Beim Dimmen von LEDs tritt häufig ein banales Problem auf: Wie erreicht der Dimm-Befehl das LED-Netzteil? Neben der Netzversorgung sind bei drahtgebundenen Schnittstellen wie 1-10 V, Dali oder KNX weitere Steuerkabel zum Netzteil erforderlich. Funklösungen wie En-Ocean, Zigbee und Casambi sind mitunter störanfällig. Zudem schätzen Anwender neben einer smarten Steuerung via Smartphone und Tablet auch die Nutzung eines klassischen Wandeinbautasters oder Dimmers. In den meisten Installationen ist jedoch keine separate Bus- oder Steuerleitung verfügbar.
Eine Möglichkeit, ohne weitere Steuerleitung lediglich über die 230-V-Versorgungsleiter L und N zu dimmen, bietet die Phasenanschnitts- beziehungsweise -abschnittsdimmung mit Hilfe eines Triac-Dimmers. Bei dieser Methode wird die steigende oder fallende Flanke der 230-V-Sinushalbwelle aus dem Versorgungsnetz über den Triac-Dimmer beschnitten. Glühlampen werden auf diesem Weg direkt betrieben und somit 100 Mal in der Sekunde ein- und ausgeschaltet. Je nachdem zu welchem Zeitpunkt, also wie stark der Beschnitt der Netzhalbwelle erfolgt, lässt sich mehr oder weniger Energie zur Lampe übertragen und dadurch die Helligkeit beeinflussen.
Konstantstromapplikationen dimmen
Bei LED-Applikationen hingegen besteht die Möglichkeit, sie mit phasendimmbaren Netzteilen zu betreiben. Um die LED mit der gewünschten Energie zu versorgen, wertet das Netzteil die über den Triac-Dimmer zur Verfügung gestellte verzerrte Sinuskurve aus. Auch wenn es viele Schnittstellen für das Ansprechen eines LED-Netzteils per Dimmbefehl gibt, regelt das LED-Netzteil den sekundären DC-Ausgang entweder linear über eine Begrenzung des Ausgangsstromes oder über einen getakteten pulsweitenmodulierten Ausgang.
Die analoge lineare Dimmung ist bei Konstantstromapplikationen sinnvoll. Wegen ihres einfachen Schaltungsaufbaus ist sie bei vielen LED-Netzteilen verbreitet. Dabei wird der DC-Ausgangsstrom des LED-Netzteils von 100 Prozent des Nennstroms auf einen minimal möglichen Wert herunter geregelt. Auch Konstantspannungsapplikationen wie etwa LED-Bänder werden auf diese Weise betrieben. Dafür kommen Netzteile zum Einsatz, die je nach Betriebszustand entweder eine Konstantspannung oder einen Konstantstrom zur Verfügung stellen, nämlich Konstantspannungsnetzteile mit integrierter Strombegrenzung. Erreicht der Ausgangsstrom den maximalen Nennwert beziehungsweise den über den Dimmbefehl vorgegebenen Wert, ändert sich der Betriebszustand und das Netzteil arbeitet im Konstantstrommodus.
In einer annähernd linear verlaufenden Dimmkurve reduzieren etliche LED-Netzteile den Strom von 100 auf
10 Prozent. Allerdings ist die Helligkeitswahrnehmung des menschlichen Auges, die durch den Pupillenlichtreflex und die Adaption der Netzhaut an unterschiedliche Helligkeiten erfolgt, nicht linear. Bei dunklen Umgebungen erweitert sich die Pupille wie bei der Blende einer Kamera und erhöht dadurch den Lichteinfall auf die Netzhaut. Gerade im unteren Dimmbereich nehmen Menschen deshalb die Helligkeitsänderung am Leuchtmittel nicht mehr so stark wahr. Um dennoch wie bei den genannten LED-Bändern einen weiten Dimmbereich nutzen zu können und somit eine optisch gute und ansprechende Dimm-Leistung zu erhalten, sollte das analog gedimmte LED-Netzteil hoch ausgelastet sein. Außerdem sollte es ein möglichst geringes unteres Dimmlevel von fünf Prozent oder weniger erreichen.
Paralleles Dimmen mehrerer Netzteile
Nicht ganz einfach ist das analoge Dimmen mehrerer gleichzeitig betriebener Netzteile mit angeschlossenen LED-Bändern über ein einzelnes gemeinsames Dimmsignal. Bei einer unterschiedlichen prozentualen Auslastung der verwendeten LED-Netzteile beginnt der optisch sichtbare Rückgang der Lichtintensität zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Grund dafür ist die Strombegrenzung, die bei jedem Netzteil analog mit der beginnenden Dimmung von 100 Prozent möglichem Nennstrom herunter regelt. Um ein paralleles Dimmen zu ermöglichen, müsste also die prozentuale Auslastung der verwendeten Netzteile in einer Installation immer gleich sein. Ein weiterer Nachteil des analogen Dimmens kann eine auftretende Farbverschiebung bei weißen LEDs im unteren Dimmbereich sein. Bei anspruchsvollen Lichtapplikationen setzt das unter Umständen eine Begrenzung des unteren Dimmlevels voraus.
Um eine zeitgleiche und gleichmäßige Dimmung bei mehreren unterschiedlich ausgelasteten Konstantspannungsnetzteilen zu erreichen, bietet sich das Dimmen über einen pulsweitenmodulierten Ausgang an. Der Ausgangsstrom des LED-Netzteils wird hierbei nicht begrenzt, sondern der Ausgang für eine vorgegebene Zeitspanne ein- und wieder ausgeschaltet. Die Periodendauer ist über die PWM-Frequenz definiert. Je nach Helligkeitsbedarf erhält die LED dadurch eine bestimmte Zeit lang
100 Prozent Leistung. Für das menschliche Auge erscheint sie umso heller, je länger ihre Bestromung während dieser Periodendauer anhält. Denn wegen seiner Trägheit kann es die Schaltzyklen nicht oder nur bedingt wahrnehmen. Das An- und Abschalten der Lichtquelle erzeugt jedoch ein Flickern, das Gegenstand diverser Studien ist. Diese untersuchen eine Beeinflussung des menschlichen Organismus durch das Flickern einer Lichtquelle. Ist die PWM-Frequenz zu gering gewählt, können Kopfschmerzen, Ermüdung, Konzentrationsstörungen oder gar eine Beeinträchtigung der Sehleistung auftreten. Empfehlungen dazu hat das Institute of Electrical and Electronics Engineers mit dem
IEEE1789-Standard definiert. Um mögliche physiologische Beeinträchtigungen weitestgehend zu vermeiden, sollte ein Netzteil mit pulsweitenmoduliertem Ausgang mit mindestens 1,25 kHz PWM-Frequenz arbeiten.
Entscheidet sich der Anwender für ein phasendimmbares LED-Netzteil, steht er vor einer Herausforderung: Während es für Konstantstromapplikationen wie Strahler oder Spotlights eine relativ große Auswahl an Triac-dimmbaren LED-Netzteilen gibt, ist es für Konstantspannungsapplikationen wie LED-Bänder oder -Module nicht einfach, ein phasendimmbares Netzteil zu finden. Unterstützung bei der Suche bieten Distributoren mithilfe ihres technischen Vertriebsteams. Zum Beispiel führt Schukat phasendimmbare Kon-
stantspannungsnetzteile des Herstellers Self Electronics mit den Leistungsklassen 30, 75 und 120 W im Programm. Der Distributor entwickelt aber auch zusammen mit dem Hersteller speziell auf die Anforderungen des Kunden ausgerichtete LED-Stromversorgungen.
Die Netzteile von Self Electronics arbeiten mit einem pulsweitenmodulierten Ausgang und lassen sich sehr flexibel einsetzen. Bereits bei der Einführung der 75-W-Version Anfang 2017 gewährleistete dieses einen flickerfreien Betrieb dank einer PWM-Frequenz von 1,5 kHz. Im April 2018 wurde die PWM-Frequenz auf 4,3 kHz erhöht, um eine mögliche Beeinflussung des Flickerns auf Videoaufnahmen auszuschließen. Durch neue Komponenten und ein verbessertes Schaltungsdesign wurden die Nachteile der höheren Frequenz kompensiert, wie steigende Schaltverluste, die damit einhergehende Eigenerwärmung und den Effizienzverlust.
Die phasendimmbaren LED-Netzteile lassen sich je nach verwendetem Dimmer von 100 auf minimal 5 Prozent dimmen. Auch bei stark beschnittener Sinuswelle versorgt ein ausreichend groß dimensionierter primärer Speicherkondensator das Netzteil mit der benötigten Energie. Der Einschaltstrom, der maßgeblich durch den Kondensator beeinflusst wird, lässt sich durch einen Dämpfungsschaltkreis klein halten. Damit während des Dimmvorgangs nicht jede Halbwelle zu einer Änderung des DC-Ausgangs am Netzteil führt, wertet eine Software mit einem speziellen Algorithmus die vom Triac-Dimmer kommenden Halbwellen über einen definierten Zeitraum aus, bevor der PWM-Ausgang angepasst wird. Dank Software und einer besonderen Hardware-Lösung im Primärkreis bestehen weitestgehend kaum Kompatibilitätsprobleme mit vorhandenen Dimmern und dadurch möglicherweise entstehendem Flackern bei der LED. Eine hohe Effizienz und eine lange Betriebserwartung sind entscheidende Vorteile der LED-Netzteile von Self Electronics.
