LED-Dimmen Licht stets in der richtigen Dosis

Wenn vom Dimmen einer LED die Rede ist, wird meist sofort an Verfahren wie DALI, DMX oder das klassische Phasenan- bzw. -abschnittsdimmen gedacht, das jedermann von zu Hause kennt. Warum aber hinter all diesen Methoden in Wirklichkeit nur zwei altbekannte Techniken stecken und welche Rolle das menschliche Auge dabei spielt, erläutert dieser Beitrag.

Für das Dimmen von LEDs gibt es nur zwei Möglichkeiten: entweder analog, durch die Änderung des LED-Stroms, oder per PWM-Signal, das die LEDs in schneller Folge ein- und ausschaltet. Dabei ist es gleichgültig, welche Ansteuerungsmethode am Front-End verwendet wird. Selbst das altbekannte Phasenanschittsdimmen geht letztendlich auf eine der beiden Varianten zurück.
Wir wollen nun ergründen, wie diese beiden Methoden funktionieren und wo ihre Grenzen liegen.


Analogdimmen

Der Regelkreis (Bild 1) ist hierfür relativ einfach zu realisieren. Es bedarf nur einer zusätzlichen Komparator-Stufe, die den Wert am Strommesswiderstand mit der angelegten Dimm-Steuerspannung vergleicht. Dementsprechend wird dann der LED-Strom erhöht oder reduziert. Die Vorteile liegen auf der Hand. Es ist ein äußerst lineares Dimmen von der maximalen Helligkeit bis annähernd zur absoluten Dunkelheit möglich. Doch auch hier gibt es Einschränkungen: Im obersten Bereich können Nichtlinearitäten auftreten, die durch Sättigungseffekte im Komparator entstehen. Aber auch im unteren Bereich ist die Linearität nicht gegeben, da der Strom am Strommesswiderstand sehr gering ist (Bild 2). Dies führt zu einer äußerst geringen Offset-Spannung am Operationsverstärker und somit zu einer signifikanten Ungenauigkeit der Regelspannung.
Selbst bei gut designten LED-Treibern liegt dieser nichtlineare Bereich in den Randzonen immer noch bei je rund 3 %.


PWM-Dimmen

Aus diesem Grund greift man gerne auf das PWM-Dimmen zurück. Denn auch diese Methode ist einfach zu realisieren. Im Prinzip wird die Stromquelle über ein PWM-Signal mit niedriger Frequenz (üblicherweise wenige 100 Hz) ein- und ausgeschaltet. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der LED-Treiber nicht unverzüglich schalten kann. Das bedeutet zweierlei. Beim Einschalten entsteht eine gewisse Reaktionszeit, bis der Ausgangsstrom anliegt, und beim Ausschalten ergibt sich eine Verzögerung, da die Ausgangskapazitäten noch über den LED-Kreis entladen werden müssen.
Dadurch ist das Dimmverhalten weniger linear und ein Dimmen unter 10 % ist aufgrund der Einschaltverzögerung nur schwer möglich (Bild 3). Hierzu kommt noch eine weitere Unannehmlichkeit: Durch die geringe PWM-Frequenz kommt es zu einem als unangenehm wahrgenommenen Flimmern. Studien zufolge nimmt das Auge dieses Flimmern erst ab einer Frequenz von 1 kHz nicht mehr wahr. Allerdings sind so hohe PWM-Frequenzen mit der oben genannten Methode nicht realisierbar.
Es gibt aber eine weitere Möglichkeit, PWM-Dimmen zu realisieren, und zwar indem ein FET in den LED-String integriert wird. Bild 4 zeigt, dass hierbei der FET direkt über das PWM-Signal geschaltet wird. Dadurch sind höhere Schaltfrequenzen möglich, was den Flimmereffekt reduziert und auch ein Dimmen bis annähernd null ist möglich.
Doch auch hier gilt, wo Licht ist, gibt es auch Schatten. Da der LED-Treiber sekundärseitig geschaltet wird, entstehen Überspannungsspitzen (Bild 5). Diese „Überschwinger“ werden generiert, da sich der Regler kurzfristig im Leerlauf befindet (während der Unterbrechung) und somit auf das Maximum ausregelt. Dies führt einerseits zu den bereits bekannten Unlinearitäten. Da die Spannungsspitzen aber bei jedem PWM-Zyklus wiederkehren, kann dieser zusätzliche Stress außerdem eine gravierende Auswirkung auf die Lebensdauer der LEDs haben.


Phasenanschnitts- oder Triac-Dimmen

Eine Sonderform des Dimmens ist das sogenannte Triac-Dimmen. Das Grundprinzip ist recht simpel (Bild 6). Vereinfacht braucht man dazu einen Triac, der über ein variables RC-Glied gezündet wird. Dadurch wird jede Halbwelle der sinusförmigen Eingangsspannung „beschnitten“. Je später der Triac zündet, desto weniger bleibt von der Halbwelle übrig und die Lampe nach dem Dimmer wird dunkler und dunkler.
Dies funktioniert mit einer Glühbirne problemlos, eine LED-Leuchte jedoch büßt kaum merklich an Helligkeit ein. Die Erklärung liegt in den Eigenschaften des menschlichen Auges.
Der Einfluss des Auges
Unsere Iris erweitert sich bekanntlich, wenn es dunkler wird. Dadurch gelangt mehr Licht ins Auge und wir nehmen die Umgebung heller wahr. Das bedeutet aber auch, dass die Helligkeitswahrnehmung des Auges nicht linear ist. Die Glühlampe hat nun wegen ihrer Farbveränderung beim Dimmen einen Helligkeitsverlauf, wie er der Wahrnehmung des Auges sehr nahekommt. Die LED dagegen hat einen sehr linearen Helligkeitsverlauf, was mit einem Belichtungsmesser einfach überprüft werden kann. Daher nimmt das Auge das Licht einer gedimmten LED viel stärker wahr (Bild 7).
Die Bedeutung dieser anatomischen Besonderheit lässt sich durch folgenden Zusammenhang ausdrücken. Die wahrgenommene Helligkeit entspricht dem Quadrat der gemessenen Helligkeit. Das Bild 7 zeigt auch sehr deutlich, warum daher ein Dimmbereich von 100 % bis 10 % für einen LED-Treiber völlig ungenügend ist. Bei einer Dimmeinstellung von 10 % sieht das Auge immer noch ein Drittel der Helligkeit statt des gewünschten Zehntels. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass LEDs bis unter 5 % gedimmt werden müssen, um die verminderte Helligkeit auch wahrnehmen zu können.
Eine Lösung für dieses Problem besteht im sogenannten Natural Dimming. Dabei wird versucht, mit geeigneten Algorithmen die lineare LED-Dimming-Kurve derjenigen des menschlichen Auges anzunähern.

Bilder: 7

LED Dimmen

Bilder zu Licht stets in der richtigen Dosis von Thomas Rechlin