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

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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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.

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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