Dimmen von 230-V-LED-Retrofitlampen Gängige Phasendimmer verschlechtern die Lichtausbeute

LEDs an 230 V betreiben

Bei den passiven 230-V-LED-Retrofitlampen lassen sich die LEDs nicht wie bei den 230-V-LED-Retrofitlampen mit Schaltwandler parallel betreiben und über die Stromstärke steuern. Die LEDs müssen bei passiven 230-V-LED-Retrofitlampen in Reihe geschaltet werden. Da LED-Chips, auch aus einer Fertigungscharge, eine gewisse Exemplarstreuung aufweisen, müssen die LEDs für eine Reihenschaltung selektiert werden. Ihre Parameter müssen innerhalb enger Toleranzgrenzen liegen, damit sich kein Hot-Spot bildet.Wird das schwächste Glied in der Kette überlastet, so wird es vorzeitig ausfallen und mit ihm die gesamte LED-Reihenschaltung.

Ähnlich konstruiert sind die Multi-LED-Chips, die überwiegend aus koreanischer Fertigung kommen: seriell verbundene, monolithisch in den Parametern angepasste LEDs. Üblicherweise werden diese auf Modulen mit Vorwiderständen montiert, die dann allerdings auch ein Drittel der eingespeisten Energie verheizen. Der Dimmverlauf (kapazitiver Dimmer) eines solchen Multi-LED-Chip-Moduls – z.B. ACoLED-Modul von Samsung [8] – zeigt, dass die kapazitive Dimmung erst ab der Bereichsmitte greift.

Ab da dominiert der kapazitive Blindwiderstand die Gesamtimpedanz des LED-Vorwiderstandes und die Lichtausbeute steigt etwas deutlicher an. Grundsätzlich wäre es auch bei solchen Multi-LED-Chip-Modulen sinnvoll, den Wechselstrom von vornherein statt mit Vorwiderständen mit einem Kondensator zu begrenzen, um die Lichtausbeute beim Dimmen durchgängig zu verbessern und damit gleichfalls den Kühlaufwand zu reduzieren.

Ein zusätzlicher NTC-Vorwiderstand könnte einer eventuell möglichen Spannungsaddition im Einschaltmoment entgegenwirken und so die 230-V-LED-Retrofitlampe sanft einschalten.

Kapazitiver Vorwiderstand zum Dimmen

Einen kapazitiven 3-Stufen-Dimmer gab es bereits in den 90er Jahren als Schnurdimmer mit Huckepackstecker für Glühlampen und Kompaktleuchtstofflampen nach Gebrauchsmustern von Prof. Walter Holzer [9]. Dieser Dimmer ist inzwischen nicht mehr erhältlich, zumal bei Berührung des abgezogenen Steckers auch die Gefahr eines elektrischen Schlags bestand, da die beiden Folienkondensatoren im Dimmer noch aufgeladen sein und Netzpotenzial führen konnten.

Bei einem fest installierten kapazitiven Dimmer kann diese Gefahr prinzipiell ausgeschlossen werden. Der LED-Lampen-Anbieter Del-Ko GmbH [10] hat das Prinzip aufgegriffen und einen 10-stufigen kapazitiven Unterputz-Dimmer für passive 230-V-LED-Retrofitlampen entwickelt, die bisher mit keinem anderen Dimmer über die übliche Zweidraht-Installation dimmbar waren.

Die für den Dimmer nötigen Kondensatoren im niedrigen Mikrofaradbereich hätten als Folienkondensatoren zwar noch in einer Aufputzdose mitsamt einem passenden Drehschalter Platz gefunden, nicht jedoch in der fast ausschließlich gebräuchlichen, deutlich engeren Unterputzdose.

Mit den für Netzspannung geeigneten, weitaus kompakteren keramischen Vielschicht-Kondensatoren ist eine platzsparende Oberflächenmontage der Keramikkondensator-Chips auf einer zweiseitigen Leiterplatte möglich (Bild 4) – zusammen mit dem Drehwahlschalter, einem Varistor als Überspannungsschutz, einer PTC-Sicherung zur Strombegrenzung im Notfall und einer Schmelzsicherung.

Kaum Dimmverluste

Diese für Netzspannung geeigneten keramischen Chipkondensatoren sind wegen der enthaltenen seltenen Erden zwar erheblich teurer als die gewickelten Folienkondensatoren, aber auch um ein Vielfaches kompakter und haben kleinere induktive und resistive Anteile. Der kapazitive Dimmer kennt im Unterschied zu den üblichen Phasenanschnittdimmern keine Mindestlastanforderung wie etwa die typischen 20 W bis 60 W bei Triac-Dimmern und ist vom Prinzip her überlastsicher und kurzschlussfest.

Auch gibt er mangels nennenswerter Dimmverluste praktisch keine Wärme ab und braucht deshalb auch keine von der Umgebungstemperatur abhängige Begrenzung der Maximallast. Der bei Triac-Dimmern übliche Hinweis auf mögliche Brandgefahren bei Installation in einer extrem wärmegedämmten Umgebung – z.B. bei Häusern in besonders energiesparender Fertigbauweise – erübrigt sich. Kapazitive Dimmer erzeugen auch keine störenden Geräusche und keine hochfrequenten Störsignale.

Zwar gibt es auch bei der kapazitiven Dimmung passiver 230‑V-LED-Retrofitlampen gewisse Netzrückwirkungen – impulsartige Stromaufnahme durch Gleichrichtung und eine kapazitive Verschiebung des Phasenwinkels. Die Gesamtanordung erfüllt aber die regulatorischen Anforderungen für Leuchtmittel bis 25 W und der kapazitive Phasenwinkel kann dazu beitragen, das eher induktiv belastete Hausstromnetz, zum Vorteil des Stromnetzbetreibers, im Sinne einer Blindleistungskompensation zu entlasten.

Einziges Manko der passiven 230‑V-LED-Retrofitlampen: Ihr Licht weist eine 100‑Hz-Welligkeit auf. So beträgt die Lichtwelligkeit einer passiven 5‑W-LED-Retrofitlampe ungedimmt knapp 56 %. Sie wird vom Kapazitätsverhältnis zwischen dem Begrenzungskondensator im Netzspannungseingang und dem Pufferkondensator am Ausgang zur LED-Kette bestimmt.

Da die Dimmerkapazität jedoch die Eingangskapazität der Gesamtschaltung verringert, vergrößert sich dieses Verhältnis und reduziert damit die Restwelligkeit bis auf ca. 30 %, was im Bereich von Glühlampen liegt. Durch die stark logarithmische und träge Lichtempfindlichkeit des Auges wird eine Lichtwelligkeit um die 50 % aber kaum als störend wahrgenommen.

In künftigen Generationen von passiven 230‑V-LED-Retrofitlampen können Lichtwelligkeit und Netzrückwirkungen mittels sogenannter „Valley-Fill“-Schaltungen [11] weiter kompensiert werden. Hierfür sind nur unwesentlich mehr passive Bauteile nötig. Das Schaltungsprinzip wird bereits bei Triac-dimmbaren Wandler-Schaltungen mit LED-Treiber-ICs eingesetzt, um den Leistungsfaktor zu korrigieren. Dabei gleicht ein Ladungspuffer aus zusätzlichen Kondensatoren und Gleichrichterdioden die periodische Unterbrechung der Stromaufnahme vom Netz aus und füllt die Spannungstäler so auf, dass Lichtwelligkeit und Deformation der Netzspannung weitgehend kompensiert werden.