Analog contra PWM Dimmverfahren für geschaltete LED-Treiber

LEDs, die von Schaltreglern gespeist werden, lassen sich auf verschiedene Arten dimmen. Die beiden häufigsten Verfahren, PWM- und Analog-Dimmen, weisen spezifische Vor- und Nachteile auf. Im Artikel werden verschiedene Techniken verglichen.

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Die überproportional gestiegene Verbreitung von LED-Beleuchtungen hat dazu geführt, dass es mittlerweile eine riesige Auswahl an integrierten Schaltungen gibt, die LEDs kontrolliert mit Strom versorgen. Stromfressende Linearregler, einst noch der Standard, sind heute nicht mehr akzeptabel und wurden deshalb von geschalteten LED-Treibern abgelöst. Die breite Anwendungspalette erfordert präzise geregelte Ströme, zumal die LED-Intensität in einigen Fällen quasi in Echtzeit verändert werden muss.

Diese Funktion wird üblicherweise als Dimmungsregelung bezeichnet. In diesem Artikel geht es um verschiedene Techniken zum Dimmen geschalteter LED-Treiber. Im Vordergrund steht dabei ein Vergleich des analogen Dimmens mit der pulsweitenmodulierten (PWM) Regelung.

Helligkeit und Farbtemperatur von LEDs

Die Helligkeit des von einer LED erzeugten sichtbaren Lichts wird als Lichtstärke in der Einheit Candela (cd) angegeben. Die insgesamt von der LED abgestrahlte Leistung wird als Lichtstrom (Einheit: Lumen) quantifiziert. Der durchschnittliche Vorwärtsstrom einer LED entscheidet über ihre Helligkeit.

Die in den Datenblättern von LEDs angegebene Farbtemperatur gibt die Farbe des von der LED abgestrahlten Lichts an. Die als Bereich spezifizierte Farbtemperatur wird vom Vorwärtsstrom, von der Sperrschichttemperatur und vom Alter der LED beeinflusst. Niedrigere Farbtemperaturen sind eher rötlich-gelblich (wärmer), während Licht von höherer Farbtemperatur im bläulich-grünlichen Bereich als kälter empfunden wird. Bei vielen farbigen LEDs wird anstelle der Farbtemperatur die dominierende Wellenlänge angegeben, die ebenfalls Schwankungen unterliegt.

Dimmtechniken für LEDs

Für das Dimmen von LEDs, die mit geschalteten Treibern angesteuert werden, gibt es die Verfahren PWM- und analoges Dimmen. Beide Methoden verändern die zeitlich gemittelte Stromstärke in der LED bzw. LED-Kette. Beide Arten von Dimmschaltungen weisen spezifische Vor- und Nachteile auf.

Bild 1 zeigt einen geschalteten LED-Treiber mit Buck-Topologie (Abwärtswandler bzw. Tiefsetzsteller). VIN muss hier stets höher sein als die an der Serienschaltung aus LED und RSNS liegende Spannung. Die Stromstärken in der Induktivität L1 und der LED sind identisch. Die Regelung des Stroms erfolgt entsprechend der am CS-Pin liegenden Spannung. Sinkt diese unter einen bestimmten Sollwert, wird das Tastverhältnis des durch L1, die LED und RSNS fließenden getakteten Stroms angehoben, womit der durchschnittliche LED-Strom steigt. Die absolute Höhe des LED-Stroms lässt sich über den Widerstand RSNS einstellen, an dem die Spannung für den CS-Eingang des Reglers abgegriffen wird.

Analoge Dimmverfahren

Unter dem analogen Dimmen von LEDs versteht man das zyklusweise Einstellen des LED-Stroms. Dabei wird ein konstant fließender LED-Strom variiert. Analoges Dimmen lässt sich entweder durch Verstellen des Stromabtast-Widerstands RSNS erreichen oder durch das Anlegen einer analogen Spannung an einen entsprechenden DIM-Anschluss am Regler-IC. In Bild 1 sind beide Möglichkeiten dargestellt.

• Analoges Dimmen durch Variieren von RSNS

In Bild 1 ist zu sehen, dass ein Verändern des Widerstandswertes von RSNS zu einer Änderung des LED-Stroms führt, wenn die Referenzspannung am CS-Pin konstant ist. Gäbe es ein Potenziometer, das den hohen LED-Strom verkraftet und mit einem Widerstandswert unter 1 Ω verfügbar ist, wäre dies in der Tat eine geeignete Dimmmethode.

• Analoges Dimmen per Gleichspannung am CS-Pin

Komplexer ist das Verfahren, den Strom in der LED zyklusweise zu regeln, indem eine bestimmte Spannung an den CS-Pin gelegt wird. Die entsprechende Spannungsquelle wird dazu üblicherweise in eine Rückkoppelschleife eingefügt, die den LED-Strom abtastet und mit einem Verstärker puffert, über dessen Verstärkungsfaktor der LED-Strom variiert werden kann. Mit dieser Rückkoppelschleife können für einen weitergehenden Schutz der LED außerdem Foldback-Funktionen implementiert werden, die bei zu hoher Temperatur oder Stromstärke ansprechen.

Nachteilig an der analogen Dimmung ist, dass sich die Farbtemperatur der LED abhängig vom LED-Strom ändern kann. Wenn die Farbe der LED sehr wichtig ist oder die Farbtemperatur der verwendeten LED sehr stark von der Stromstärke abhängig ist, verbietet es sich von vornherein, die LED durch Variieren der Stromstärke zu dimmen.

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