Treiberelektronik

LEDs flimmerfrei dimmen

| Autor / Redakteur: Guido Körber * / Hendrik Härter

Flimmerfreies Licht: Damit die LED-Leuchte nicht flackert, kommt es auf den LED-Treiber an.
Flimmerfreies Licht: Damit die LED-Leuchte nicht flackert, kommt es auf den LED-Treiber an. (Bild: donatas1205/Fotolia.com)

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 einer LED 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.

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.

Da der Lichtstrom einer LED praktisch sofort einsetzt und wieder abreißt, wenn der Strom ein oder aus geschaltet wird, gibt es hier keine Dämpfung des Flimmerns, wie das bei der klassischen Glühlampe durch die thermische Trägheit der Fall war. Die LED blinkt also gewissermaßen mit der PWM-Frequenz. Das wird von den meisten Menschen bis zu einigen 100 Hz deutlich wahr genommen. Insbesondere bei Bewegungen ist auch bei höheren Frequenzen noch der bekannte Stroboskopeffekt sichtbar. Das bewusste Wahrnehmen der PWM-Frequenz ist erst ab etwa 500 Hz relativ sicher auszuschließen.

Gefährlich wird es im Umfeld von Maschinen: Der Stroboskopeffekt führt dazu, dass rotierende Objekte verlangsamt oder sogar stehend erscheinen können. Kameras zeigen bei PWM-gedimmten Licht oft Streifen im Bild. Befinden sich mehrere PWM-gedimmte Lichtquellen nahe beieinander, dann kann es zwischen diesen zu Flimmern durch Interferenz kommen. Das Flimmern kann, auch wenn es nicht bewusst wahr genommen wird, physiologische Effekte haben. Als Resultat davon sinkt die Konzentration oder es kommt sogar zu Beschwerden.

Die genauen Effekte von nicht kontinuierlichem Licht sind noch nicht sehr umfangreich untersucht worden, es laufen aktuell viele wissenschaftliche Arbeiten in dieser Richtung. Bekannt ist, dass einige Tierarten auf PWM-gedimmtes Licht sehr viel empfindlicher als Menschen reagieren.

Interferenzen vermeiden: Im LED-Warrior04 von Code Mercenaries wird die PWM-Frequenz mit einem Pseudo-Zufallsgenerator ständig variiert. Die spektrale Verteilung des Flimmerns wird so weit wie möglich gespreizt.
Interferenzen vermeiden: Im LED-Warrior04 von Code Mercenaries wird die PWM-Frequenz mit einem Pseudo-Zufallsgenerator ständig variiert. Die spektrale Verteilung des Flimmerns wird so weit wie möglich gespreizt. (Bild: Code Mercenaries)

PWM-Frequenzen und elektromagnetische Störungen

Eine mögliche Lösung, um diesen Effekt zu vermeiden, ist es die PWM-Frequenz zu erhöhen. Das ist aber nicht beliebig möglich. Wie hoch die Frequenz werden kann, hängt wiederum von der Konstruktion der jeweiligen Leuchte ab. Schaltregler lassen sich im Allgemeinen nicht gut mit hohen PWM-Frequenzen ansteuern. Wie hoch die PWM-Frequenz werden kann, hängt von der Schaltfrequenz des Reglers ab. Kommt die PWM-Frequenz zu nahe an die Schaltfrequenz des Reglers, arbeitet dieser nicht mehr.

Für analoge Stromregler ist es meist leichter, auch mit höheren PWM-Frequenzen klar zu kommen. Allerdings ist es ein Problem bei hohen PWM-Frequenzen, dass sie elektromagnetische Störungen aussenden. Da eine relativ große Leistung hart ein- und ausgeschaltet wird, ergeben sich dabei Störungen, die um so effektiver abgestrahlt werden, je länger die Leitungen sind. Generell gilt die Faustregel, dass höherer Strom, höhere PWM-Frequenz und längere Leitung jeweils mehr Störabstrahlung ergeben.

In der Praxis ergeben sich aus diesen Erwägungen meistens PWM-Frequenzen im Bereich von 500 bis 2000 Hz als ein möglicher Kompromiss. Dabei ergibt sich in der Regel kein bewusst wahrgenommenes Flimmern mehr, es treten aber noch Artefakte wie beispielsweise Interferenz mit Kameras oder der Stroboskopeffekt bei drehenden Bewegungen auf. Höhere statische PWM-Frequenzen sind in der Regel aber nicht praktikabel.

Will man das Problem der Störungen und Artefakte durch PWM lösen, dann wird man bei den modernen Funkverfahren fündig. Die Spread-Spectrum-Technik verteilt ein Signal über einen breiteren Frequenzbereich, um so Störungen zu vermeiden und die durchschnittliche Leistung bei einer bestimmten Frequenz zu reduzieren. In der Funktechnik werden so Signale gegen schmalbandige Störungen immun.

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)

Spread-Spectrum-Technik vermeidet Interferenzen

Wendet man die Spread-Spectrum-Technik auf ein PWM-Signal an, dann bedeutet das, dass die Frequenz ständig variiert wird. So entsteht kein statisches Muster und es gibt keine Interferenz mit anderen Lichtquellen oder Kameras. Im Optimalfall verhält sich das PWM-Signal dann wie ein Rauschen und ist nicht mehr wahrnehmbar. Eine praktische Implementierung dieser Technik findet sich im LED-Warrior04 von Code Mercenaries [2]. Dort wird die PWM-Frequenz mit einem Pseudo-Zufallsgenerator ständig variiert.

Die Länge der Impulse variiert ebenfalls, um die spektrale Verteilung des Flimmerns so weit wie möglich zu spreizen. Je nach Dimmstufe verteilt sich das PWM-Signal so auf einen Frequenzbereich von 184 bis maximal 187.000 Hz (kein Druckfehler, der Schaltregler läuft mit bis zu 2 MHz). Die minimale Dimmstufe beträgt dabei 0,024 Prozent. Durch die spektrale Verteilung ergibt sich auch kein EMV-Problem trotz der im Maximum extrem hohen PWM-Frequenz. Die Energie des Signals verteilt sich gleichmäßig über einen weiten Frequenzbereich und bleibt so deutlich unter den Grenzwerten.

Ergänzendes zum Thema
 
Der LED-Warrior04 im Überblick

So ergibt sich für fast alle Anwendungen, bei denen LEDs gedimmt werden sollen, kein wahrnehmbares Flimmern, keine Artefakte und keine Interferenz. Außerdem werden die EMV-Probleme durch die PWM vermieden. Für das nächste Licht-Projekt lohnt es sich, über PWM mit Spread Spectrum nachzudenken, wenn hochwertiges Dimmen ohne Flimmern gewünscht ist.

Referenzen

[1] http://www.licht.de/de/trends-wissen/wissen-kompakt/lichtlexikon/details-lichtlexikon/circadianer-rhythmus/ (abgerufen am 20. April)[2] http://www.codemercs.com/de/led-lighting (abgerufen am 20. April)

* Guido Körber ist Geschäftsführer bei Code Mercenaries Hard- und Software GmbH Schönefeld bei Berlin.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44622802 / LED & Optoelektronik)