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

LEDs sollen Glühlampe und Kompaktleuchtstofflampe ersetzen, um elektrische Energie bei der Beleuchtung einzusparen. Immerhin wird 20 % der weltweit erzeugten elektrischen Energie zur Lichterzeugung genutzt. Doch LEDs haben völlig andere elektrische Eigenschaften als Glühlampen. Sollen 230‑V-LED-Retrofitlampen mit den von Glühlampen her bekannten Triac-Dimmern gedimmt werden, geht die Lichtausbeute deutlich zurück.

Noch versucht die Leuchtmittelindustrie mit 230‑V-Halogenlampen und Kompaktleuchtstofflampen, also den sogenannten Energiesparlampen, den stufenweise steigenden Anforderungen der ErP-Richtlinie [1] gerecht zu werden. Die 230‑V-Halogenlampen sparen gegenüber den in Europa vom Verbot betroffenen Glühfadenlampen nur einen Teil der zuvor verschwendeten Energie ein, sind aber billig in der Anschaffung.

Kompaktleuchtstofflampen haben dagegen eine etwa fünfmal höhere Lichtausbeute als einfache Glühfadenlampen und leben etwa zehnmal so lange. Sie sind zwar inzwischen erschwinglicher geworden, aber nach wie vor bedenklich – wegen ihres Quecksilbergehalts und der damit verbundenen Gesundheitsgefährdung und Entsorgung. Kompaktleuchtstofflampen benötigen eine Aufwärmphase, bis sie die volle Helligkeit entfalten und häufige Einschalt- und Aufwärmvorgänge verkürzen ihre Lebensdauer.

Das Netzteil einer 230‑V-LED-Retrofitlampe mit vielen in Reihe geschalteten LEDs besteht im Wesentlichen aus einem Brückengleichrichter mit Vorschaltkondensator, als nahezu verlustfreiem Wechselstromwiderstand, und einem Pufferkondensator am Ausgang Bildquelle: © Del-Ko GmbH
Bild 1. Netzteil einer 230‑V-LED-Retrofitlampe mit seriell geschalteten LEDs: es besteht aus einem Brücken- gleichrichter mit Vorschalt- kondensator, als nahezu verlustfreiem Wechselstrom- widerstand, und einem Pufferkondensator am Ausgang.

Neuere LED-basierte Retrofitlampen sind demgegenüber nicht nur tendenziell noch energiesparender, sondern auch bedeutend langlebiger und zwar unabhängig von der Einschalthäufigkeit, weshalb sie sich trotz des vergleichsweise höheren Einstandspreises relativ schnell amortisieren.

Grundsätzlich gibt es zwei Konzepte für die Netzspannungsversorgung der 230‑V-LED-Retrofitlampen: Zum einen ein kompaktes Schaltnetzteil – vergleichbar mit der Vorschaltelektronik in den Kompaktleuchtstofflampen – oder zum anderen ein einfaches Netzteil aus Gleichrichterdioden und Kondensatoren, das im Unterschied zum Schaltwandler kaum Verlustleistung verursacht (Bild 1).

Ein Nachteil der Schaltnetzteile ist der Umstand, dass sie unterhalb der Volllast durch Dimmung mit deutlich schlechterem Wirkungsgrad arbeiten. Mit der steigenden Lichtleistung der 230-V-LED-Retrofitlampen ist der Einsatz eines Dimmers aber durchaus sinnvoll und wird von den Kunden auch mehr und mehr gefordert.

Leistungsaufnahme beim Dimmen Bildquelle: © e:lumix AG
Bild 2. Bei der MasterBulb von Philips lässt sich die Leistungsaufnahme durch einen Triac-Dimmer von 12 W bis auf 1,8 W senken. Der Lichtstrom wird durch dieses Dimmen von 980 lm auf 52 lm verringert. Die Licht- ausbeute sinkt von 81 lm/W auf 29 lm/W.

Bei der MasterBulb-Lampe von Philips, bestückt mit einem Triac-dimmbaren Schaltnetzteil, zum Beispiel – sie hat den mit 10 Millionen US-Dollar dotierten „L-Prize“ des US-Energieministeriums für einen LED-basierten Ersatz der meist genutzten 60‑W-Glühlampe gewonnen [2] – geht die Lichtausbeute am unteren Dimm-Ende um mehr als 60 % im Vergleich zum ungedimmten Betrieb zurück (Bild 2).

230-V-LED-Retrofitlampen mit einfachem, kapazitivem Netzteil – sie werden auch als passive 230‑V-LED-Retrofitlampen bezeichnet – lassen sich nicht per Triac dimmen; für sie genügen Vorschaltkondensatoren. Die SuperFlux-LED-Lampe von Bioledex z.B., die 2009 bei einem Vergleich der Stiftung Warentest mit der höchsten Lichtausbeute glänzte, kann durch die passive Dimmung an 230 V mit umschaltbaren Kondensatoren ihre Lichtausbeute sogar noch um mehr als 55 % gegenüber dem ungedimmten Betrieb steigern (Bild 3).

Dieses Phänomen erklärt sich aus dem Droop-Effekt [3]: Glühlampen mutieren durch jegliche Art der Dimmung graduell zu Infrarotstrahlern und konterkarieren so den Energiesparansatz des Dimmens. LEDs dagegen zeigen die entgegengesetzte Wirkung, wenn man deren Strom z.B. bei passiven 230‑V-LED-Retrofitlampen durch Kondensatoren als quasi verlustfreie Wechselstromwiderstände drosselt.

Dimmen mit Kondensatoren Bildquelle: © e:lumix AG
Bild 3 Die passive 230-V-LED-Retrofitlampe SuperFlux 13 lässt sich nicht per Triac-Dimmer dimmen. Ihr Lichtstrom kann mit Vorschaltkondensatoren von 1290 lm auf 74 lm gesenkt werden. Dadurch reduziert sich die Leistungsaufnahme von 13,5 W auf 0,5 W. Allerdings steigt durch das Dimmen die Lichtausbeute von 95,7 lm/W auf 148,7 lm/W.

Über die halbleiterphysikalischen Ursachen des Droop-Effekts hat sich die Wissenschaft noch nicht einigen können, allerdings ist offenbar die Stromdichte in der Grenzschicht des LED-Chips für eine galoppierende Zunahme der Sperrschichttemperatur bei höheren Stromstärken verantwortlich und entsprechend für einen wachsenden Wärmeanteil bzw. eine leistungsanteilig verringerte Lichtabgabe.

Dieser Effekt erklärt auch, warum eine Dimmung mittels Pulsweitenmodulation nicht die Lichtausbeute einer LED-Retrofitlampe steigert. Anders als bei Glühlampen ist bei LEDs nicht der Mittelwert des Stroms maßgebend, sondern dessen Momentanwert. Insofern ist unter dem Aspekt der Lichtausbeute eine lineare Dimmung einer gepulsten eindeutig vorzuziehen. Dazu hat beispielsweise der taiwanesische LED-Hersteller Epistar [4] aufschlussreiche Messwertdiagramme publiziert, die den Verlauf der Lichtausbeute von weißen LEDs in Abhängigkeit von der Stromstärke darstellen [5, 6].

Inzwischen lassen sich mit einer reduzierten Stromdichtebelastung Lichtausbeuten von mehr als 200 lm/W erzielen. Mit dem Prototyp einer passiven 36‑W-LED-Retro­fitlampe für 230 V, die aus einer Matrix neuartiger, selbstlastbegrenzender und somit hotspotresistenter LEDs des Herstellers e:lumix LED-Technologie GmbH [7] aufgebaut war, konnte eine Steigerung der Lichtausbeute von ungedimmt 76 lm/W auf 235 lm/W bei 0,6 W Wirkleistungsaufnahme durch die kapazitive Dimmung (Dimmer: Bioledex-Switch-LED-Dimmer) nachgewiesen werden. Das entspricht einem Lichtausbeute­gewinn von 200 %. Eine realistische Machbarkeitsgrenze wird bei ca. 300 lm/W angesetzt. Zum Vergleich: Glühlampen erreichen ungedimmt gerade mal um die 10 lm/W, 230‑V-Halogenlampen um die 15 lm/W – gedimmt noch erheblich weniger.

In puncto Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist es daher nicht empfehlenswert, wie z.B. bei den High-Power-LEDs auf möglichst kleinen Chipflächen möglichst hohe Stromdichten zu realisieren. Diese Strategie, Kosten durch kleinere Halbleiterflächen einzusparen, geht nicht auf. Denn der Aufwand für die Kühlung steigt überproportional an und die Lichtausbeute geht ebenso wie die Lebensdauer zurück.