Bild 1: Beim Wechsel von Glühbirnen auf LED-Beleuchtung ist das richtige Dimmen ein weitreichendes Thema.

Bild 1: Beim Wechsel von Glühbirnen auf LED-Beleuchtung ist das richtige Dimmen ein weitreichendes Thema.Recom

Für einstellbar helles Licht war die gute alte Glühbirne ideal, denn sie ließ sich im Gegensatz zur Energiesparlampe stufenlos dimmen. Seit der Trend in Richtung LED geht, steht Dimming erneut auf der Tagesordnung. Denn um die bereits installierten Triac-Dimmer nutzen zu können, sind bei LED-Treibern eine Reihe technischer Hindernisse zu überwinden.

Triac-Dimmer gibt es in fast jedem Haushalt. Sie sind relativ preiswert und kaum jemand möchte auf den Komfort verzichten, mit entsprechendem Licht im Wohn- und Schlafbereich für passende Stimmung zu sorgen. Doch Triac-Dimmer sind für den Betrieb mit Glühbirnen konzipiert und damit eigentlich eine aussterbende Spezies. Beim Einsatz mit Energiesparlampen gibt es nur unbefriedigende Ergebnisse. Vermutlich ist das ein wichtiger Grund, warum diese im Heimbereich nie so richtig beliebt wurden. Mit dem schnellen Schwenk auf LED-Licht rückt das Thema Dimming wieder in den Vordergrund. Allerdings ist das auch hier nicht so einfach.

Funktionsweise von Triac-Dimmern

Eigentlich müssten alte Triac-Dimmer zusammen mit der Glühbirne entsorgt werden, denn sie passen so ganz und gar nicht in die Welt der LEDs. Der technische Aufwand, den LED-Treiber so zu gestalten, dass er problemlos und effizient mit ihnen arbeitet, ist erheblich.

Bild 2: Das Grundprinzip eines Triac-Dimmers und Darstellung des Phasenanschnitts.

Bild 2: Das Grundprinzip eines Triac-Dimmers und Darstellung des Phasenanschnitts.Recom

Der Dimmer hat im Prinzip eine simple Funktionsweise (Bild 2). Vereinfacht benötigt man dazu einen Triac, welcher durch ein variables RC-Glied gezündet wird. Durch ein Potentiometer wird eingestellt, bei welchem Phasenwinkel dies geschieht. Sobald der Strom durch den Triac unter den erforderlichen Haltestrom sinkt, schaltet der Triac wieder ab. Anschließend wiederholt sich der Vorgang in der nächsten Halbwelle. Dadurch wird jede Halbwelle des sinusförmigen Eingangssignals beschnitten. Je später der Triac zündet, desto weniger Leistung wird abgegeben und die Glühbirne wird dunkler. Doch was bei der Glühbirne als reiner ohmscher Verbraucher einfach funktionierte, führt bei der Vorschaltelektronik der LED-Beleuchtung zu Schwierigkeiten.

Herausforderungen beim Dimmen von LEDs

Während für den Betrieb einer Glühbirne 230 VAC notwendig war, benötigen Leuchtdioden, als elektronische Bauteile, in der Regel eine niedrige Gleichspannung. Hierfür bedarf es spezieller LED-Treiber als Vorschaltgeräte, die auf Zahl und Leistung der verwendeten LEDs abgestimmt sind. Diese Treiber benötigen aber auch dann eine zuverlässige Versorgung ihrer internen Elektronik, wenn der Dimmer auf null steht und somit über keine Leistung verfügt.

Eine der Schwierigkeiten ergibt sich dadurch, dass diese Dimmer für das Leistungsspektrum von Glühbirnen (≥60 W) ausgelegt sind. Sobald der Triac zündet, wird der Stromkreis über die Glühbirne geschlossen. Da sich LEDs jedoch viel effizienter betreiben lassen, benötigen sie nur einen Bruchteil dieser Leistung, um dieselbe Helligkeit abzustrahlen. Dies bedeutet auch, dass weniger Strom fließt. Bei etwas mehr Dimmung kann der Haltestrom nach dem Zünden schnell zu gering sein, um den Triac in leitendem Zustand zu halten. Es kommt zu Ein/Aus-Schaltvorgängen in wilder Folge – die LED flackert. Eine einfache Lösung wäre eine künstliche Last einzubauen, um den Haltestrom hoch zu halten. Dies widerspricht jedoch der Stromsparidee der LED.

Alles neu

Der ideale Weg wäre, den alten Dimmer zu entsorgen und mit der neuen Leuchte auch einen passenden Dimmer einzusetzen, beispielsweise den Redim-Dimmer von Recom. Dieser ist auf die niedrige Leistungsaufnahme von LEDs ausgelegt und arbeitet bereits bei Lasten ab 7 W zuverlässig. Auch das Phänomen, dass sich manche LED-Leuchten nicht ganz auf null dimmen lassen, gehört mit diesem Dimmer der Vergangenheit an. Durch eine Justierschraube ist es möglich, die Grundhelligkeit exakt einzustellen.

Bild 3: Der Dimmbereich eines LED-Treibers bezogen auf den Phasenwinkel.

Bild 3: Der Dimmbereich eines LED-Treibers bezogen auf den Phasenwinkel.Recom

LED-Treiber, wie der Ract20 von Recom, limitieren hierfür den Phasenwinkel auf einen Bereich zwischen 60° und 150°, anstatt die volle 180°-Halbwelle zu nutzen (Bild 3). Im Bereich zwischen dem Nulldurchgang und 60° passiert nichts. Dies ist notwendig, um eine stabile Synchronisation zu gewährleisten und Fehlzündungen zu vermeiden. Bis 150° dimmt der LED-Treiber analog zur Erhöhung des Phasenwinkels. Hier liegt die natürliche Grenze, da bei 150°-Phasenwinkel nur rund 2 % der Leistung zur Verfügung stehen, welche gerade noch ausreicht, um die interne Elektronik des LED-Treibers zu versorgen. Danach geht der LED-Treiber bis zum nächsten Nulldurchgang in einen Standby-Modus.

Nie im Dunklen

Der Grund, warum sich viele LED-Beleuchtungen nicht bis auf null dimmen lassen, liegt am Dimmer selbst. Bei vielen Dimmern ist der Phasenwinkel aus Sicherheitsgründen auf 130° limitiert und lässt sich nicht nachjustieren. Die Idee dahinter war, dass die Glühbirne im vollgedimmten Zustand noch minimal glühen sollte, um Unfällen beim Auswechseln vorzubeugen. Die LED erreicht bei 130° Phasenwinkel eine deutlich höhere Lichtausbeute mit dem Ergebnis einer unbefriedigenden Dimmung.

Bild 4: Normales Dimmverhalten beim RACT20 (links) und Triggerprobleme bei einem Mitbewerberprodukt (rechts).

Bild 4: Normales Dimmverhalten beim RACT20 (links) und Triggerprobleme bei einem Mitbewerberprodukt (rechts).Recom

Im mittleren Dimmbereich bei billigen LED-Treibern kann es zu Triggerproblemen kommen: Das Einschalten eines LED-Treibers bei einem Phasenwinkel von 90° ist der kritische Zeitpunkt. Hier springt die Spannung in jeder Halbwelle von null auf das Maximum. Dabei entstehen sehr hohe Stromspitzen. Diese können dann im Eingangs-EMV-Filter zu Rückkopplungen (Reflected Current) führen, die das richtige Zünden des Triacs verhindern. Wie in den Oszilloskop-Bildern (Bild 4) ersichtlich, wird so aus einem präzise angeschnittenen Sinus ein verzerrtes Signal. Bei LEDs äußert sich dieses Phänomen durch unkontrolliertes Flackern oder Flimmern.

Was die Norm dazu meint

Nicht nur beim Dimmverhalten kann es zu Problemen kommen. Eine Glühbirne ist eine ohmsche Last und der sinusförmige Strom aus dem Netz wird durch sie nicht verändert.

Auf einen Blick

Im Rahmen des Wechsels von Glühlampen zu LEDs lauern beim Dimmen der Beleuchtungen erhebliche technische Herausforderungen. Die Kunst besteht darin den richtigen LED-Treiber mit einem passenden zugehörigen Dimmer zu kombinieren.

Anders verhält sich dies bei LEDs. Die Halbleiter benötigen eine Gleichspannungsversorgung. Diese stellt der LED-Treiber, durch Gleichrichten der Netzspannung und anschließendem Glätten mittels eines großen Kondensators, zur Verfügung. Dieser Kondensator lädt bei jeder Halbwelle nach, wenn die Spannung am Kondensator unter die Spannung des Gleichrichters sinkt. Dies geschieht mit einem sehr kurzen, dafür aber umso höheren, pulsförmigen Strom. Der Effekt führt zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und verursacht die von den Netzbetreibern unerwünschte Blindleistung, weil diese aus dem Netz entnommene Mehrleistung vom Stromzähler nicht erfasst wird.

Jedes nicht sinusförmige Signal lässt sich auf eine Summierung mehrerer sinusförmiger Signale zurückführen. Durch eine Fourier-Analyse lassen sich so die verschiedenen Schwingungsanteile, die sogenannten Oberschwingungen, darstellen. Um zu verhindern, dass diese Oberschwingungen ins Netz reflektiert werden und dieses belasten, schreibt die EN61000-3-2 (Elektromagnetische Verträglichkeit, Grenzwerte für Oberschwingungsströme) vor, dass Beleuchtungen mit einer Leistungsaufnahme von mehr als 25 W mit einem Powerfaktor größer als 0,9 ausgestattet sein müssen. Dabei handelt es sich nicht um eine LED-spezifische Norm, diese würde ebenso für Energiesparlampen gelten. Da aber kaum Energiesparlampen mit einer Leistung von mehr als 25 W zu finden sind, sind diese aus der Verantwortung entlassen.

Das Prinzip der Powerfaktor-Korrektur

Bild 5: Blockschaltbild eines LED-Treibers mit aktiver PFC, welches die Modulation der Stromkurve zeigt.

Bild 5: Blockschaltbild eines LED-Treibers mit aktiver PFC, welches die Modulation der Stromkurve zeigt.Recom

Das Grundprinzip (Bild 5) der aktiven Powerfaktor-Korrektur (PFC; Blindleistungskompensation) beruht auf einem PWM-Controller zwischen Gleichrichter und Kondensator, welcher den Strom über ein PWM-Signal mit niedriger Frequenz (üblicherweise einige 100 Hz) ein- und ausschaltet. Dadurch wird eine zur Netzspannung relativ synchrone Stromentnahme erreicht, welche dem natürlichen Sinus nahe kommt.

Auch wenn die Norm einen Powerfaktor über 0,9 erst bei einer Leistung von über 25 W vorschreibt, so ergibt das auch bei kleineren Leistungen Sinn. In einem Haushalt finden sich schnell mehr als zehn Leuchten. Rechnet man mit 12 W pro Leuchte und mit angenommen zehn Leuchten, so benötigen diese beachtliche 120 W. Die LED-Treiber von Recom sind bereits ab einer Leistung von 12 W mit aktiver PFC ausgestattet und sorgen so für ein sauberes Stromnetz. Den Herausforderungen bei Triac-dimmbaren LED-Treibern eine aktive PFC zu realisieren, stellt sich der RACT20 von Recom. Der LED-Treiber erzielt bei einer Leistung von 20 W einen Powerfaktor von 0,95.