Flickerfrei Dimmen und der Ärger beginnt

Linear geregelte LED-Treiber und deren Nachteile beim Dimmen

Inzwischen hat sich herumgesprochen, flickerndes/flimmerndes Licht kann eine biologische Wirkung auf Mensch und Tier mit sogar möglicher gesundheitsschädigender Wirkung haben. Entsprechend gibt es von Seiten IEEE bereits einen Standard (IEEE1789) mit Grenzwerten. Und auch in der EU arbeitet die CIE an einem neuen Standard. (Querverweis zu CIE Technical Note) Alles mit dem Ziel der fortlaufenden Verbesserung der Lichtqualität.

Hauptursache für Lichtflickern ist PWM (Pulsweitenmodulation) zur Konstantstromregelung und zum Dimmen von LEDs bzw. LED-Modulen. Der gewünschte Strom bzw. gewünschte Helligkeit wird durch schnelles An/Ausschalten und Variation der An/Aus-Schaltzeiten erreicht. Bei preiswerten Netzteilen überträgt sich gerne auch noch die Regelung des primären Schaltreglers als Ripple auf den Diodenstrom.

Die andere Alternative sind lineare (bzw. analoge) Konstantstromquellen. D.h. es gibt nur einen Gleichstromanteil dessen Wert geändert wird. So variiert z.B. der Diodenstrom abhängig der Kennlinie zwischen max. Strom von 350mA bis zum minimalem Strom von wenigen Milliampere.

Damit jedoch beginnen abhängig vom Aufbau der LED-Leuchte oder ganzer Systeme die Probleme.

Farbortveränderung durch Stromänderung

Verändert sich der Strom durch die LED, so verändert sich auch der Farbort. Das ist mit Einführung der LED schon bekannt, rückte allerdings mit der preiswerten Lösung via Pulsweitenmodulation für viele in Vergessenheit.

Bild 1 zeigt die Veränderung der x und y Koordinaten einer Cree® XLamp® XM-L LED (Quelle: Datenblatt)

Hierbei erkennbar, der LED-Hersteller hat keine Angaben zu Strömen kleiner ca. 150mA gemacht. Der Bereich ist nicht spezifiziert.
Interpoliert man den Graphen für CCy, so könnte man eine steile Kurve annehmen, welche schon bei kleinen Stromänderungen zu starken Änderungen der Farbort-Koordinaten und somit Änderung von SDCM und Farbtemperatur führt. Siehe auch 1)

Besteht nun der Anspruch an ein Dimmverhalten von bis auf 1% oder kleiner, sind genau diese kleinen Ströme im Bereich weniger Milliampere nötig. Details können der Kurve (Relative Flux Vs. Current) im verlinkten Datenblatt entnommen werden.

Nicht alle LEDs sind gleich

Obwohl die Fertigungsqualität von LEDs steigt und es immer einfacher wird LEDs mit gleichen Eigenschaften zielgerichtet zu erstellen, ist eine Selektion (Binning) nötig. Die Hersteller geben in Ihren Datenblättern auch weiterhin Streubreiten in den Eigenschaften an. So z.B. auch die Vorwärtsspannung betreffend. Diese kann um bis zu 0,5V variieren.

Das bedeutet, wenn auch bei einer Reihenschaltung von LEDs der Strom für alle identisch ist, die Vorwärtsspannungen der LEDs sind es nicht. Entsprechend scheinen die LEDs dann unterschiedlich hell. Im Extremfall kann eine LED noch gar nicht leuchten, während die danebenliegende LED schon Licht emittiert.

Bild 2 zeigt ein LED-Modul mit 28 LEDs in Reihe. Der Strom war für alle LEDs identisch und dennoch zeigten sich bei kleinen Strömen (< 1mA) starke Helligkeitsunterschiede der LEDs. Im PWM gesteuerten Betrieb dieses Moduls mit kleinstem Helligkeitswert zeigen sich diese Unterschiede nicht, da die LEDs immer nur mit vollem Betriebsstrom betrieben werden, wenn auch nur Bruchteile von Sekunden.

Es wird noch schlimmer

In vielen LED-Konzepten werden mehrere LED-Strings z.B. aus 10 in Reihe geschalteten LEDs parallel betrieben. Durch die Reihenschaltung mitteln sich die Streuungen der Vorwärtsspannung, so dass sich dann auch die Ströme gleichmäßig auf die Strings verteilen. Die Verhältnisse konnten so beim Nennstrom optimiert werden.
Bei kleinen Strömen jedoch sind die Streuungen größer bzw. weichen von der ursprünglich optimierten String-Zusammensetzung ab. Unkontrollierter Betrieb, ungleichmäßige Aufteilung der Ströme auf die Strings und damit ebenfalls Helligkeitsunterschiede sind die Folge. Bild 3 zeigt die bekannte Kennlinie einer LED.  Wiederum gibt es vom Hersteller keine Angaben bei kleinen Strömen.

Mehrere LED-System gleichzeitig und gleichmäßig dimmen

Die Problematik weitet sich erneut aus, sobald mehrere LED-Systeme mit LED-Treibern gleichmäßig gedimmt werden soll.
Werden z.B. in einem Projekt viele analoge LED-Treiber gleichzeitig gesteuert (z.B. über DALI, 1-10V oder DMX) so besteht die Herausforderung, dass bei kleinen Dimmleveln in Verbindung der jeweilig hinterlegten Kennlinie die Ströme identisch sind. Selbst geringe Streuungen bei den LED-Treibern und diese sind definitiv gegeben, lassen dann ganze Leuchtensysteme bei kleinen Dimm-Levels wie einen Fleckerl-Teppich erscheinen.

Technische Lösung – Ein Kompromiss

Verstärkt beschäftigen sich die Entwicklungsingenieure von LED-Treibern mit Lösungen. TCI als renommierter Hersteller von LED-Treibern mit Sitz in Italien implementiert in seine Serie schrittweise eine Hybrid-Lösung. So wurde der neueste Typ des bewährten Maxi Jolly US (#127411) bereits mit beiden Regelungen ausgestattet. Im  unteren Dimm-Bereich von 1-25% kommt eine 2Khz PWM zum Einsatz. Darüber (25-100%) wird linear geregelt.

Hersteller eldoLED nennt sein patentiertes Verfahren „Hybrid HydraDrive“ womit flickerfreies Dimmen sogar bis auf 0,1% bei allen einstellbaren Werten möglich ist. Mehr über „Hybrid HydraDrive“ ist hier anschaulich beschrieben. Damit werden bereits die Anforderung nach IEEE1789 erfüllt.

Diese Lösungen sind ein Kompromiss. Bei hohen Lichtleistungen wird noch linear geregelt, was definitiv als flickerfrei bezeichnet werden kann.
Jedoch schalten die Treiber dann bei heruntergedimmten Licht auf PWM-Dimmen, bzw. kombiniertes PWM-Dimmen um. Flicker ist messbar. Allerdings sind die meisten Hersteller dazu übergegangen eine hohe PWM-Frequenz von z.B. 2,5 kHz zu wählen, welche nicht mehr wahrgenommen wird.

Fazit

So preiswert PWM-Regelung bei LED-Treibern ist, es bleibt das ungute Gefühl permanentem Lichtflimmern mit möglichen Gesundheitsschäden ausgesetzt zu sein. Hier spricht alles für den Einsatz von Linear-Reglern. Um die Nachteile bei niedrigen Dimmleveln zu vermeiden wird man auf PWM nicht verzichten können. eldoLED mit der Überlagerung, sprich Kombination aus analoger und linearer Regelung, bietet da schon eine ausgezeichnete Lösung. Für gleichmäßige, großflächige Helligkeitsregelung mit vielen einzelnen Konstantstromquellen hatte sich die Synchronisation über das PWM-Signal bewährt. Bei linearer Regelung erfordert dies intensives Feintuning in den Kennlinien der Treiber, wie das z.B. bei den eldoLED Geräten mit besonderen Tools möglich ist.

Es ist somit zu empfehlen sich die Anforderungen und Möglichkeiten der zugehörigen Realisierung frühzeitig mit in der Konzeptionierung anzuschauen. Bei niedrigen Dimm-Einstellungen ist man vor Überraschungen noch nicht sicher. Sowohl die Entwickler als auch Normierungsgremien arbeiten intensiv an Möglichkeiten.

Weitere Infos zum Thema „Flickerfrei dimmen“ finden sich auch auf diesen Seiten:

• 1) https://www.digikey.de/de/articles/techzone/2016/oct/how-to-dim-an-led-without-compromising-light-quality
• http://www.elektroniknet.de/elektronik/optoelektronik/licht-stets-in-der-richtigen-dosis-108487.html
• http://www.elektronikpraxis.vogel.de/leds-dimmen-welche-techniken-gibt-es-a-404899/
• http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid=865&pk=420128