Dimmverfahren für geschaltete LED-Treiber

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LED-Lichtausbeute beim Dimmen

Unter der Lichtausbeute einer LED versteht man die als sichtbares Licht abgestrahlte Leistung (in Lumen) dividiert durch die aufgenommene elektrische Leistung (in Watt). Die Maßeinheit der Lichtausbeute ist somit Lumen/Watt (lm/W). Die von der LED aufgenommene elektrische Leistung, die nicht in sichtbares Licht umgewandelt wird, wird entweder in Wärme oder in nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung gewandelt. Typisch für LEDs ist, dass sie bei niedriger Ausgangsleistung eine höhere Lichtausbeute erreichen.

Bild 7 zeigt den Zusammenhang zwischen Vorwärtsstrom und Lichtstrom. Mit zunehmendem LED-Strom verläuft die Kurve nichtlinear. Die in Lumen pro Watt angegebene Lichtausbeute geht allerdings zurück, sobald der Vorwärtsstrom der LED den linearen Bereich verlässt. Oberhalb dieses linearen Bereichs setzt die LED einen größeren Teil der aufgenommenen elektrischen Leistung in Wärme um.

Die Lichtausbeute der LED bei geringen Dimmpegeln ist beim analogen Dimmen größer als beim PWM-Dimmen. Verdeutlichen lässt sich dies mit einer LED, die mit einem PWM-Signal von niedrigem Tastverhältnis gedimmt wird. Der maximale LED-Strom ist hierbei deutlich größer als der über die Zeit gemittelte durchschnittliche LED-Strom. Laut Bild 7 vergeudet die LED während der kurzen Phasen mit hohem Spitzenstrom Leistung. Eine analog gedimmte LED dagegen arbeitet stets mit dem niedrigeren durchschnittlichen Strom.

Netzbetriebene LED-Leuchten

Direkt am Stromnetz betriebene LED-Leuchten müssen für Wechselspannungen von 100 V in Japan/USA und bis über 300 V in einigen industriellen Anwendungen ausgelegt sein. Zu den Vorteilen, die sich einstellen, wenn Energiesparlampen oder Leuchtstoffröhren durch LED-Leuchten ersetzt werden, gehört die längere Lebensdauer der LEDs. LED-Leuchten können bis zu 80.000 Betriebsstunden ohne Wartung oder Austausch überstehen, während es eine Leuchtstofflampe unter Umständen nur auf 6000 Stunden bringt. Die deutlich größere Haltbarkeit der LEDs macht die höheren Anschaffungskosten häufig mehr als wett.

Die Möglichkeit, LED-Leuchten zu dimmen, dürfte insbesondere beim Einsatz in Wohnungen gewünscht werden. Zwei Dimmtechniken sind verbreitet: Triacs und die Dimmsteuerung mit einer Gleichspannung von 10 V. Triac-Dimmer sind jedoch deutlich verbreiteter. Sie arbeiten nach dem Phasenanschnittverfahren, d.h., sie schneiden jeweils einen Teil der Sinuswelle ab und variieren damit im Prinzip das Tastverhältnis der Versorgungsspannung für die Leuchte. Bei stark gedimmtem Licht ist es schwierig Flimmern zu vermeiden. Weiterentwicklungen speziell für Triac-Dimmer sorgen dafür, dass moderne Treiber niedrige Dimmpegel besser zu flimmerfreien Licht decodieren.

Die 10-V-DC-Dimmung sieht vor, dass eine entsprechend vorbereitete Leuchte mit einem speziellen Dimmungs-Steuersignal zwischen 0 und 10 V versorgt wird, wobei 0 V für „Leuchte aus“ und 10 V für maximale Helligkeit steht. Diese Technik erfordert allerdings eine eigene Steuerleitung zu jeder Leuchte. Sie wird deshalb vorwiegend in anspruchsvolleren Beleuchtungs-Installationen eingesetzt, die lineareres Dimmen und größere Dimmverhältnisse erfordern, als sie von einem Triac-Dimmer geboten werden.

Fazit

Es gibt viele Möglichkeiten zum Dimmen von LEDs, die von Schaltreglern gespeist werden. Die Verfahren PWM- und Analog-Dimmen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile (siehe Tabelle 1). Beim PWM-Dimmen reduziert sich die Verschiebung der Farbtemperatur durch die Dimmung erheblich, zum Erzeugen der PWM-Signale ist zusätzliche Logik erforderlich. Das Analog-Dimmen dagegen reduziert den Schaltungsaufwand, kann aber für Anwendungen, die eine gleichbleibende Farbtemperatur erfordern, ungeeignet sein.

*Rich Rosen ist Field Applications Engineer bei der National Semiconductor Corporation in Santa Clara, USA.

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