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Power Integrations stellt IC zur simplen und wirksamen Problemlösung vor

Flimmerfreies Dimmen von LEDs

16. März 2011, 13:43 Uhr | Willem Ongena

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

LED-Stromversorgung muss Phasenanschnitt-Wechselspannung interpretieren

Wenn eine LED-Lampe dimmbar sein soll, muss die LED-Stromversorgung die vom TRIAC-Controller gelieferte Phasenanschnitt-Wechselspannung interpretieren und den Konstantstrom für die Ansteuerung der LEDs entsprechend regeln; dabei ist ein monotoner Verlauf der Stromänderungen wichtig. Das ist aber schwierig zu erreichen – bei Betätigung des Dimmers können Phänomene auftreten wie z. B. zu langsames Hochfahren, Flimmern, ungleichmäßige Helligkeit oder Blinken. Und infolge unweigerlich vorkommender Exemplarstreuungen können sich verschiedene LED-Lampen unterschiedlich verhalten, zudem können sie unerwünschte Störgeräusche produzieren. In der Regel werden diese Effekte durch eine Kombination aus Fehltriggerung oder verfrühtem Abschalten des TRIACs und einer nicht adäquaten Regelung des LED-Stroms verursacht. Die Grundursache für Fehltriggerung ist Stromüberschwingen beim Einschalten des TRIACs. Das abgebildete Oszillogramm verdeutlicht diesen Effekt.

Wenn der TRIAC einschaltet, wird die Netzwechselspannung fast schlagartig auf das LC-Eingangsfilter der LED-Stromversorgung geschaltet. Die Spannungssprung an der Induktivität verursacht Überschwingen. Wenn während des Überschwingens der Strom durch den Dimmer unter den TRIAC-Triggerstrom abfällt, geht der TRIAC in den nichtleitenden Zustand über. Die TRIAC-Triggerschaltung lädt dann wieder den Kondensator C2 auf, danach schaltet der Dimmer wieder ein. Solches fehlerhafte, mehrfache Einschalten des TRIACs kann dazu führen, dass die LED-Lampe flimmert und Störgeräusche auftreten. Dieses unerwünschte Überschwingen lässt sich aber minimieren, indem man das Design des EMV-Filters am Eingang der LED-Stromversorgung vereinfacht. Eine weitere Voraussetzung für erfolgreiches Dimmen sind möglichst kleine Induktivitäten und Kapazitäten im Eingangs-EMV-Filter.

Der im Hinblick auf Überschwingen ungünstigste Fall ist ein Phasenwinkel von 90° Grad (das bedeutet, dass die Eingangsspannung genau dann auf den Eingang der LED-Stromversorgung geschaltet wird, wenn sie ihr Maximum erreicht) kombiniert mit hoher Netzspannung (entsprechend dem minimalen Dimmer-Durchlassstrom). Bei starker Dimmung (d. h. Phasenwinkel fast 180 Grad) und niedriger Netzspannung kann es vorkommen, dass der TRIAC vorzeitig abschaltet. Für zuverlässiges Dimmen bis hinab zu sehr geringer Helligkeit ist es erforderlich, dass der TRIAC monoton einschaltet und fast bis zum Nulldurchgang der Wechselspannung im eingeschalteten Zustand verbleibt. Der zur Aufrechterhaltung des leitenden Zustands erforderliche Haltestrom von TRIACs liegt üblicherweise im Bereich von 8 bis 40 mA. Mit einer Glühlampe als Last ist dieser Haltestrom leicht aufrecht zu erhalten. Genau das ist als Folge des hohen LED-Wirkungsgrades bei einer LED-Lampe nicht möglich: Wenn sie weniger als 10 Prozent der Leistung einer vergleichbaren Glühlampe verbraucht, kann das den Strom auf Werte unterhalb des TRIAC-Haltestroms absinken lassen, so dass der TRIAC vorzeitig abschaltet. Das kann zu Flimmern führen und/oder den Dimmbereich begrenzen.

Bei der Entwicklung einer dimmbaren LED-Stromversorgung sind aber noch weitere Hürden zu überwinden. Die ENERGY STAR-Spezifikationen für Halbleiter-Leuchtmittel schreiben für kommerzielle und industrielle Anwendungen einen Mindest-Leistungsfaktor (power factor) von 0,9 vor und stellen hohe Anforderungen an den Wirkungsgrad, an die Ausgangsstromtoleranz und an das EMV-Verhalten. Außerdem muss auch bei leerlaufendem oder kurzgeschlossenem Ausgang die Sicherheit der Stromversorgung gewährleistet sein.