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LED-Treiberbausteine, Teil 2 LEDs dimmen – welche Techniken gibt es?

Autor / Redakteur: Michael Würkner und Shane Callanan * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Im ersten Teil haben wir zwei Dimm-Methoden für LEDs und ihre Eigenheiten vorgestellt. Der zweite Teil geht auf die Farbkonstanz ein und erklärt das PWM-Verfahren zum Dimmen von LEDs.

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Die LDB-Serie von Excelsys: Um LEDs zu dimmen, kann die gepulste Ansteuerung durch drei Verfahren erfolgen - PWM, PFM und PCM
Die LDB-Serie von Excelsys: Um LEDs zu dimmen, kann die gepulste Ansteuerung durch drei Verfahren erfolgen - PWM, PFM und PCM
(CompuMess)

Im ersten Teil haben wir erklärt, wie sich die Intensität des abgestrahlten Lichts einer LED durch zwei Methoden beeinflussen lässt. Dazu kann man entweder den Strom verringern oder das Tastverhältnis reduzieren. Wichtig dabei war, jeweils die Eigenheiten beider Methoden bezogen auf einen konkreten Anwendungsfall zu kennen. Im Beitrag werden PWM (Pulsweitenmodulation) und PFM (Pulsfrequenzmodulation) verglichen und nach Wirkungsgrad und Farbkonstanz untersucht.

Farbkonstanz: Die Farbe, oder die Wellenlänge des von einer LED emittierten Lichts, hängt von der Breite der Bandlücke des verwendeten Materials ab. Die Bandlücke ist proportional zur Temperatur, sodass sich die Leuchtfarbe mit der Sperrschichttemperatur, die unter anderem von der Eigenerwärmung abhängt, ändert. Hält man die Eigenerwärmung konstant, bleibt die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts gleich. Das gilt unter der Voraussetzung, dass eine sehr wirksame Wärmeableitung erfolgt, um einen Wärmestau zu verhindern.

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Das LED-Netzteil und der Wirkungsgrad

Der Vertrieb und das Design-In von AC/DC- und LED-Netzteilen des irischen Herstellers Excelsys Technologies wird in Deutschland seit über 10 Jahren von CompuMess Elektronik betreut.

Die LED-Netzteile müssen über hohe Wirkungsgrade und lange Lebensdauern verfügen. Ein hoher Wirkungsgrad ist für die Netzteile essentiell, da er Energie einspart und gleichzeitig die Lebensdauer erhöht. Grund dafür ist, dass die als Wärme abgegebenen Verluste die Lebensdauer der Bauelemente reduzieren. Als Faustregel wird die Lebensdauer bei einer Temperaturabsenkung von 10 °C verdoppelt. Die Excelsys LX-Serien erreichen dabei Wirkungsgrade bis über 92% durch die Schaltreglertechnologie, die durch planare, auf der Leiterplatte integrierte Übertrager optimiert wird. Mit einem Versorgungsspannungsbereich von 90 bis 305 VACwird neben Europa, Asien und den USA der weltweite Einsatz abgedeckt. Gleichzeitig bieten die IP67-Metallgehäuse sowohl reduzierte Temperaturen durch optimale Kühlung durch Wärmeleitung des Metalls, als auch Schutz vor eindringendem Staub und Feuchtigkeit.

Eindringender Schmutz verstopft die Wärmeabführung und führt zu höheren Bauteiltemperaturen und geringerer Lebensdauer. Dies wird besonders bei hohen Aussentemperaturen relevant. Die Energieeinsparung wird als Kostenfaktor umso bedeutsamer, je länger und je mehr LEDs täglich leuchten.

Die Eigenerwärmung einer LED und der Wirkungsgrad

Die Eigenerwärmung einer LED ist umso geringer, je höher ihr Wirkungsgrad ist. Hieraus folgt wiederum, dass die Dimmungsmethode, die sich am stärksten auf den Wirkungsgrad auswirkt, die größte Wellenlängenänderung (Spektralverschiebung) verursacht. Bei der Dimmung durch Herabsetzen der Stromstärke arbeitet die LED stets am optimalen Punkt. Die LED wird deshalb mit zunehmender Dimmung immer effizienter, was die Eigenerwärmung verringert. Die Energie der Bandlücke nimmt zu, und die Wellenlänge des emittierten Lichts wird kürzer. Bild 2 zeigt, dass die Dimmung über den Strom die stärkste Wellenlängenänderung hervorruft. Nur in der Nähe einer Helligkeit von 0% verläuft die Änderung weniger steil.

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Werden LEDs über den Strom gedimmt, sollte die vom Hersteller verwendete Binning-Methode bekannt sein. Unter Binning versteht man eine Selekionsmethode zur Sortierung in Klassen von Eigenschaften. Es ist technisch unmöglich, zwei LEDs herzustellen, die sich unter allen Einsatzbedingungen exakt gleich verhalten, werden LEDs entsprechend ihren Eigenschaften bei einem vorgegebenen Prüfstrom in verschiedene Bins sortiert. Dadurch kann das Verhalten bei anderen Strömen stark variieren. Deutlich sichtbar wird das bei sehr geringen Strömen, wenn einige LEDs noch leuchten, während andere dunkel bleiben.

Da der Wirkungsgrad bei der PWM-Dimmung theoretisch über den gesamten Dimmungszyklus gleich bleibt, müsste die momentane Eigenerwärmung konstant sein, sodass sich die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts nicht ändern dürfte. In der Praxis aber steigt die Temperatur in jedem Zyklus mit einer gewissen Verzögerung an. Diese Abschrägung im Temperaturprofil nimmt mit abnehmendem Tastverhältnis einen immer größeren Teil der Impulsdauer ein. Wenn sich das Tastverhältnis der Marke von 0% nähert, nimmt deshalb die Sperrschichttemperatur ab und die Wellenlänge verschiebt sich. Beim Dimmen nach dem PFM-Verfahren wird die LED mit Impulsen angesteuert, deren Dauer konstant ist, während sich die Frequenz ändert. Dabei verzögert sich die Das verzögerte Einsetzen der Eigenerwärmung kommt deshalb unabhängig von der Helligkeit gleich stark zum Tragen, sodass die Temperatur linear abnimmt. Die Wellenlänge des Lichts verändert sich linear.

Welche Vorteile hat das PFM-Verfahren gegenüber der PWM-Dimmung?

  • Höherer Wirkungsgrad infolge der niedrigeren Sperrschichttemperatur.
  • Die lineare Abhängigkeit der Leuchtintensität und der Farbänderung vom Tastverhältnis erlaubt eine Temperaturkompensation nach dem Feed-Forward-Prinzip. (Eine schnelle, vorausschauende Regelung, die eine bekannte lineare Abhängigkeit zur Vorausberechnung der Stellgröße nutzt (feed-forward), statt nur die Regelabweichung zu messen.)
  • Die reduzierte Erwärmung ergibt eine dauerhaft höhere Leuchtintensität.

Alle Aussagen setzen einen idealen Kühlkörper voraus. Die temperaturabhängige Farbverschiebung fällt bei allen beschriebenen Dimmungsverfahren umso geringer aus, je wirksamer die Verlustwärme abgeleitet wird. Viele weiße High-Brightness-LEDs enthalten eine leistungsstarke blaue LED mit einer Beschichtung aus gelbem Phosphor. Ein Teil der blauen Photonen, die auf die Phosphorschicht treffen, wird absorbiert und über ein weites Spektrum verteilt wieder abgestrahlt. Zusammen mit den ungehindert durch die Phosphorschicht dringenden blauen Photonen ergeben sie weißes Licht. Bei geringen Stromstärken dominieren die vom Phosphor abgestrahlten Photonen und das Licht tendiert ins gelbliche. Bei höheren Stromstärken nimmt die Helligkeit der LED zu und der Anteil der blauen Photonen steigt, sodass das Licht ins Blaue wechselt. Bei weißen LEDs kommt die durch das Variieren des Stroms verursachte spektrale Verschiebung stärker zum Tragen als es aufgrund der Temperaturänderung zu erwarten wäre. Betreibt man die LEDs mit Pulsen konstanter Intensität, tritt dieses Problem nicht auf.

* Dr. Michael Würkner ist Marketingleiter OEM-Produkte bei CompuMess und Shane Callanan arbeitet bei Excelsys.

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