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Phasenanschnitt: LED-Leuchten geschickt dimmen

Autor / Redakteur: Andrew Smith * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Das Dimmen einer LED ist nicht trivial. Im folgenden Beitrag unterscheiden wir Phasenanschnitts- und Phasenabschnittsverfahren und zeigen, welchen Einfluss das Wirkprinzip des Dimmers auf Dämpfungs- und Ableitglieder im LED-Schaltwandler hat.

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Bild 1: Vereinfachtes Schaltbild eines Phasenanschnittsdimmers mit Löschglied. Es besteht aus LS und Cs.
Bild 1: Vereinfachtes Schaltbild eines Phasenanschnittsdimmers mit Löschglied. Es besteht aus LS und Cs.
( Power Integrations)

Bei einer Glühlampe als idealer ohmscher Widerstand passen handelsübliche Dimmer. Allerdings sollen LED-Leuchtmittel gedimmt werden. Probleme beim Dimmen einer LED entstehen bei einem geringen Laststrom und eine schnelle Änderung des Lichtstroms bei kleiner Leistungsänderung.

Fast alle Dimmer arbeiten entweder nach dem Prinzip Phasenanschnitt oder dem Prinzip Phasenabschnitt. Beim Phasenanschnitt schaltet der Dimmer nach dem Nulldurchgang erst nach einer variablen Zeit ein und steuert so die Energie, die der Last zugeführt wird und damit die Helligkeit der Lampe. Auch Phasenabschnittsdimmer steuern die Energieübertragung über die Einschaltzeit, allerdings schalten sie jeweils beim Nulldurchgang ein und dann im Verlauf der Halbwelle irgendwann einmal ab.

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Das Phasenanschnittverfahren lässt sich billiger umsetzen und ist daher weiter verbreitet. Allerdings erzeugt das Phasenabschnittverfahren weniger elektromagnetische Störungen und wird daher bevorzugt auf dem europäischen Markt und in Umgebungen, in denen es auf möglichst geringe Störungen ankommt, eingesetzt. Jedoch weiß der Durchschnittskunde nicht, nach welchem Wirkprinzip sein Dimmer arbeitet.

Soll eine Glühlampe durch eine LED ersetzt werden, sollte die LED-Lampe daher mit beiden Arten von Dimmern zurechtkommen. Das Schaltelement in einem Phasenanschnittsdimmer ist normalerweise ein TRIAC, der prinzipiell anders funktioniert als ein bipolarer Transistor oder ein MOSFET. Wird ein TRIAC eingeschaltet, wofür der Laststrom einen bestimmten Wert überschreiten muss, bleibt er so lange leitend, bis der Haltestrom unterschritten wird. Der TRIAC wird gegen Überspannungen mit einem Löschkondensator Cs und vor Stromstößen beim Einschalten mit einer in Serie geschalteten Drossel Ls geschützt.

Viele der heute installierten Dimmer arbeiten mit einer rein ohmschen Last, nämlich einer Glühlampe. Im Einschaltmoment ist diese Last sehr niederohmig, was den nötigen Einschaltstrom des TRIACs gewährleistet (IF>>IL). Der Strom fließt dann den Rest der Halbwelle bis zum nächsten Nulldurchgang weiter (IF > IH). Das Leuchten der Glühlampe folgt dem Verlauf der angeschnittenen Wechselstromkurve. Die Dimensionierung von LS und CS ist unkritisch; ihre Bauteilwerte unterscheiden sich bei verschiedenen Dimmern recht erheblich.

Eine LED-Last ist im Einschaltmoment hochohmig, der abgeforderte Strom unterschreitet möglicherweise den Mindeststrom des TRIACs, so dass der nicht sicher einschaltet. Daher werden in LED-Spannungswandler Schaltungen eingebaut, die eine Mindestlast gewährleistet. Das kann ein RC-Glied sein, das beim Einschalten der Spannung einen Stromimpuls verursacht.

Ein LED-Wandler ist kein ohmscher Widerstand. Daher kommt die Eingangsschaltung aus Filter und Ladekondensator ins Schwingen, wenn sie mit einer angeschnittenen Spannung ansteuert werden. Die Amplitude der Schwingung wird vom Kondensator CS im Löschglied beeinflusst, hängt somit vom Typ des verwendeten Dimmers ab.

Mit einer zusätzlichen Dämpfung wird das Schwingen verringert. Das kann ein Serienwiderstand sein. Allerdings kostet er Wirkungsgrad und erzeugt zusätzliche Wärme im Gehäuse. Daher wird der kleinstmögliche Widerstandswert im Eingang des LED-Wandlers verwendet, so dass der Strom gerade über dem Haltestrom bleibt.

Bild 4: Ein Abschnittsdimmer braucht eine Mindestlast, damit die Spannung vor Beginn der nächsten Halbwelle auf 0 zurückgeht. Hat die Spannung bei Beginn der Halbwelle die Nulllinie nicht erreicht, zündet der Dimmer nicht richtig, wodurch die angeschlossene LED glimmt oder flackert.
Bild 4: Ein Abschnittsdimmer braucht eine Mindestlast, damit die Spannung vor Beginn der nächsten Halbwelle auf 0 zurückgeht. Hat die Spannung bei Beginn der Halbwelle die Nulllinie nicht erreicht, zündet der Dimmer nicht richtig, wodurch die angeschlossene LED glimmt oder flackert.
( Power Integrations)

In verschiedenen gängigen Dimmern sind CS und LS unterschiedlich dimensioniert. Sie verändern das Schwingen am TRIAC. LS bewirkt, dass der TRIAC bei allen Dimmertypen mehr Schwingen sieht als die Lampe. Für den LED-Schaltwandler muss daher in der Dämpfungsschaltung hinreichend viel Marge vorsehen werden und damit Wirkungsgrad opfern, damit seine Schaltung an möglichst vielen verschiedenen Dimmern arbeitet. Für eine bessere Dämpfung ist ein zusätzliches RC-Glied am Eingang oder hinter dem Gleichricher notwendig. Es sorgt für eine Mindestlast und hält die Schwingungsamplitude unter dem Haltestrom. Die Dimensionierung des RC-Glieds richtet sich nach der Leistungsaufnahme der LED. Kleinere LEDs brauchen mehr Mindestlast.

Weitere Probleme mit einem Phasenabschnittsdimmer

Ein Phasenabschnittsdimmer liefert einem LED-Wandler zu Beginn einer Halbwelle eine sinusförmige Spannung. Die Steuerschaltung steuert das Gate des MOSFET-Schalters ständig an, wodurch der Dimmer weniger zum Schwingen neigt. Der LED-Spannungswandler stellt für den Dimmer eine hohe Impedanz dar, wenn der MOSFET öffnet und so den Leistungsfluss unterbricht.

Bild 5: Ein Abwärtswandler arbeitet mit Phasenanschnittsdimmern zusammen. Wenn die Eingangsspannung unter etwa 48 V fällt, ist die D-S-Strecke des MOSFETS umgekehrt vorgespannt. Für die Zusammenarbeit mit Phasenabschnittsdimmern braucht man das passive Ableitnetzwerk C8/R6. Es stellt einen niedrigimpedanten Pfad zwischen Phase und Neutralleiter dar, der die Eingangsspannung nach dem Abschalten des Dimmers auf 0 herunterbringt.
Bild 5: Ein Abwärtswandler arbeitet mit Phasenanschnittsdimmern zusammen. Wenn die Eingangsspannung unter etwa 48 V fällt, ist die D-S-Strecke des MOSFETS umgekehrt vorgespannt. Für die Zusammenarbeit mit Phasenabschnittsdimmern braucht man das passive Ableitnetzwerk C8/R6. Es stellt einen niedrigimpedanten Pfad zwischen Phase und Neutralleiter dar, der die Eingangsspannung nach dem Abschalten des Dimmers auf 0 herunterbringt.
( Power Integrations)

Für einen Phasenabschnittsdimmer muss die Spannung am Eingang des LED-Spannungswandlers in jeder Halbwelle auf 0 fallen, damit die Steuerschaltung des Dimmers eine Versorgungsspannung bekommt und der Nulldurchgangsdetektor den Schalter zu Beginn der nächsten Halbwelle einschalten kann. Ist der LED-Wandler zu hochohmig und die Ausgangsspannung des Dimmerausgangs nicht vor Beginn der nächsten Halbwelle auf 0, kommt der Dimmer durcheinander, was zum Glimmen oder Flackern der LED führt.

Speziell Abwärtswandler haben Probleme mit Abschnittsdimmern. Solche Wandler sind bei LED-Lampen beliebt, weil sie einen hohen Wirkungsgrad haben und mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden. Fällt bei einem solchen Wandler die Eingangsspannnung unter die Ausgangsspannung, überträgt die Schaltelektronik keine Leistung mehr. Somit kann auch die Restspannung am Eingang nicht ableitet werden.

Bild 6: Ein Auf-Abwärtswandler arbeitet weiter (entnimmt weiter Leistung aus dem Primärkreis), wenn die Eingangsspannung unter die Ausgangsspannung fällt. Dieses Wandlerprinzip kommt mit Phasenabschnittsdimmern besser zurecht
Bild 6: Ein Auf-Abwärtswandler arbeitet weiter (entnimmt weiter Leistung aus dem Primärkreis), wenn die Eingangsspannung unter die Ausgangsspannung fällt. Dieses Wandlerprinzip kommt mit Phasenabschnittsdimmern besser zurecht
( Power Integrations)

Im Gegensatz dazu übertragen Auf-Abwärtswandler, Abwärtswandler mit Anzapfungen und Sperrwandler den ganzen Zyklus über Leistung. Aus diesem Grund leiten IC-gesteuerte Auf-Abwärtswandler und Wandler mit Anzapfungen, wie etwa die LYTSwitch-5 von Power Integrations, die Ausgangsspannung eines Abschnittsdimmers nach dem Abschalten ab und unterstützen Abschnittsdimmer daher besser.

Fazit

Löschglieder und Ableitnetzwerke lassen sich so dimensionieren, dass sie mit fast allen gängigen Phasenanschnittsdimmern funktionieren. Allerdings geht das auf Kosten des Wirkungsgrads, um eine möglichst breite Kompatibilität mit verschiedenen Dimmern zu erreichen. Die Funktion mit jedem beliebigen Dimmer lässt sich nicht garantieren, weil die Dimmerschaltungen auf dem Markt einfach zu variabel dimensioniert sind. Übliche Designs kommen mit Phasenabschnittsdimmern zurecht. Für die Zusammenarbeit mit Phasenabschnittsdimmern müssen regelmäßig weitere Kompromisse eingegangen werden, etwa ein hoher Ableitstrom oder gar ein Wechsel des Schaltprinzips des Wandlers.

* Andrew Smith ist Senior Product Manager für Beleuchtungsprodukte bei Power Integrations und verantwortlich für den LED-Beleuchtungsmarkt.

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