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PWM, Analog, Kombination

Dimmen von LED-Lichtquellen

Der Lichtstrom einer LED ist abhängig vom Vorwärtsstrom. Eine Reduzierung des Stroms gegenüber dem max. Nennstrom führt zu einer Absenkung des Lichtstroms. Dadurch sinken die Sperrschichttemperatur sowie die Stromdichte im Halbleiter, was in der Regel zu einer erhöhten Effizienz der LED gegenüber dem Betrieb mit max. Nennstrom führt.

 

Die Stromabsenkung kann durch zwei Arten erfolgen. Analog durch die Reduzierung der Amplitude oder durch Puls-Weiten-Modulation.

 

Dimmen analog

Der Lichtstrom wird durch das Absenken der Amplitude des Vorwärtsstromes reduziert. Sobald ein bestimmtes gewünschtes Licht- bzw. Stromniveau eingestellt ist, bleibt dieses zeitlich konstant.

 

Abb. 1: Analoges Stromdimmen von LED

AnalogesStromdimmenLED

 

Einschränkungen bei analogem Dimmen

Der Dimmbereich zu kleinen‚ analogen Dimmstellungen kann durch verschiedene Effekte bzw. Einflussfaktoren eingeschränkt sein:

  • Bei sehr kleinen Strömen und Dimmstellungen ist es möglich, dass die Lichtausbeute verschiedener LED z. B. innerhalb eines LED-Moduls erkennbar auseinanderläuft. Im Extremfall sind einige LED bereits dunkel während andere noch Licht emittieren. Dieser Effekt kann z. B. zu einer unteren Dimmgrenze von 5 % des maximalen Nennstroms führen.
  • Bei analog gedimmtem weissem LED kann sich der Farbort besonders bei kleinen Dimmstellungen merklich verschieben. Dies kann in "farbsensitiven Anwendungen" eine Beschränkung des analogen Dimmbereichs auf z. B. minimal 30 % des maximalen Nennstroms sinnvoll machen.
  • Dimmbare elektronische Betriebsgeräte für LED haben - abhängig vom spezifischen Schaltungsdesign - einen begrenzten einstellbaren Strombereich, der darüber hinaus von weiteren Faktoren (z. B. Betriebsspannung des angeschlossenen LED-Moduls) abhängig sein kann.

 

Puls-Weiten-Modulation

Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung des Mittelwerts des Vorwärtsstromes ist die Puls-Weiten-Modulation (PWM). Dabei wird der Stromfluss durch die LED im Rhythmus einer bestimmten PWM-Frequenz zyklisch unterbrochen. Je länger die Stromlücken zwischen den verbleibenden Stromphasen mit konstant gehaltener Amplitude sind, desto niedriger wird der effektive bzw. der mittlere Strom durch die LED und damit deren wahrgenommene Helligkeit. Die PWM-Frequenz liegt dabei im Bereich zwischen 100 Hz und 1 kHz und ist so bemessen, dass für das menschliche Auge kein erkennbares Flimmern entsteht, obwohl eine entsprechende Lichtmodulation vorliegt.

 

Abb. 2: PWM-Dimmen von LED

 

3 PWM-DimmenLED

 

Vorteile des Dimmens durch Puls-Weiten-Modulation

Die Vorteile der PWM-Dimmung gegenüber Analogdimmung sind vor allem bei tiefen Hel- ligkeitswerten sichtbar:

  • Bei sehr niedrigen Dimmwerten sind kaum Helligkeitsunterschiede zwischen den einzelnen LED sichtbar, Farbverschiebungen sind ebenfalls kaum wahrnehmbar.
  • Die Einstellung der Helligkeitswerte erfolgt präziser.

Einschränkungen können mechanische und akustische Schwingungen sein, durch die Resonanz von der Pulsweiten-Modulationsfrequenz und den Schwingungseigenschaften der Leuchte.

 

Kombinierte Analogsteuerung und Pulsweitenmodulation

Mit der Kombination beider Dimm-Methoden können die Vorteile beider Systeme genutzt werden. So kann z. B. die analoge Stromdimmung im Bereich von 100 Prozent bis 30 Prozent verwendet werden und danach nahtlos übergehen in eine PWM-Dimmung bis zu sehr kleinen Dimmstellungen. Dadurch werden nicht nur die o.g. Probleme des analogen Dimmens vermieden, sondern auch die verbleibende Lichtmodulation des PWM - Dimmens auf kleine Werte minimiert sowie die Anregung hörbarer Schwingungen vermieden.

 

Ansteuerung von LED-Betriebsgeräten

Die Art und Weise wie die Information eines gewünschten Helligkeitsniveaus von einer Steuereinheit hin zu einem LED-Betriebsgerät und schließlich zur LED kommt, kann sehr unterschiedlich sein.

Für vorwiegend professionelle Anwendungen bietet die Beleuchtungsindustrie die identischen Ansteuerprotokolle an wie z.B. für Betriebsgeräte für Leuchtstofflampen. Dies sind unter anderen DALI, 1 – 10 V, Tasterdimmung etc., die zusätzliche Steuerleitungen neben der reinen Netzspannungsversorgung benötigen.

In Anwendungen, die keinen Anschluss getrennter Steuerleitungen erlauben (z. B. LED-Lampe mit integriertem Betriebsgerät) kann über Phasendimmer, DLT (digitale Steuersignale auf der Netzleitung) oder Funkansteuerung gedimmt werden.

 

Abb. 3: Kombination von Analogem- und PWM-Dimmen

 

4 KombAnalog PWMDimmen

 

Bei allen Systemen wird ein Steuersignal vom Betriebsgerät in eine analoge Stromsteuerung oder in eine Puls-Weiten-Modulation umgesetzt.

 

Moderne LED-Betriebsgeräte mit DALI-Schnittstelle entsprechen häufig nicht nur dem neuesten DALI-Standard, sondern bieten darüber hinaus oft vielfältige Möglichkeiten der kundenspezifischen Programmierung oder stellen wichtige Betriebsinformationen (z. B. aktuelle Leistungsaufnahme) zur Verfügung.

 

Ansteuerung von LED-Lampen (mit integriertem elektronischen Betriebsgerät)

Generell: Die Ansteuerbarkeit von LED-Lampen mit zweipoliger Lampenfassung (meist E27, E14 oder GU10) ist auf Steuersysteme limitiert, welche eine Signalübertragung über die Netzleitung oder über Funk erlauben. Da diese Lampen in den meisten Fällen als Ersatz für Glühlampen eingesetzt werden, besteht der Wunsch, diese an den bereits installierten Phasendimmern oder durch den einfachen Austausch gegen geeignete Dimmer verwenden zu können.

 

LED-Lampen, dimmbar mit Phasendimmern

LED-Lampen mit integriertem elektronischen Betriebsgerät (oft auch als LED-Retrofit bezeichnet) sind auch in dimmbaren Versionen erhältlich. Dies ist in der Regel mit der Kennzeichnung ‚dimmbar' klar indiziert. LED- Lampen ohne diese Kennzeichnung sind in der Regel nicht dimmbar. Zum Dimmen von LED-Lampen sind jedoch nicht alle Dimmer geeignet. Die zulässigen und gut funktionierenden Kombinationen aus LED-Lampe und Dimmertyp können den Herstellerdatenblättern oder speziellen Kombinationslisten der Lampenanbieter bzw. der Dimmeranbieter entnommen werden. Generell kann nicht darauf geschlossen wer- den, dass ein sogenannter ‚LED-Dimmer' mit jeder ‚dimmbaren' LED-Lampe kombinierbar ist.

 

Die Gründe hierfür liegen in der nicht normierten Schnittstelle zwischen Dimmer und LED-Lampe.

 

Anders als bei Glühlampen, die eine sehr einfache und leicht handhabbare elektrische Eingangscharakteristik aufweisen, sind die Verhältnisse bei LED-Lampen deutlich komplexer. Bei diesen erzeugt die integrierte Elektronik aus der am Lampensockel anliegenden Netzwechselspannung mit Hilfe eines kleinen Schaltnetzteils einen Gleichstrom. Zur Einhaltung der relevanten EMV-Vorschriften sind darüber hinaus zusätzliche Funkentstörkomponenten enthalten. Bei der Auslegung der Dimmer für LED-Lampen müssen somit neue Bedingungen berücksichtigt werden.

 

Phasendimmer für LED-Lampen müssen mit relativ kleinen Lastströmen zurecht kommen und dürfen sich von dem z. T. komplexen elektrischen Verhalten der verschiedensten LED- Lampen-Typen nicht beeinflussen lassen.

 

Das Schaltungsdesign dimmbarer LED-Lampen ist dagegen darauf ausgelegt, ‚nach außen', also für den vorgeschalteten Dimmer, möglichst ähnlich wie eine Glühlampe zu wirken und die Ausgangsspannung eines Phasendimmers zu übersetzen in einen entsprechend reduzierten LED-Strom.

 

Da diese ‚Dimmer-Schnittstelle' zwischen Phasendimmer und LED-Lampe bisher nicht standardisiert ist, obliegt es den Herstellern von LED-Lampen und von Dimmern kompatible Produkte in den Herstellerinformationen mit anzuführen.

 

Derzeit wird in den internationalen Normengremien über eine Standardisierung der Schnittstelle von Phasendimmern zu LED- Lampen beraten.

 

LED-Lampen, dimmbar über digitale netzüberlagerte Signale

Grundsätzlich können der Netzspannung in vielfältiger Weise zusätzliche Signale über- lagert werden, die eine Informationsübermittlung von einem Dimmer zu einer Lampe ermöglichen. Im Gegensatz zur Phasendimmung bleibt die Form der sinusförmigen Netzspannung dabei bis auf die aufmodulierten Steuersignale weitgehend erhalten. Ein Bei- spiel dazu ist die ‚Digital Load Transformation (DLT)' welche mittlerweile als international gültige IEC-Spezifikation vorliegt.

 

Das Prinzip von DLT besteht darin, eine digitale Dimminformation von einem Steuergerät zu einer Lampe zu übertragen.

Ein Steuergerät (Control Unit) koppelt die zu übertragende Information, z. B. einen Helligkeitswert, auf die Lastleitung. In der Lampe wird diese auf die Versorgungsspannung der Lampe aufgekoppelte Information wieder dekodiert und eine entsprechende Aktion (z. B. Helligkeitseinstellung) durchgeführt (siehe Abb 5).

 

Da die genormte digitale Informationsübertragung von einem DLT-Steuergerät zu einer DLT-verstehenden LED-Lampe eindeutig fest- gelegt ist, funktionieren alle Kombinationen aus Lampen und Steuergeräten hier herstellerunabhängig miteinander. In der vorhandenen Installation muss lediglich der vorhandene Lichtschalter oder Phasendimmer gegen ein DLT-Steuergerät ersetzt werden.

 

Das DLT-Protokoll erlaubt bei Verwendung entsprechend ausgestatteter Steuergeräte und Lampen sogar weitere Steuerfunktionen, wie Gruppenzuordnung und Farbtemperatureinstellung.

 

Abb. 4: Funktionsprinzip eines DLT dimmbaren Lampensystems mit digitaler Informationsübertragung (Quelle Osram)

 

5 FunktionsprinzipDLT 

 

Typische Einsatzgebiete der Lampentechnologien

Generell gilt für alle Anwendungen, dass im Sinne einer nachhaltigen Betriebsweise Leuchtmittel mit der höchsten Effizienz bevorzugt werden sollen. Neben dem Merkmal der Energieoptimierung müssen jedoch auch die primären Aufgaben des Leuchtmittels eingehalten werden, neben dem notwendigen Komfort muss vor allem die Sehaufgabe erfüllt sein.

In der Anwendung von konventionellen Leuchtmitteln (Hochvolt-Halogenglühlampen, Niedervolt-Halogenglühlampen, Leuchtstofflampen, Hochdruckentladungslampen) hat jede Technologie ihr Kerneinsatzgebiet. Effizienz, Dimmcharakteristik und Lichtqualität sind die Entscheidungsmerkmale. Dank der hohen Effizienz der LED-Lichtquellen, deren ausgezeichneten Dimmcharakteristik und der variablen geometrischen Form gibt es hier kaum noch

Einschränkungen für den Einsatz.

 

Typische Anwendung von Lichtquellen:

  • Heimbereich: Hochvolt-Halogenglühlampen, Niedervolt-Halogenglühlampen, Kompaktleuchtstofflampen, LED
  • Büro: Leuchtstofflampen, Metalldampflampen, LED
  • Shop: Niedervolt-Halogenglühlampen, Leuchtstofflampen, Metalldampflampen, LED
  • Industrie: Leuchtstofflampen, Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen, LED
  • Außenbeleuchtung: Leuchtstofflampen, Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen, LED

 

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