Verringerung des Stroms oder die Reduzierung des Tastverhältnisses. Beide Methoden haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Deshalb ist es wichtig für jeden Anwendungsfall die Eigenheiten beider Verfahren zu kennen, um auf dieser Basis die bestgeeignete Dimm-Methode auszuwählen.

Wenn der Strom reduziert wird, spricht man auch von einer analogen oder linearen Dimmung. Dieses Verfahren beruht darauf, passend zur gewünschten Helligkeit, die LED bis zur in Durchlassrichtung geringstmöglichen Stromstärke am jeweiligen Arbeitsspannungspunkt anzusteuern. Wegen der steilen Diodenkennlinie ist für konstante Helligkeit eine sehr präzise Stromregelung nötig, und so lässt sich diese Methode unter Umständen nur schwierig umsetzen, wenn man nicht eine bereits dafür ausgelegte Reglungseinheit einsetzt.

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Kleineres Tastverhältnis bei gepulster Ansteuerung

Bei der gepulsten Ansteuerung wird die LED abwechselnd mit maximaler Helligkeit ein- und ausgeschaltet. Diese Frequenz ist so hoch gewählt, dass das menschliche Auge die einzelnen Schaltvorgänge nicht mehr wahrnimmt. Bei einer stationären Lichtquelle reichen 100 bis 120 Hz aus, doch bei einer bewegten Lichtquelle muss die Frequenz zur Vermeidung von Stroboskop-Effekten höher gewählt werden.

Solange die Frequenz über der Einzelpuls-Wahrnehmungsschwelle liegt, integriert das Auge alle Pulse und bildet in etwa den zeitlichen Mittelwert der hellen und dunklen Anteile. Empfunden wird eine gleichmäßige Helligkeit. Wie hell das Licht wahrgenommen wird, hängt vom Puls-Pausen-Verhältnis (Tastverhältnis) ab. Unterschreitet die Ansteuerfrequenz aber eine bestimmte Grenze, wird das Licht als flimmernd empfunden. Das Variieren des Tastverhältnisses ist die bevorzugte Dimm-Methode, da sie sich einfacher umsetzen lässt, als eine Stromreduzierung.

Grundsätzlich kann die gepulste Ansteuerung nach drei Verfahren erfolgen:

  • Pulsweiten-Modulation (PWM): Hier wird das Tastverhältnis (ein- zu ausgeschalteter Zeitanteil) verändert, während Stromstärke und Pulsfrequenz konstant sind.
  • Pulsfrequenz-Modulation (PFM): Während die Stromstärke und das Tastverhältnis konstant sind, wird hier die Pulsfrequenz verändert.
  • Pulscode-Modulation (PCM): Ein konstanter Strom wird bei dieser Methode mit zufällig wechselnden Pulslängen ein- und ausgeschaltet.

Tastverhältnis beeinflusst die Lichtintensität

Die Intensität des Lichts, das eine LED emittiert, ist proportional zum Tastverhältnis, mit dem sie periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Durch Variieren des Tastverhältnisses von 0 bis 100% kann man somit die Lichtintensität von 0 bis 100% verändern. Das Pulsweiten-Verfahren (PWM) ist mit großem Abstand die meistverwendete Methode für die gepulste Ansteuerung von LEDs. Die Pulsfrequenz-Modulation (PFM) besitzt für bestimmte Anwendungen eine Reihe von Vorteilen. Das PCM-Verfahren ist dagegen kaum verbreitet, da schaltungstechnisch aufwändig.

Ob LEDs besser über Stromreduzierung oder das Tastverhältnis dimmbar sind, lässt sich nicht pauschal beantworten. Deshalb sollen beide Verfahren nach Wirkungsgrad, Farbkonstanz, Auflösung, Stabilität, Zuverlässigkeit und elektromagnetischer Störung verglichen werden.

Wirkungsgrad: Wenn die Ansteuerung mit voller Leistung erfolgt, also mit auf nahe 100% ausgesteuerter Dimmung, sind beide Verfahren hinsichtlich der Leistungsaufnahme praktisch identisch. Der Wirkungsgrad von LEDs ist infolge der geringeren Eigenerwärmung der LEDs bei niedrigeren Stromstärken höher, sodass die Dimmung durch Absenken des Stroms immer den größtmöglichen Wirkungsgrad erzielt.

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