Was beim Dimmen einer LED-Leuchte zu beachten ist

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Der Dimmer einer LED-Leuchte sollte zum Gesamtdesign passen. Hinzu kommt, dass ein hoher Leistungsfaktor und ein niedriger Klirrfaktor gefordert sind. Komplizierte Schaltungen sind nicht nötig.

LED-Leuchten haben die Glühlampen weltweit verdrängt. Sie sind in verschiedenen Formaten und für alle gängigen Fassungen erhältlich. Auch im Vergleich zu den sogenannten Kompakt-Leuchtstofflampen (CFL), die nur langsam ihre Helligkeit erreichen, sind LEDs leistungsfähiger. Sieht man von einigen Spezialprodukten ab, so lassen sich CFL-Lampen nicht dimmen.

Im Gegensatz zu den LED-Leuchten: Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Leuchten zu dimmen. So will beispielsweise in den USA die California Energy Commission (CEC) das Dimmen einer LED-Leuchte zu einem Standardmerkmal festlegen. Allerdings ist die sogenannte Dimmerkompatibilität einer LED-Leuchte nicht immer einfach. Das beginnt oftmals bereits beim Design: Die Betriebsanforderungen mit und ohne einen angeschlossenen Dimmer lassen sich dann nur schwer umsetzen. Hintergrund: Die Schnittstelle zwischen Dimmer und LED-Lampe ist nicht normiert, somit funktioniert nicht jeder Dimmer mit jeder LED-Lampe. Außerdem muss die Mindest-Grundlast des LED-Dimmers geringer oder genauso groß sein wie die Leistungsaufnahme der angeschlossenen Lampe.

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Zwei Arten von Phasenregelungsdimmern

Lässt sich eine LED-Leuchte dimmen, so heißt das noch nicht, dass sie auch einen hohen Leistungsfaktor oder einen niedrigen Klirrfaktor (THD) bieten muss. Zu einem optimierten Design gehören je nach Betrieb mehrere Einstellungen und die verschiedenen Betriebszustände müssen erkannt werden. Der Eingangsfilter eines LED-Treibers spielt beim Thema Dimmerkompatibiliät eine zentrale Rolle.

Ein Blick auf den Markt zeigt, dass es zwei wesentliche Arten von Phasenregelungsdimmern gibt: Phasenanschnitt- (steigende Flanke) und Phasenabschnittdimmer (abfallende Flanke). Bei dem System des Phasenanschnitts wird der Netzstrom gegenüber dem Nulldurchgang verzögert zugeschaltet. In diesem Fall moduliert der Dimmer-Einschaltvorgang die steigende Flanke des Stroms, um die Leuchte zu regeln. Beim Phasenabschnittdimmer wird der Strom eine gewisse Zeit vor dem Nulldurchgang abgeschaltet und die Helligkeit abhängig von dieser Zeit geregelt. Beide Techniken sind beim Dimmen einer Leuchte gleichermaßen effektiv, jedoch ist die Umsetzung für jede Technik sehr unterschiedlich.

Phasenanschnittdimmer finden sich häufiger und schon länger im Einsatz, weil das Design einfach und kostengünstig ist. Als Hauptschalter arbeitet ein TRIAC oder Thyristor. Diese Bausteine können kontrolliert eingeschaltet aber nur durch Unterschreitung des Haltestromes ausgeschaltet werden. Das geschieht beim Strom-Nulldurchgang. Phasenabschnittdimmer verwenden MOSFETs, um den Strom zu steuern. Diese können ungeachtet des Stroms ein- oder ausgeschaltet werden, wodurch sie in der Lage sind, sich während des Netzhalbwelle auch teilweise zuzuschalten. Die MOSFETs und ihre zugehörige Steuerung sind teurer und komplizierter als TRIAC/Thyristor-Dimmer. Für den Anwender mögen TRIAC-Dimmer vorteilhaft sein; für Entwickler von Treiber-ICs ergeben sich damit allerdings verschiedene Probleme.

Das Dimmverhalten einer Glühlampe

Bei einer Glühlampe kommt es zu Nichtlinearitäten, weshalb in diesem Fall TRIAC-Dimmer verwendet werden. Dazu zählen der positive Temperaturkoeffizient und die Lichtstärke, die mit fallender angelegter Spannung auch stark abfällt. Der positive Temperaturkoeffizient ergibt sich durch den Wolframfaden in der Glühlampe. Kühlt sich dieser ab, sinkt sein Widerstand. Dadurch ist der Strom über den Dimmbereich, also auch bei niedriger Spannung, nahezu konstant und liefert den Haltestrom für den TRIAC.

Die Lichtausbeute des Wolframfadens nimmt schnell ab, sobald sich der Glühfaden abkühlt. Die Temperatur des Glühfadens beträgt um die 1700 °C, was ein warmes Lichtspektrum mit mehr rot ergibt. Wird das Licht gedimmt, fällt die Leistung im Faden ab und auch die Farbtemperatur verschiebt sich weiter in den roten Bereich. Glühbirnen sind ein gutes Beispiel für einen nahezu perfekten Schwarzkörperstrahler. Das menschliche Auge ist weniger empfindlich gegenüber rotem Licht, so dass die Lichtausbeute des Glühfadens aufgrund der geringeren Leistung und Farbtemperaturverschiebung abnimmt. Die Lichtausbeute wird in Lumen gemessen, die für die Reaktion des menschlichen Auges photopisch eingestellt ist. Das menschliche Auge ist bei einer Wellenlänge von 560 nm am empfindlichsten (grünes Licht).

Ein TRIAC-Dimmer für LEDs ist ungeeignet

Die vorangegangene Erklärung dient dem Verständnis, warum ein TRIAC-Dimmer für Glühbirnen so gut geeignet sind. Keine andere Lichtquelle, einschließlich der LED, verhält sich wie eine Glühlampe. Die größte Herausforderung für jeden Regelbaustein von elektronischen Lichtquellen besteht darin, einen ausreichenden Haltestrom aufrechtzuerhalten, damit sich der TRIAC nicht durch mangelnden Stromfluss abschaltet.

Eine Glühlampe mit einer Leistung von 60 W erzeugt einen Lichtstrom von 800 lm. Eine vergleichbare LED-Lichtquelle benötigt 8 W, um die den gleichen Lichtstrom zu erzeugen. Der geringere Eingangsstrom ist die Hauptursache für Probleme mit TRIAC-Dimmern. Der Schaltkreis muss einen ausreichend hohen Dauerstrom benötigen, um den TRIAC im leitenden Zustand zu halten. Der EMI-Filter ist dabei ein entscheidender Bestandteil. Einige Entwickler greifen dabei auf komplexe Dämpfungsschaltkreise zurück, die aktive Bauelemente enthalten, um die Verlustleistung oder Geräuschentwicklung zu verringern. Diese Schaltkreise erhöhen die Leistungsfähigkeit gegenüber Standard-EMI-Filtern, verursachen jedoch zusätzliche Kosten und sind komplexer.

LED-Treiber und die Dimmerkompatibilität

Die Bausteine NCL30095 und NCL30167 des Herstellers ON Semiconductor (siehe Bilder 1 und 2) sind Treiber, die das Problem der Dimmerkompatibilität bei LED-Beleuchtungen lösen. Mit dem Baustein NCL30095 ist ein vollständig integrierter LED-Treiber mit Phasenanschnittsteuerung in einer Boost-Konfiguration verfügbar. Der Phasenanschnitt kann entweder bei der ansteigenden Flanke, wie bei den meisten TRIAC-Dimmern, oder bei der abfallenden Flanke, Dimmer, die kompatibel zu elektronischen Transformatoren sind, erfolgen. Der interne HV-MOSFET weist einen Durchlasswiderstand R_DS(on) von 4,5 Ohm auf.

Der NCL30167 bietet die gleichen Funktionen wie der NCL30095, nur dass ein externer HV-MOSFET verwendet werden muss und damit auch eine Skalierbarkeit über einen breiten Leistungsbereich besteht. Die kaskadierte FET-Anordnung ist ein wesentliches Merkmale der LED-Treiber. Der Ausgangsstrom wird entsprechend den Anforderungen nach NEMA SSL7A geregelt. Zu den weiteren Funktionen des NCL30096/NCL30167 zählen: Stromregelung mit geschlossenem Regelkreis, thermische Gegenkopplung, Messung des Phasenwinkels, Moduswechsel und Nulldurchgangserfassung. Die Leistungsstufe arbeitet in CrM-Modus.

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* Frazier Pruett ist Applikations-Entwickler bei ON Semiconductor.

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