e & i Elektrotechnik und Informationstechnik

pp 1–8

Untersuchung von unterschiedlichen Möglichkeiten der Helligkeitsvariation für LED-Beleuchtungsmittel

Authors

    • Tridonic Jennersdorf GmbH
  • Franz Zerobin
    • Tridonic Jennersdorf GmbH
Originalarbeiten

DOI: 10.1007/s00502-012-0101-5

Cite this article as:
Hoschopf, H. & Zerobin, F. Elektrotech. Inftech. (2012). doi:10.1007/s00502-012-0101-5
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Zusammenfassung

LED-Beleuchtungsmittel sind aufgrund ihrer Effizienz und Leistungsfähigkeit bereits am Markt etabliert und stellen am Beleuchtungssektor enormes Potential für Energieeinsparung und zusätzlicher vorteilhafter Merkmale für den Konsumenten dar. Aufgrund der hohen Lichtintensität der LED-Module ist die Helligkeitsanpassung (Dimming) ein wichtiger Teil der Steuerungs- und Regelungstechnologie.

Ausgehend von den am Markt bereits für die Glühlampen entwickelten Phasenan- und -abschnittsdimmern, deren prinzipieller Aufbau, die Vor- und Nachteile sowie deren alternative, speziell für die LED-Ansteuerung geeigneten Konzepte der Helligkeitsvariation, werden auch die mit der neuen LED Technologie verbundenen Charakteristika dargestellt. Der Einfluss von Vorwärtsstrom durch die LED sowie der Umgebungstemperatur auf das LED-Modul, deren dadurch bedingte Farbverschiebung und Lichtstromschwankungen werden aufgezeigt und anhand von durchgeführten Messungen an repräsentativen LED-Modulen anschaulich dargestellt. Die spektrale Verteilung phosphorkonvertierter weißer LED in diesem Umfeld gewährt Einblick in Möglichkeiten und Herausforderungen im Umgang mit der LED-Technologie.

Die Kombination von kontinuierlicher Stromvariation (Amplitudendimmung) und Pulsweitenmodulation sowie die Bitmustervariation bieten die besten Voraussetzungen, um ein der Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasstes und komfortables Licht, basierend auf der LED-Technologie, anbieten zu können.

Schlüsselwörter

PhasenanschnittLEDPulsweitenmodulationFarbortverschiebung

Analysis of diverse potentials of intensity variations for LED illumination modules

Abstract

LED Illumination is already established in the lighting market because of its efficacy and efficiency and depicts a tremendous potential for consumers in energy saving as well as additional beneficial features. Due to high luminance of LED Modules the adjustment of light intensity is an important part of control and light management technology.

Based on leading and trailing edge dimmers already developed for in the lighting market existing incandescent light bulbs, the principle construction and the pros and cons, as well as their alternative, especially for LED controls appropriate concepts for light dimming, the characteristics adjunctive to the new LED technology are depicted. The influence of forward current through the LED, as well as the effect of the ambient temperature on LED modules, thus resulting in color shift and deviation of luminous flux, are identified and depicted graphically by means of measurements on representative LED modules. The spectral distribution of color converted white LEDs in this environment grants insight to possibilities and challenges in association with LED technology.

The combination of continuous variation of forward current (amplitude modulation) and pulse width modulation, as well as bit pattern variation present the best supposition for a convenient LED technology based light source aligned to the sensitivity of human eye.

Keywords

leading edge dimmingLEDpulse width modulationcolor deviation

1 Einleitung

Effizienz und Lichtstrom von LED-Beleuchtungsmittel erreichen und übertreffen bereits Werte von Leuchtstoffröhren. Dies führt neben zunehmender Akzeptanz der LED-Lichtquellen am Beleuchtungssektor auch zur Frage der Helligkeitsanpassung. Verschiedene technologische Ansätze und damit verbundene Vor- aber auch Nachteile bedürfen einer sorgfältigen Analyse vor dem Einsatz im Leuchtmittel, um ungewollten qualitativen Einbußen bereits von vornherein zu begegnen.

LED-Leuchtmittel für die Allgemeinbeleuchtung haben sich als Ersatz der Glühlampen, welche durch Regulierungsmaßnahmen der EU aufgrund ihrer Ineffizienz vom Markt verbannt wurden, bereits etabliert und setzen sich auch gegenüber den Energiesparlampen, welche auf der Leuchtstoffröhrentechnologie basieren, aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften bezüglich Einschaltverhalten, Energiebedarf, Lebensdauer, Lichtfarbe (warmes Licht gegenüber dem kalten Licht der Energiesparlampen) und Farbwiedergabe durch. So sind derzeit LED-Retrofit-Lampen für den Ersatz von bis zu 60 W Glühlampen am Markt erhältlich. Der Ersatz höherer Leistungen von Glühlampen ist derzeit ohne aktive Kühlung in der vorgegeben geometrischen Struktur der Standardglühlampen noch nicht möglich.

Marktanalysen während der Einführungsphase dieser LED-Retrofit-Lampen ergaben hinsichtlich Kundenanforderung neben der Beibehaltung der Farbtemperatur der Glühlampen und dem adäquaten Lichtstrom auch den Bedarf der Kompatibilität zur bestehenden Intensitätsvariation durch allgemein als „Dimmer“ bezeichnete phasenabhängige An- oder Abschnittssteuerungen. Diese verändern die Helligkeit im Raum durch Phasenanschnitts- oder Phasenabschnittssteuerung meist über Drehsteller oder Taster. Diese Technologie der Helligkeitsvariation ist hauptsächlich auf die Glühlampe ausgerichtet und wird selbst dort durch Geräuschentwicklung und auftretendes Flackern des Lichtes bei geringen Helligkeitsgraden unter bestimmten Voraussetzungen als störend empfunden. Bei Verwendung der LED-Technologie wird die Situation zusätzlich noch verschärft, da die geringe Leistungsaufnahme und die notwendige Spannungskonversion auf weitaus niedrigere Spannungslevel für die LED-Versorgung mit der Phasenanschnitts- und Phasenabschnittstechnologie problematisch sind. Dies führt zu zusätzlicher Komplexität der elektronischen Schaltung und auch zu erheblichem Mehraufwand. Die vorliegende Arbeit soll daher einen tieferen Einblick in die heutigen technischen Gegebenheiten und Möglichkeiten gewähren.

Ein Abschnitt beschäftigt sich mit der direkten, für die Helligkeitsvariation von weißen farbkonvertierten LED-Lichtquellen, welche derzeit am Markt den überwiegenden Anteil darstellen, am besten angepassten Intensitätsvariation. Diese LED-Technologie basiert auf einer blaues Licht emittierenden Leuchtdiode, welche mit einer Farbkonversionsschicht umhüllt wird. In der einfachsten Form besteht die Farbkonversionsschicht aus einem Basismaterial (meist temperaturbeständige Kunststoffe), die mit den Farbkonversionspartikeln vermengt werden. Die Farbkonversionspartikel wandeln einen Teil des vom LED-Chip emittierten blauen Lichts in ein langwelligeres, spektral breit abstrahlendes Licht, woraus zusammen mit dem Rest des blauen Anteils für das menschliche Auge weißes Licht resultiert. Strom- und Temperaturabhängigkeit von LED-Chip und Farbkonversionsmittel führen zu einer Verschiebung der Lichtfarbe (Farbort, Farbtemperatur), die berücksichtigt werden muss, und zu elektronischem Steueraufwand, um qualitativ hochwertiges, für den Menschen angenehmes Licht zu erzeugen.

2 Phasenanschnittssteuerung

Die am weitesten verbreitete Möglichkeit der Helligkeitsvariation von Leuchtmitteln stellt die Phasenanschnittssteuerung dar. Ursprünglich für die Motorsteuerung entwickelt wurde sie in den 1970er-Jahren in der Beleuchtungsindustrie etabliert. Diese Technologie ist hauptsächlich für die Dimmung von Glühlampen entwickelt worden, obwohl diese Art der Steuerung aufgrund der damit verbundenen Schaltung hoher Spannungsflanken eine Vielzahl an Nachteilen und zusätzlichen Filteraufwand mit sich bringt. Ein weiterer Aspekt, den es genauer zu betrachten gilt, ist die elektrische Eigenschaft der Last. Stellt die Wendel der Glühlampe eine rein ohmsche Last dar, ist dies bei LED-Lichtquellen nicht mehr der Fall, da LEDs einen dynamischen Widerstand darstellen. Auch die weitaus geringere Leistungsaufnahme von LED-Modulen gegenüber Glühlampen führt zu technischem Mehraufwand und Abweichungen vom gewohnten Dimmverhalten in Verbindung mit dieser Art der Leistungsverstellung. Vorab sollen jedoch die Grundlagen dieser Technologie näher betrachtet werden und daraus die Adaption zur Helligkeitsvariation einer LED entwickelt werden.

Die Phasenanschnittssteuerung basiert auf der Kombination von DIAC und TRIAC, beides bidirektionale elektronische Halbleiterbauelemente und damit ideal für Wechselstrom geeignet. Abbildung 1 zeigt ein sehr vereinfachtes Prinzipschaltbild einer Phasenanschnittssteuerung.
https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs00502-012-0101-5/MediaObjects/502_2012_101_Fig1_HTML.gif
Abb. 1.

Prinzipieller Aufbau (a) und Signalform (b) einer Phasenanschnittssteuerung

Die Funktionsweise der Phasenanschnittssteuerung nach Abb. 1 lässt sich folgendermaßen beschreiben: Die Widerstands-(Potentiometer)-Kondensator-Kombination bewirkt je nach Potentiometerstellung eine größere oder kleinere Phasenverschiebung des Eingangssignals (230 V / 50-Hz-Versorgung). Übersteigt dabei die Spannung am Kondensator die Zündspannung der DIAC (Diode for Alternating Current), wird der Steuereingang (Gate) der TRIAC (Triode for Alternating Current) versorgt und die TRIAC wird leitend. Da sich die Spannung an der DIAC mit gleicher Frequenz nur eben phasenverzögert mit der Versorgungsspannung ändert, wird bei Unterschreitung des Haltestromes über die DIAC die TRIAC abgeschaltet. Je größer der Widerstandswert des Potentiometers eingestellt wird, desto größer wird die Phasenverschiebung und damit die Stromflusszeiten geringer, was wiederum zur Helligkeitsabnahme der Glühlampe führt.

Was hier so einfach und kurz beschrieben wird, weist selbstverständlich noch einige Sekundäreffekte auf, die äußerst unangenehm im täglichen Gebrauch zum Tragen kommen. So verhindert der Spannungshub zwischen DIAC und TRIAC eine vollständige Entladung des Kondensators zur Phasenverschiebung. Dies äußert sich darin, dass sich eine Hysterese ausbildet, die bei geringen Stromflusszeiten zu Instabilität am Leuchtmittel führt. Ein Flackern der Glühlampe ist die unangenehme Folge. Durch ein zusätzliches RC-Glied sowie Dioden, welche eine vollständige Entladung des Kondensators bedingen, kann dieser Effekt reduziert oder verhindert werden. Ein weiterer störender Effekt ist durch die hohe Flankensteilheit (100 V/μs) gegeben, welche TRIACs aufgrund ihres raschen Ansprechens ermöglichen. Dies führt zu Störungen im Radio- und Kurzwellenfrequenzbereich aufgrund der dadurch implizierten Oberwellen. Um derartige Störungen wirkungsvoll zu verhindern, ist ein LRC-Netzwerk notwendig, welches in Abb. 1 durch eine Induktivität und einen Kondensator schematisch dargestellt ist. Ohne gewissenhafte und ausreichende Dimensionierung des Filternetzwerks führen Phasenanschnittssteuerungen zu störenden und unzulässigen Einschränkungen im Radio- und Funkbereich. Selbst bei richtiger Dimensionierung der passiven Bauelemente des Filternetzwerks bedingen die Flankensteilheit und die damit einhergehenden periodisch auftretenden Oberwellen im mechanischen Aufbau der elektrischen Bauteile sowie in Verbindung dieser mit der Leiterplatte Geräusche aufgrund von Eigenresonanzen im hörbaren Bereich. Diese Geräusche sind zwar nur im unmittelbaren Nahbereich des Phasenanschnittsdimmers hörbar, werden aber grundsätzlich als störend empfunden, und jeder geschätzte Leser wird bereits seine eigene Erfahrung mit diesem Phänomen der Geräuschentwicklung in Zusammenhang mit Phasenanschnittsdimmern gemacht haben.

3 Phasenabschnittssteuerung

Eine weitere Möglichkeit der Leistungssteuerung stellt ein grundsätzlich sehr ähnliches Prinzip, die Phasenabschnittssteuerung, dar. Der Unterschied zur Phasenanschnittssteuerung besteht darin, dass nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt die Versorgungsspannung durchgeschaltet, sondern abgeschaltet wird. Dazu bedarf es anderer elektronischer Bauteile und eines Mehraufwands für die phasensynchrone Zeitsteuerung. Als elektronische Bauteile für die Phasenabschnittsdimmung kommen GTO-Thyristoren (Gate Turn Off), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) und Leistungs-MOS-FETs zur Anwendung. Vor allem bei GTO-Thyristoren ist der Mehraufwand dadurch bedingt, dass dieser eingeschaltet werden muss, um zu zünden, und über einen negativen Impuls am Gate wieder ausgeschaltet werden muss. Dadurch wird der elektronische Aufwand für die Steuerung und Synchronisation komplexer. Eine mögliche Spannungsform der Phasenabschnittsdimmung ist in Abb. 2 dargestellt.
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Abb. 2.

Typische Signalform einer Phasenabschnittsdimmung

Die berechtigte Fragestellung ist nun, wozu es der aufwändigeren Phasenabschnittsdimmung bedarf, wenn der einfachere Weg der Phasenanschnittssteuerung den gleichen Effekt erzielt? Die Berechtigung der Phasenabschnittssteuerung begründet sich im elektrischen Verhalten der nachgeschalteten elektronischen Bauelemente. Für die derzeit systematisch vom Markt zu nehmenden Glühlampen ergibt sich kein Unterschied hinsichtlich der beiden Dimmkonzepte, da sie eine ohmsche Last darstellen. Für die Versorgung von LEDs direkt vom 230 V/50 Hz Netz ist jedoch zusätzlicher elektrischer und elektronischer Aufwand notwendig, um die Wechselspannung des Netzes in eine Gleichstromversorgung für die Leuchtdioden zu konvertieren. In Abhängigkeit der bevorzugten Technologie sind der phasenabhängigen Steuerung induktive (zum Beispiel Transformatoren) oder kapazitive (elektronische Versorgungsgeräte) Systeme nachgeschaltet. Das induktive Verhalten der Transformatoren bedingt hohe Spannungsspitzen aufgrund des steilen Signalabfalls bei der Phasenabschnittssteuerung. Daher ist für induktive Lasten die Phasenanschnittssteuerung vorzuziehen. Hingegen führt der steile Spannungsanstieg bei der Phasenanschnittssteuerung zu enormer Strombelastung aufgrund des kapazitiven Verhaltens der elektronischen Vorschaltgeräte. In diesem Fall ist die Phasenabschnittssteuerung die richtige Wahl.

4 Auswirkungen der phasenabhängigen Steuerung auf die LED-Versorgungselektronik

State of the Art der Versorgungskonzepte für LED-Lichtquellen beruht auf SMPS (Switch Mode Power Supplies). Unabhängig von den unterschiedlichen elektronischen Steuer- und Regelungstechnologien ermöglichen diese Konverter eine weitgehend versorgungsunabhängige Gleichstromversorgung der LED-Module. Besteht die Absicht, LED-Module über die beiden zuvor erwähnten Phasensteuerungen in ihrer Helligkeit zu variieren, wird die SMPS in einem sehr weiten Bereich die geringere zur Verfügung stehende Leistung ausgleichen und damit keine Lichtminderung zulassen. Erst bei Unterschreitung der für die Aufrechterhaltung der beabsichtigten Betriebsparameter benötigten Leistung durch die Phasensteuerung wird sich eine Helligkeitsabnahme einstellen. Allerdings befindet sich in diesem Fall die Regel- und Steuerelektronik meist bereits außerhalb des zulässigen Toleranzbereichs für eine einwandfreie Funktion. Störende Nebeneffekte, wie Flackern im niedrigen Frequenzbereich (<100 Hz), übermäßige Erwärmung der Elektronik, unzulässige Strom- und Spannungsspitzen durch Verlust der Kontrolle aufgrund der Unter- oder Überschreitung von Referenzsignalen in der Regelschleife sind die Folge. Selbst ein Blinken aufgrund von geringen Bias-Strömen in der SMPS ist möglich, welche einen zyklischen Restart des Kontrollbausteins bewirken. Befinden sich zum Beispiel Glimmlampen zur besseren Orientierung in Lichtschaltern, reicht dieser geringe Strom aus, um die Eingangskondensatoren der SMPS derart aufzuladen, dass der Kontrollbaustein ausreichend versorgt wird und folglich einen kurzen Stromimpuls an das LED-Modul abgibt. Da der Stromfluss durch die Glimmlampen sehr gering ist, kann nicht genügend Energie für die einwandfreie Funktion des LED-Moduls nachgeliefert werden. Dieser Bias-Strom durch die Glimmlampe ist relativ konstant, wodurch ein zyklisches kurzes Einschalten der LEDs die Folge ist.

Grundsätzlich ist die höhere Effizienz von LED-Lichtquellen und die damit verbundene geringere Leistungsaufnahme dem Einsatz von Phasendimmern abträglich. Derartige Dimmer sind für den Einsatz von Glühlampen ausgelegt und damit für Schaltleistungen im mehrstelligen Leistungsbereich, während LED-Retrofit-Lampen ca. 10 W aufnehmen, entsprechend einem Glühlampenäquivalent von 60 W.

Um nun eine Kombination von phasenabhängiger Steuerung mit einer SMPS zur Helligkeitsvariation von LED-Modulen sicherstellen zu können, bedarf es zusätzlicher Regelelektronik, welche das Ausgangssignal des Dimmers überwacht und entsprechende Aktionen in der SMPS setzt. Derartige Kontrollbausteine sind am Markt etabliert und deren Funktion ist in den Datenblättern bzw. Application Notes der Hersteller nachzulesen. Viel mehr soll auf die Problematik hingewiesen werden, dass nicht alle Dimmer mit den Regel- und Steuerkonzepten der Kontrollbausteine kompatibel sind. Phasendimmer benötigen für ihre Funktion einen bestimmten Haltestrom, damit die bereits weiter oben erwähnten elektronischen Bauteile (TRIAC, DIAC, GTO etc.) ihre Funktion aufrechterhalten können. Der Kontrollbaustein muss diesen Haltestrom dem Dimmer zur Verfügung stellen, wobei der Haltestrom vom Aufbau und Konzept des Dimmers bestimmt wird. Vor allem bei hohem Dimmgrad, also geringer beabsichtigter Lichtstärke und damit kurzen Spannungsimpulsen von geringer Höhe, ist die Funktionsfähigkeit der elektronischen Versorgungsgeräte ausnahmslos stark eingeschränkt.

Ein weiterer nachteiliger Einfluss auf die Funktionsfähigkeit von Dimmer-SMPS-Kombinationen ist durch sogenannte PFC-(Power Factor Correction)-Systeme bedingt. PFCs bewirken die Reduktion der Blindleistungsaufnahme in Versorgungsgeräten höherer Leistung, und zwar derart, dass Strom und Spannung in Phase gebracht werden, um gegenüber dem Versorgungsnetz eine rein ohmsche Last darzustellen. In ihrer Funktion begrenzen PFCs die Stromaufnahme in Abhängigkeit der Spannungsform und wirken damit auch der Bereitstellung des adäquaten Haltestroms für den Dimmer entgegen.

Die Signalform der phasengesteuerten Dimmer ist zur Helligkeitsvariation von LED-Modulen nicht geeignet. LEDs zeigen kaum Nachleuchteigenschaften, das heißt, dass sie dem Versorgungssignal unmittelbar folgen. Dimmer wiederum erzeugen periodische Signale mit 100 Hz (Gleichrichtung der 50-Hz-Netzspannung) mit erheblichen „Auszeiten“ aufgrund des Phasenabschnitts (Phasenanschnitts). Dadurch bedingt kann das menschliche Auge ein Flackern oder Flimmern wahrnehmen, das als störend empfunden wird. Es ist daher unumgänglich, das Signal des Dimmers in eine dem LED-Verhalten angepasste Signalform zur Helligkeitsvariation zu transformieren: einerseits wird die Frequenz derart gewählt, dass das menschliche Auge dem Signal nicht mehr folgen kann, andererseits wird der Eigenschaft des Auges Rechnung getragen, im Bereich geringer Helligkeit zwar mit eingeschränktem Farbsehen, aber doch sehr gut Kontraste wahrzunehmen.

5 Amplitudendimmung

Die Augenempfindlichkeit folgt in erster Näherung einer logarithmischen Kurve. Abbildung 3 zeigt eine derartige Kurve in Form einer 8-bit auflösenden Dimmcharakteristik. Darin wird der Eigenart des menschlichen Auges Rechnung getragen, dass es im Bereich geringer Lichtintensität in der Lage ist, geringste Intensitätsänderungen sehr gut aufzulösen.
$$ X_{(n)} = 10^{\frac{n - 1}{253 / 3} - 1} $$
(5.1)
Gleichung (5.1) stellt die mathematische Funktion der Dimmcharakteristik dar. X bezeichnet den diskreten Intensitätslevel und wird in Prozent des Maximalwertes angegeben, während n die Auflösung in Form eines digitalen Wortes (binäre Kodierung) darstellt. In Abb. 3 wird als Beispiel für n ein 8-Bit-Steuerwert verwendet, wodurch n die Werte 0 bis 255 (dezimale Darstellung) annehmen kann. DALI (Digital Addressable Lighting Interface)- gesteuerte Lichtsysteme verwenden diese Charakteristik für die Lichtintensitätsanpassung. DALI ist ein Protokoll, welches im technischen Standard IEC 62386 festgelegt ist. Dem Kurvenverlauf in Abb. 3 kann für einen 8-bit-Steuerwert für n entnommen werden, dass man für drei Prozent der Lichtintensität ungefähr die Hälfte der zur Verfügung stehenden Abstufungen aufwendet, während man für 80 bis 100 Prozent der maximalen Lichtintensität nur 10 Stufen in Anspruch nimmt. Diese Charakteristik entspricht der Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges. So tragen im Bereich geringer Lichtintensität die wesentlich empfindlicheren Stäbchen zur Wahrnehmung bei, während bei hoher Lichtintensität die Zäpfchen maßgebend sind, welche auch für das Farbsehen verantwortlich sind.
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Abb. 3.

Der Augenempfindlichkeit nachempfundene logarithmische Dimmkurve, wie sie in DALI-gesteuerten Lichtsystemen zur Anwendung kommt

Die einfachste Form, eine derartige Charakteristik nachzustellen, besteht in der Möglichkeit, den Strom durch eine LED entsprechend zu regeln, um den in Abb. 3 dargestellten Helligkeitsverlauf zu ermöglichen. Diese Kurve trägt dem Umstand Rechnung, dass das menschliche Auge auch bei geringer Lichtintensität im Stande ist, sehr gut Kontraste wahr zu nehmen und geringste Helligkeitsunterschiede zu erfassen, jedoch mit eingeschränktem Farbsehen. Diese Form der Amplitudendimmung bedingt allerdings zusätzliche Überlegungen, die zum einen durch die Technologie der LED-Chipherstellung und zum anderen durch die Technologie der Weißlichterzeugung oder Farbkonversion begründet ist. Die am meisten verbreitete Art der Weißlichterzeugung basiert auf einem blauen LED Chip, welcher mit einer Farbkonversionsschicht überzogen wird. Diese Farbkonversionsschicht wandelt einen Teil des blauen Lichts in Licht mit höherer Wellenlänge um; das dadurch entstehende Mischlicht ergibt dann weißes Licht. Je nach Zusammensetzung der Farbkonversionsschicht und der Wellenlänge des von der blauen LED emittierten Lichts lassen sich unterschiedliche Farbtemperaturen verwirklichen.

Die emittierte Wellenlänge einer blauen LED besitzt jedoch eine Abhängigkeit vom Vorwärtsstrom durch den LED-Chip. Abgesehen davon tritt auch eine Sättigung des Lichtstromes mit zunehmender Stromstärke auf. Abbildung 4 zeigt das Verhalten einer typischen blauen LED. Wie bereits erwähnt, ist die Charakteristik von der angewandten Technologie abhängig, und es kann zu geringfügigen Abweichungen von der in Abb. 4 dargestellten Kurvenform kommen, das grundsätzliche Verhalten bleibt jedoch ähnlich. Im dargestellten Fall (siehe Abb. 4a) ist über den Strombereich von 20 mA bis 240 mA eine Verschiebung der dominanten Wellenlänge von 1 nm messbar. Dieser Shift von 1 nm mag klein erscheinen, bedeutet aber große Auswirkungen auf den Farbort bei einer phosphorkonvertierten weißen LED.
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Abb. 4.

Wellenlänge (a), Lichtstrom und Effizienz (b) als Funktion des Vorwärtsstromes einer blauen LED

In weiterer Folge wird auch die Farbkonversionsschicht mit der Änderung der emittierten Wellenlänge der blauen LED eine Verschiebung der Farbtemperatur bedingen. Abbildung 5 zeigt das optische Verhalten einer weißen LED mit einer Farbtemperatur von 2700 K in Abhängigkeit des Vorwärtsstromes. Die Auswirkungen dieses Verhaltens können anschaulich in einem CIE-Diagramm (Commission internationale de l’éclairage) dargestellt werden. Diese, auch Normfarbtafel genannte Darstellung stellt eine Beziehung zwischen der menschlichen Farbwahrnehmung und der physikalischen Größe, der spektralen Verteilung des emittierten Lichts, her. Im CIE-Diagramm sind sämtliche vom Menschen wahrnehmbare Farben in einem Koordinatensystem dargestellt. Als Maßstab dienen dabei die sogenannten MacAdams-Ellipsen (in Abb. 5 ist eine MacAdams-Ellipse der Größe 3 dargestellt), innerhalb derer das normale menschliche Auge keine Farbunterschiede wahrnehmen sollte. So können farbsensitive Menschen an weit voneinander entfernten Punkten am Rand einer MacAdams-Ellipse der Größe 3 Unterschiede in der Lichtfarbe ausmachen.
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Abb. 5.

Lichtstrom und Effizienz (a) sowie Farbortverschiebung (2700 K) (b) als Funktion des Vorwärtsstroms im Bereich von 20 mA bis 240 mA

Wichtig dabei zu bemerken ist, dass für die weiße LED nicht ausschließlich der Vorwärtsstrom die bestimmende Größe für die Farbverschiebung darstellt, sondern in diesem Fall auch thermische Effekte maßgeblich beteiligt sind, die daher rühren, dass die höhere Strahlungsintensität bei höheren Strömen zu erheblichen Verlusten aufgrund der Erwärmung der Farbkonversionspartikel führt. Die im Kunststoff eingebetteten Farbkonversionspartikel können aufgrund der bescheidenen thermischen Leitfähigkeit des Basismaterials die Wärme nur über die LED selbst gut ableiten, wodurch vom Chip weiter entfernte Farbkonversionspartikel stärker erhitzt werden, als jene im Nahbereich der LED. Aus diesem Grund ist es auch sehr schwierig, den Strom- und den Temperatureinfluss zu separieren und deren Einfluss messtechnisch getrennt voneinander zu erfassen.

In Abb. 6 sind die Charakteristika farbstoffkonvertierter weißer LED-Lichtquellen in Abhängigkeit des Vorwärtsstromes sehr gut dargestellt. Die spektrale Verteilung des emittierten Lichtes zeigt die Tendenz zu kleineren Wellenlängen bei steigendem Vorwärtsstrom. Außerdem sind die Nachteile hinsichtlich Farbwiedergabe im grünen und roten Frequenzbereich ersichtlich. Auch der aus der Farbkonversion resultierende breitbandige Emissionsbereich und dessen Änderung mit der primären blauen LED-Lichtquelle weist deutlich auf die Herausforderungen dieser Technologie hin. So bewirken bereits 2 nm Abweichung (z. B. 457 nm anstelle von 455 nm) der dominanten Wellenlänge des blauen LED-Chips eine andere Lichtfarbe des resultierenden weißen Lichts. Auch geringste Konzentrationsunterschiede der im Kunststoff eingebetteten Farbkonversionspartikel führen zu erkennbaren Farbortunterschieden.
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Abb. 6.

Spektrale Wellenlängenverteilung einer weißen LED mit 2700 K Farbtemperatur bei unterschiedlichen Vorwärtsströmen (20 mA bis 240 mA)

Zusätzlich zur Abhängigkeit des Farbortes und der Intensität einer weißen LED vom Vorwärtsstrom besteht auch eine Abhängigkeit über den Temperaturbereich, was in Abb. 7 anschaulich dargestellt ist. Für drei unterschiedliche Ströme wurde das Temperaturverhalten von −20 °C bis +70 °C aufgenommen. Weiters ist das stark unterschiedliche Strom- und Temperaturverhalten in Abhängigkeit der Konzentration der Farbkonversionspigmente ersichtlich. Während bei einer als warm empfundenen Farbtemperatur von 2700 K der Strom den geringeren Einfluss auf den Farbort ausübt, ist bei einer als kalt empfundenen Farbtemperatur von 6200 K der Einfluss des Stromes auf den Farbort sehr viel höher. Reziprok dazu verhält sich das Temperaturverhalten, welches bei einer weißen LED mit 2700 K stärker ausgeprägt ist als bei einer weißen LED mit 6200 K Farbtemperatur, da bei 2700 K die Konzentration der Farbkonversionspigmente sehr viel höher ist als bei 6200 K. Der Pfeil weist in Richtung zunehmender Temperatur, beginnend am Schaft mit −20 °C und bis zu +70 °C Umgebungstemperatur an der Pfeilspitze.
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Abb. 7.

Farbortverschiebung in Abhängigkeit von Vorwärtsstrom und Modultemperatur (−20 °C bis +70 °C) für eine weiße LED mit einer Farbtemperatur von 2700 K (a) und eine weiße LED mit 6200 K (b)

Diese durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass es mittels Stromvariation (Amplitudendimmung) möglich ist, den Farbort über den dargestellten Temperaturbereich innerhalb einer MacAdams-3-Ellipse zu halten. Bezieht man allerdings die Toleranzen der Wellenlängen der LED-Chips und die Konzentrationsunterschiede der Farbkonversionspartikel sowie die Mengentoleranzen beim Aufbringen der Farbkonversion in der Produktion mit ein, so wird dies nur mit erheblichem Mehraufwand durch Selektion der Rohstoffe und die messtechnische Klassifizierung der Endprodukte möglich sein.

6 Dimmung mittels Pulsweitenmodulation (PWM)

Eine weitere Möglichkeit der Helligkeitsvariation stellt die Pulsweitenmodulation dar. Abbildung 8 zeigt die Signalform der Pulsweitenmodulation und den damit verbundenen Duty Cycle. Das Konzept der Pulsweitenmodulation beruht auf der Versorgung der LED mit konstantem Vorwärtsstrom, welcher in Abhängigkeit vom beabsichtigten Dimmlevel ein- und ausgeschaltet wird.
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Abb. 8.

Pulsweitenmoduliertes Signal

Die Pulsweitenmodulation bietet den Vorteil, dass der Strom über den gesamten Dimmbereich konstant gehalten wird, wodurch eine Farbortverschiebung aufgrund der Stromvariation vernachlässigbar wird. Der Einfluss der Temperatur (siehe Abb. 7) bleibt jedoch bestehen. Der Einfluss der PWM auf Lichtstrom und Farbort ist in Abb. 9 ersichtlich. Die Effizienz bleibt bei der PWM aufgrund des konstanten Stromes über den gesamten Dimmbereich nahezu gleich und wurde aus diesem Grund auch nicht dargestellt. Die geringe Farbortverschiebung über den gesamten Dimmbereich ist in einer geringen Erwärmung durch den höheren Duty Cycle der PWM begründet. Da keine aktive Temperaturüberwachung der aktiven Licht emittierenden Zone der LED (Junction) möglich ist, tritt durch die höhere Einschaltzeit eine Erwärmung der LED als Sekundäreffekt auf, dessen Auswirkung als Farbortverschiebung ersichtlich ist. Die Messungen wurden bei einer PWM-Frequenz von 100 Hz durchgeführt, um zum einen Signalverzerrungen durch kapazitive und induktive Einflüsse des Messaufbaus möglichst gering zu halten und zum anderen um der Transitionsfrequenz des Messverstärkers Rechnung zu tragen.
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Abb. 9.

Lichtstrom (a) und Farbortverschiebung (b) einer 2700-K-LED in Abhängigkeit des Duty Cycles einer 100-Hz-PWM

Die Messungen für Abb. 9 wurden bei einem Konstantstrom von 100 mA durchgeführt. Daher ist die Korrelation von Duty Cycle (in %) und durchschnittlichem Strom (in mA) auch wertmäßig direkt proportional (1 mA≡1 % Duty Cycle). Augenscheinlich ist der lineare Zusammenhang zwischen Dimmlevel (Duty Cycle) und Lichtstrom. Dies hat vor allem für niedrige Helligkeitswerte Nachteile, da in diesem Bereich, wie bereits weiter oben dargestellt, das Auge sehr empfindlich ist und schon geringe Helligkeitsunterschiede sehr gut auflöst. Im Gegensatz zur Amplitudenmodulation ist die Farbortverschiebung aufgrund der PWM nahezu vernachlässigbar.

Ein weiterer Nachteil der PWM ist die benötigte Auflösung des Duty Cycle, um die in Abb. 3 dargestellte Dimmkurve mittels PWM realisieren zu können. Da der Mensch 100 Hz sehr gut auflöst und emittiertes Licht von LED-Modulen, die mit dieser Frequenz angesteuert werden, als unangenehmes Flimmern empfindet, sollten zumindest 400 Hz als Basisfrequenz der PWM herangezogen werden. Beträgt der Duty Cycle allerdings nur mehr wenige Prozent, ist das menschliche Auge aufgrund der damit verbundenen langen Ausschaltzeiten und der zu vernachlässigenden Nachleuchtdauer der LED in der Lage, ein Flackern zu detektieren. Weiters muss die Einschaltdauer der LED exakt und reproduzierbar in diesem Bereich geringer Lichtintensität zur Verfügung stehen, da das menschliche Auge hier Intensitätsschwankungen sehr genau auflöst. Erhöht man die Basisfrequenz der PWM nun weiter, als Beispiel sei hier 1 kHz angeführt, so liegt die Einschaltzeit der LED bei 1 % Duty Cycle bei 10 μs. Um diese kurzen Einschaltzeiten möglichst genau regeln zu können, muss das Steuerkonzept in der Lage sein, wenige μs aufzulösen. Man erkennt, dass dadurch die internen Frequenzen sehr rasch ansteigen und abhängig vom beabsichtigten Dimmlevel sehr rasch in den MHz-Bereich führen. Der damit verbundene elektronische Aufwand sowie die Störgrößenunterdrückung und Signalanpassung ist technisch zwar möglich, aber aufgrund der damit verbundenen Kosten nicht immer zu rechtfertigen.

7 Dimmung mittels Bitmustermodulation

Eine Variante der Pulsweitenmodulation, die Bitmustermodulation, bietet zusätzliche Möglichkeiten der Intensitätsvariation für LED-Module. Diese basiert im Gegensatz zur PWM, bei der nur zwei Signalzustände („EIN“ oder „AUS“) möglich sind, auf mehreren Zwischenstufen, wodurch in Abhängigkeit des gewünschten Intensitätslevels entweder zufällig oder vorgegeben ein mittlerer Strom dem LED-Modul zugeführt werden kann. Abbildung 10 zeigt zwei mögliche Bitmuster für zwei gleich große mittlere Ströme. Der Vorteil dieser Art der Helligkeitsvariation liegt in den sanfteren Übergängen und den damit verbundenen kürzeren Auszeiten, die im Auge des Betrachters eine kontinuierliche Versorgung des LED-Moduls simulieren, wodurch das Flackern des emittierten Lichts reduziert werden kann. Sowohl das in Abb. 10a dargestellte kontinuierliche Bitmuster als auch das in Abb. 10b dargestellte zufällige diskontinuierliche Bitmuster liefern im Mittel den gleichen Strom wie das in den Abbildungen mit unterbrochener Linie angedeutete PWM-Signal. In beiden Abbildungen handelt es sich um ein 2-Bit-Signal (vier unterschiedliche Levels), es sind aber beliebige Varianten hinsichtlich Signalform und n-Bit-Muster denkbar.
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Abb. 10.

Kontinuierliches 4-Level (a) und diskontinuierliches 4-Level-Bitmustersignal (b) mit gleich großem mittleren Strom; die unterbrochene Linie zeigt das äquivalente PWM-Signal mit gleich großem mittleren Strom

Der Nachteil dieser Art der Steuerung liegt in der Komplexität und dem zusätzlichen Aufwand, bedingt durch die arithmetische Zusatzfunktion der Signalgeneration. Weiters müssen für ein 2-bit-(4-Level)-Signal vier unterschiedliche Stromhöhen zur Verfügung gestellt werden, die innerhalb der festgelegten Grenzfrequenz der Regelung umgeschaltet werden müssen. Hohe Frequenzen und Schaltleistungen bedingen neben den zusätzlichen Verlusten auch Störsignale, die zu unterdrücken und entsprechend zu filtern sind, um den Normen und Standards zu entsprechen. Die Umrechnung des Dimmlevels in ein Bitmuster bedarf einer Rechnereinheit (Mikroprozessor), wobei der Komplexität des mathematischen Algorithmus für die Signalgeneration nahezu keine Grenzen gesetzt sind.

Der Vorteil dieser Art der Steuerung liegt in den weitaus kürzeren Auszeiten, in denen kein Licht generiert wird, und den sanfteren Übergängen aufgrund der zusätzlich eingeführten Stromlevels, wodurch dem menschlichen Auge ein angenehmer empfundenes Licht angeboten wird.

8 Zusammenfassung

Phasenan- und -abschnittsdimmer sind hinsichtlich Signalform und Frequenz nicht geeignet, LED-Lichtquellen direkt zu versorgen. Sie sind in bestehenden Lichtinstallationen jedoch etabliert, zumal diese noch auf Glühlampen als Leuchtmittel basieren und komplette Neuinstallationen aufgrund der Kosten nur schwer durchzusetzen sind. Der technische Aufwand, die Signale dieser Dimmer in Ströme für eine Versorgung für LED zu transformieren, die keine störenden Sekundäreffekte aufweisen, ist enorm und aufgrund der unterschiedlichen Auslegung der Dimmer nicht immer erfolgreich. Es gibt zwar Ansätze, die Information bezüglich Dimmlevel digital durch Modulation der Netzspannung zu übertragen, jedoch ist auch hier vom Schalter bis zum elektronischen Schaltungs- und Filteraufwand mit nicht unerheblichen Zusatzkosten zu rechnen.

Amplituden- und Pulsweitenmodulation besitzen jede für sich entscheidende Vorteile, aber auch Nachteile zur Helligkeitsvariation von LED-Lichtquellen. Eine Kombination von beiden (Amplitudenmodulation bis zu einem bestimmten Stromlevel und anschließende PWM für die Variation des unteren Helligkeitslevels) scheint hier den besten Ansatz für eine qualitativ hochwertige Intensitätsanpassung von LED-Modulen zu bieten. In jedem Fall ist darauf Rücksicht zu nehmen, dass die Augenempfindlichkeit für geringe Lichtströme sehr hoch ist, so dass eine lineare Dimmung hinsichtlich der humanen visuellen Wahrnehmung nicht zum gewünschten Erfolg führt.

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