Dimmung durch Betriebsstromregulierung und Pulsweitenmodulation

Zeitgemäße Lösungen aller Aufgaben der modernen Beleuchtungstechnik setzen ein hohes Maß an Planbarkeit, Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und Funktionssicherheit für das Gesamtsystem und seine Komponenten voraus. Eine solche Aufgabe ist auch das Dimmen eines Leuchtmittels, das in definierter Weise erfolgen muss, um ein gefordertes Beleuchtungsniveau oder eine gewünschte Lichtfarbe präzise einstellen zu können (siehe auch Kapitel „DALI"). Dazu bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

  • die kontinuierliche Variation der Lichtleistung mit permanenter Lichtaussendung und

  • die Variation zeitlicher Unterbrechungen der Lichtaussendung mit kurzen Intervallen unterhalb der Wahrnehmungsgeschwindigkeit des Auges.

Abbildung 3.189:

Dimmen einer LED-Leuchte durch kontinuierlich reduzierte Lichtleistung oder Pulsweitenmodulation. Die Modulationsfrequenz sollte ≥ 400 Hz sein.

Die Variation der Lichtleistung wird dabei in der Regel mittels der Regulierung des Betriebsstromes der LED erzielt. In weiten Bereichen ist dieses Prinzip technisch gut umsetzbar. Zu kleinen Lichtleistungen hin stößt es jedoch an seine Grenzen. Der Grund ist die dort auftretende starke Abhängigkeit der sich einstellenden Vorwärtsspannung der LED von kleinen Stromänderungen. Diese drückt sich in der Form des unteren Bereichs der Strom-Spannungs-Kennlinie der LED aus (siehe Abbildung in Kapitel „Betriebsgeräte für LED-Leuchten"). Der Dimmbereich ist dadurch beschränkt.

Die periodische, zeitliche Unterbrechung der Lichtaussendung wird im Allgemeinen als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet. Die Dauer vom Einschaltvorgang über den Ausschaltvorgang bis zum nächsten Einschalten der LED ist die Periodendauer der PWM. Diese sollte einen Wert kleiner als 2,5 ms aufweisen, was einer Frequenz oberhalb von 400 Hz entspricht. Ein sichtbares Flimmern der Beleuchtung ist schon ab ca. 100 Hz nicht mehr wahrnehmbar, jedoch sind physiologische Wirkungen auch unterhalb der Wahrnehmungsgrenze des Sehens bis zu einer Frequenz von 400 Hz noch möglich. Stroboskopische Effekte, z.B. an rotieren Teilen, können auch bei weit höheren Frequenzen noch auftreten, sofern diese mit der Periodizität der Drehbewegung übereinstimmen.

Im Gegensatz zum Temperaturstrahler (Glühlampe), der sich nach dem Einschalten erwärmen und nach dem Abschalten abkühlen muss, reagiert die LED sehr schnell auf Schaltvorgänge. Schon bei sehr kurzen Betriebszeiten im Bereich von μs entwickelt sie ihren vollen Lichtstrom. Bei einer Periodendauer von ca. 2 ms kann die PWM also als eine Folge von Schaltzyklen mit Betriebszeiten und Betriebszeitunterbrechungen betrachtet werden. Insofern ist der zeitlich gemittelte Lichtstrom als (annähernd) proportional zum zeitlichen Mittelwert der Leistungsaufnahme anzunehmen.

Tatsächlich wirkt sich die mittlere Leistungsaufnahme auf die Betriebstemperatur der LED aus. Infolge der erhöhten Lichtausbeute bei geringen Betriebstemperaturen ist der verfügbare mittlere Lichtstrom im unteren Dimmbereich der PWM also sogar etwas höher als bei proportionaler Abhängigkeit.

In der Praxis wird für die Dimmung von LED häufig eine Kombination aus Betriebsstromregulierung und PWM gewählt (siehe Abbildung). Die Betriebsstromregulierung wird im oberen Leistungsbereich angewendet. Dies hat den Vorteil, dass in diesem Bereich stroboskopische Effekte vollständig und sicher vermieden werden. Erst im unteren Dimmbereich, wenn z. B. bei einer tageslichtabhängigen Regelung viel Tageslicht verfügbar ist, tritt die PWM ein, wodurch stroboskopische Erscheinungen ggf. effizient abgeschwächt werden.

Insgesamt ist auf diesem Wege ein weiter Dimmbereich mit zuverlässig reproduzierbarem Verhalten realisierbar.

Abbildung 3.190: Beispiel einer Dimmbarkeit durch Betriebsstromregulierung bis zu 20 % Leistungsaufnahme. Mit zusätzlicher Pulsweitenmodulation wird auf geringere Niveaus gedimmt. Die Modulationsfrequenz sollte auch hier ≥ 400 Hz sein.

Die Ansteuerung erfolgt über eine Schnittstelle, wie z. B. DALI (Digital Addressable Lighting Interface, siehe auch Kapitel „Lichtmanagement“).

Bei der Messung der Leistungsaufnahme im Dimmbetrieb ist ggf. zu berücksichtigen, dass sich hier ein reduzierter Leistungsfaktor (siehe Kapitel) einstellen kann.