LED-Treiber Moderne Stromversorgungen machen das Dimmen von LEDs zum Kinderspiel

Autor / Redakteur: Jörg Traum * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Glühlampen sind mittlerweile verboten und Energiesparlampen sehr umstritten. Damit hätte die LED beste Chancen, das Leuchtmittel der Zukunft zu werden – wenn nur das Dimmen nicht so schwierig wäre!

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Mit den richtigen Stromversorgungen wird das Dimmen von LED-Beleuchtungen zum Kinderspiel
Mit den richtigen Stromversorgungen wird das Dimmen von LED-Beleuchtungen zum Kinderspiel
(Bild: Bild: EMTRON)

Das Dimmen von Lampen ist nicht nur ein Mittel, um bei gemütlichen Runden am Kamin eine kuschelige Stimmung zu erzeugen. Dimmen ist ein wichtiges Werkzeug im Rahmen von Smart-Building-Konzepten ebenso wie in der Straßenbeleuchtung. Denn wenn am Wochenende im Bürohochhaus nicht viel los ist, kann man sich die volle Festbeleuchtung sparen und nur dann aufdrehen, wenn doch einmal ein Bediensteter auftauchen sollte.

Ergänzendes zum Thema
LEDs dimmen: Worauf Endverbraucher achten sollten

Liebe Leser,

dieser Online-Beitrag ist auf der Website des Elektronikmagazins ELEKTRONIKPRAXIS erschienen - einer Elektronik-Fachzeitschrift, die sich an Entwicklungsingenieure richtet. Ziel des Beitrag ist, Elekronikingenieuren zu erklären, welche Möglichkeiten es gibt, LEDs zu dimmen und was dabei zu beachten ist - und zwar technisch fundiert und damit für Laien unverständlich - das lässt sich aber leider nicht vermeiden, wenn Fachleute für Fachleute schreiben.

Dimmbare LED-Leuchtmittel als Ersatz für herkömmliche Glühlampen gibt es im Fachhandel zu kaufen. Worauf Laien dabei achten sollten, wird im folgenden YouTube-Video verständlich erklärt: http://www.youtube.com/watch?v=iao0_Rd5iNA. (dieses Video finden Sie auch auf dieser Seite etwas weiter unten).

Beste Grüße
Thomas Kuther, Redakteur ELEKTRONIKPRAXIS

Nach dem gleichen Prinzip können Stadtwerke die Straßenbeleuchtung in wenig frequentierten Gassen auf ein Minimum reduzieren. Sobald jedoch ein Fußgänger diesen Bereich betritt, fährt ein Bewegungsmelder die Leistung kurzfristig hoch, verlässt er den Bereich wieder, so wird die Helligkeit wieder abgesenkt. Ergebnis: Die Stadtkasse wird entlastet, der Bürger fühlt sich dennoch sicher.

Glühlampen lassen sich einfach dimmen

Allerdings lassen sich LED-Beleuchtungen nicht so leicht stufenlos dimmen wie die althergebrachten Glühlampen. Betrachten wir einmal die Funktionsweise eines Dimmers für Glühlampen. Zumeist werden hier Dimmer eingesetzt, die nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung arbeiten. Dabei ist ein Triac in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet, also mit der Glühlampe. Der Triac schaltet während jeder Periode der Wechselspannung die Spannung für eine kurze Zeit durch und sperrt dann wieder. Dieser Zeitraum ist variabel; er bestimmt, wie hell die Glühlampe leuchtet – schaltet er für die gesamte Halbwelle durch, so erreicht die Glühlampe ihre volle Helligkeit.

Video für Anwender: Worauf Sie beim LED-Dimmen achten sollten

LEDs lassen sich nicht direkt über einen Dimmer steuern

Die Phasenanschnittsteuerung ist ebenso wie die seltener verwendete Phasenabschnittsteuerung eine Wechselspannungstechnik. LEDs arbeiten aber mit Gleichstrom, sie lassen sich also nicht direkt über einen solchen Dimmer steuern. Das gilt auch für LED-Lampen, die sich direkt in Glühlampenfassungen einschrauben lassen, denn auch sie liegen nicht direkt am Wechselstromnetz. Vielmehr befindet sich in der Fassung eine Ansteuerelektronik, die den für den Betrieb der LED erforderlichen Gleichstrom liefert.

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Beim Einsatz einer solchen Retrofit-Lampe würde dann also nicht die LED gedimmt, sondern das Vorschaltgerät. Das Ergebnis hängt dann von der spezifischen Auslegung dieses Vorschaltgeräts ab. Weil diese für den Anwender nicht per se als bekannt vorausgesetzt werden kann, ist auch das Resultat nicht vorhersehbar; es ist nicht auszuschließen, dass dabei in manchen Fällen das Vorschaltgerät zu Schaden kommt. Selbst wenn das Vorschaltgerät die ihm zugelieferten angeschnittenen Phasen klaglos verarbeitet, ist aber noch ein weiteres Problem zu lösen:

Die I-U-Kennlinie der LED ist nicht linear

Um die Helligkeit einer LED kontrolliert zu steuern, muss sich die Veränderung des Stroms exakt an der Strom-Spannungs-Kennlinie der Leuchtdiode orientieren – und diese ist bekanntlich nicht linear. Die LED ist eine Diode, und wie alle Dioden reagiert sie bei steigender Versorgungsspannung zunächst einmal nur minimal oder überhaupt nicht. Erst bei Erreichen der Durchlass-Spannung steigt der Strom und damit die Lichtausbeute steil an. Eine Dimmung wie bei einer Glühbirne würde damit eine ganz andere Korrelation aus Eingangsgröße (Stellung des Regelpotenziometers) und Ausgangsgröße (Lichtleistung der LED) zur Folge haben.

Dimmen via Pulsweitenmodulation

In Gleichstromkreisen wird die Helligkeit einer Glühlampe häufig über eine Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Weil der Glühfaden relativ träge reagiert, stellt sich eine gleichmäßige Helligkeit ein, deren Wert proportional zum Puls-Pausen-Verhältnis ist; die Trägheit des Glühfadens gleicht das Pulsieren der Versorgungsspannung aus, sofern die Grundfrequenz der Pulse nur hoch genug ist.

LEDs neigen bei PWM zum Flimmern

Bei einer LED-Beleuchtung lässt sich die PWM im Prinzip ebenfalls anwenden. Allerdings kommt es wegen der schnellen Reaktion der LEDs zu einer erheblichen Lichtwelligkeit, die in einem gewissen periodischen Flackern bzw. Flimmern resultiert. Zwar mag dieses Flackern mit dem bloßen Auge kaum wahrzunehmen sein. Doch können im Zusammenwirken von gedimmten LEDs mit anderen nichtkontinuierlichen Lichtquellen wie etwa TV- oder Computerbildschirmen Interferenzen entstehen.

Zudem kann es durch das Flimmern zu stroboskopischen Effekten kommen. Damit können bei schnell bewegten Objekten wie etwa Werkzeugmaschinen Bewegungstäuschungen entstehen, die durchaus sicherheitsrelevant sein können. Darüber hinaus werden dem Flimmern gedimmter LEDs bestimmte physiologische Effekte zugeschrieben. Es gibt Studien, die darin den Auslöser von Kopfschmerzen und subjektivem Unwohlempfinden seitens der Benutzer erblicken. Versuche des Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) sollen sogar nachgewiesen haben, dass dieses Flimmern bei entsprechend veranlagten Personen epileptische Anfälle auslösen kann.

Auswerteschaltung setzt herkömmliches Dimmsignal um

In der Praxis wird die Helligkeit von LED-Beleuchtungen daher meist nicht über die beschriebenen Dimmverfahren gesteuert – zumindest nicht direkt. Stattdessen wird in modernen dimmfähigen LED-Stromversorgungen wie etwa dem PCD-16 von Emtron electronic ein etwa vorhandenes Signal einer Phasenanschnittsteuerung mithilfe einer Auswerteschaltung in einen Steuer(gleich)strom umgesetzt, dessen Höhe die Helligkeit der LED bestimmt. Weil dieser Strom zeitlich konstant und von der Netzfrequenz entkoppelt ist, kann eine Welligkeit der Lichtintensität gar nicht erst entstehen. Diese Überlegungen über Phasenanschnittsteuerungen gelten sinngemäß auch für die Pulsweitenmodulation.

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Gleichstrom-Dimmung ändert die Lichtfarbe der LED

Es sei nicht verschwiegen, dass auch die Gleichstrom-Dimmung einen Nachteil besitzt: Bei einer Änderung des Stroms durch die LEDs ändert sich geringfügig der Lichtort, das heißt, die Lichtfarbe verschiebt sich, und zwar je nach LED-Typ meist zum „roten“ Ende des Spektrums. Allerdings kann diese Veränderung in den meisten Anwendungsfällen als vernachlässigbar bezeichnet werden. In bestimmten Umgebungen (Wohn- und Schlafzimmer, Gastronomie) ist sie sogar erwünscht – es gibt sogar LED-Treiberchips, die die durch die Rotverschiebung erzeugte „kuschelige“ Atmosphäre beim Dimmen von Glühlampen auf LED-Beleuchtungsanlagen zu übertragen versuchen.

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Dimmen verbessert LED-Wirkungsgrad und Lebensdauer

In technischer Hinsicht hat dieses Analog-Dimm-Verfahren eine Reihe von Vorteilen. So wird die LED dabei von einem gegenüber Volllast reduzierten Strom durchflossen; entsprechend sinkt die Sperrschichttemperatur. Dadurch verbessert sich der energetische Wirkungsgrad und die Lebensdauer der LED wird verlängert. Darüber hinaus wirkt sich die analoge Dimmung günstig auf das EMV-Verhalten der gesamten Anordnung aus, da keine Strom- und Spannungspulse auftreten – im Gegensatz zur PWM, die mit ihren Rechteckpulsen breitbandige elektromagnetische Störungen erzeugt.

Drei verschiedene Schaltungen zum Dimmen

Gut ausgestattete LED-Stromversorgungen wie etwa das HLG-320H und andere Geräte aus dem breiten Sortiment von Emtron electronic verfügen über eine sogenannte 3-in-1-Dimmung. Bei dieser sekundärseitigen Helligkeitsregelung können drei verschiedene Eingangsbeschaltungen zur Gewinnung des Dimming-Signals genutzt werden. Dem Anwender oder Systemintegrator steht damit ein flexibles Instrumentarium zur Umsetzung seiner Dimm-Wünsche zur Verfügung.

Dimmen über einen Widerstand am Eingang

Die 3-in-1-Dimmung bietet beispielsweise die Möglichkeit, den Steuereingang mit einem Widerstand zu beschalten und damit das Helligkeitsniveau der Beleuchtung einzustellen. Dazu eignet sich ein Potenziometer ebenso wie die Beschaltung mit einem Festwiderstand. Ein offener Eingang entspricht einem Widerstandswert von unendlich; damit stellt sich ein Lichtpegel von 100% ein.

Steuerspannung bestimmt Dimmfaktor

Die zweite Option besteht in der Möglichkeit, die Helligkeit über eine Steuerspannung zwischen 1 und 10 V am Eingang einzustellen. Je nach eingestellter Spannung ergibt sich ein Strom durch die LED zwischen 10 und 100% des Nennwertes.

PWM-Signal zur Helligkeitssteuerung der LED

Als dritte Möglichkeit nimmt das Netzteil auch ein PWM-Signal zur Einstellung der LED-Helligkeit entgegen. Dieses pulsierende Signal wird jedoch nicht auf den Stromausgang durchgeschaltet, sondern mithilfe einer Auswerteschaltung in eine kontinuierliche Stellgröße umgewandelt.

Diese Option bietet Vorteile in Gebäudemanagementsystemen, bei denen die Steuersignale über weit verzweigte Bussysteme zu den LED-Stromversorgungen gelangen: Ein PWM-Signal mit seinen deutlich unterscheidbaren Spannungspegeln lässt sich in solchen komplexen Umgebungen sicherer übertragen als ein Spannungs- oder Widerstandswert.

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Literaturhinweise:

[1] Prof. Dr.-Ing. Peter Marx, Ludwigsburg 2012

[2] Scott Brown, iWatt, EE Times Europe 2012

* Jörg Traum ist Geschäftsführer der Emtron electronic GmbH in Nauheim

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