Warum ist das Dimmen von LED so schwierig?

Glühlampen lassen sich mittels eines handelsüblichen Dimmer ganz einfach in Ihrer Helligkeit regulieren. Sie reduzieren damit nicht nur die Helligkeit, die Lichtfarbe verschiebt sich in den roten und damit wärmeren Farbbereich und die Lebensdauer wird durch den Einsatz eines Dimmers erhöht. Doch während alle Glühlampen (ohmsche Verbraucher) dimmbar sind, gilt das längst nicht für alle Stromsparlampen und noch viel weniger für LED Lampen. Das Symbol für die Dimmbarkeit einer Lampe ist ein gefülltes Dreieck mit einem oder zwei Buchstaben darunter.

Auch Dimmer sind dementsprechend damit gekennzeichnet.

  • C steht für die Dimmbarkeit mit oder für Phasenabschnittdimmer (kapazitive Last, zum Beispiel elektronische Niedervolt-Halogenglühlampen-Transformatoren).
  • L steht für die Dimmbarkeit mit oder für Phasenanschnittdimmer, die für induktive Lasten geeignet sind (zum Beispiel gewickelte, also konventionelle Niedervolt-Halogen-Transformatoren).
  • R oder ein Glühlampen-Symbol: mit diesen Dimmern sind nur Ohmsche Lasten (Glühlampen, Heizungen) dimmbar.

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Zwei verschiedene Ausführungen von Wechselspannungsdimmer

Bei Dimmern werden zwei grundsätzliche Typen unterschieden: die Phasenanschnittsteuerung und die etwas seltener werdende Phasenabschnittsteuerung:


Wir müssen uns dabei die Spannung welche in Volt gemessen wird, als eine Welle vorstellen (a), welche bei Wechselspannung 50x in der Sekunde im Netztakt (50 hz) die Polarität wechselt. Über einen bestimmten Zeitabschnitt gesehen, ergibt das eine gleichmässige Sinuskurve mit einer schnell an- und absteigenden Spannungskurve (siehe Bild) und jeweiligem Spannungs-Nulldurchgang.

Während bei der Phasenanschnittsteuerung (b) die Spannung verzögert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung eingeschaltet wird und bis zum nächsten Nulldurchgang fliesst, ist es bei der Phasenabschnittsteuerung (c) umgekehrt. Die Spannung wird nach dem Nulldurchgang sofort eingeschaltet und vor dem nächsten Nulldurchgang wieder entsprechend ausgeschaltet.

Für sogenannte kapazitive Lasten (z.B. Energiesparlampen) sind Phasenanschnittsteuerungen wegen des plötzlichen Spannungsanstiegs nicht geeignet (es würde ein extrem hoher Strom fließen), dafür sind Phasenabschnittsteuerungen geeigneter. Hingegen sind Phasenabschnittsteuerungen nicht für induktive Lasten (z.B. Halogenlampen mit 12V) geeignet. Universaldimmer erkennen automatisch, ob eine induktive oder kapazitive Last vorliegt, und wirken demnach als Phasenan- oder -abschnittsteuerung.

Beide Dimmtechniken sind Wechselspannungstechnik. LED Leuchten sind jedoch Elektronik und arbeiten mit Gleichstrom. Sie lassen sich also nicht direkt über einen Dimmer am Wechselstromnetz betreiben. Das gilt auch für LED-Lampen, die sich direkt in Glühlampenfassungen einschrauben lassen, sogenannte RetroFit-Lampen. Im Sockel der Lampe befindet sich eine ziemlich kompakte Elektronik welche einerseits den Wechselstrom in Gleichstrom wandelt und andererseits die Spannung auf rund 3V reduziert ohne den Strom (Ampere) zu verändern. Beim dimmen einer solchen RetroFit-Lampe wird damit nicht die LED gedimmt, sondern die vorgeschaltete Elektronik. Je nach Eignung dieser Elektronik, ist das Ergebnis dabei besser oder schlechter. Einige elektronische Vorschaltgeräte sind dafür ausgelegt, die abgegebene Spannung konstant zu halten. Dann reagieren diese beim Verändern der Eingangsspannung gar nicht. Die LED leuchtet immer gleich hell, weil sie immer die gleiche Spannung erhält. Das macht deshalb Sinn, weil damit die gleichen LED Leuchten in USA (110 Volt Netzspannung) und in Europa (230 Volt Netzspannung) eingesetzt werden können.

Doch der Probleme nicht genug, ein weiteres Problem taucht auf. Die LED ist eine Diode, und wie alle Dioden reagiert sie bei steigender Versorgungsspannung nur minimal oder gar nicht. Bis zum Erreichen einer sogenannten Durchlassspannung von rund 2.5 Volt bleibt die LED praktisch dunkel. Nimmt die Spannung weiter zu steigen Lichtstrom und damit Helligkeit rasant an. Um die Helligkeit einer LED deshalb kontrolliert steuern zu können, muss sich die Veränderung des Stroms exakt an der Strom-Spannungs-Kennlinie der Leuchtdiode orientieren. Siehe Bild unten für eine weisse LED:

 

Kennlinie

 

Dimmen mit Pulsweitenmodulation (PWM)

Für Gleichstromkreise gibt es deshalb die sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM) bei der die Spannung zwischen zwei Werten wechselt. Dies ist vergleichbar einem Digitalsignal, wo es nur zwei Werte gibt, welche über eine Zeitfunktion gesteuert werden. Dimmer mit dieser Technik arbeiten nur in Gleichspannungsnetzen. Erreicht werden kann dies z.B. mit sogenannten LED Treibern, welche nicht nur die Spannung reduzieren sondern auch „Gleichrichten“.

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Ein Glühfaden in einer PWM Schaltung, reagiert dabei relativ träge. Es stellt sich dabei eine gleichmässige Helligkeit ein, deren Wert proportional zum Strom-Pausen-Verhältnis ist. Auch bei einer LED-Beleuchtung lässt sich das PWM Prinzip anwenden. Allerdings kommt es wegen der schnellen Reaktion der LEDs zu einer erheblichen Lichtwelligkeit, welches in einem gewissen periodischen Flimmern resultiert. Dieses Flackern ist mit dem blossen Auge nicht wahrzunehmen. Doch im Zusammenwirken mit anderen Lichtquellen wie TV- oder Computerbildschirmen können Interferenzen und sogenannten stroboskopische Effekte entstehen. Dann scheinen schnell bewegte Objekte wie etwa Werkzeugmaschinen oder Räder still zu stehen,  obwohl diese in Betrieb sind. Solches ist sicherheitsrelevant und kann gefährliche Auswirkungen haben. Auch werden dem Dauerflimmern gedimmter LEDs physiologische Effekte zugeschrieben. Es gibt Studien, die darin den Auslöser von Kopfschmerzen und subjektivem Unwohlempfinden seitens der Benutzer vermuten. Verschiedene Versuche sollen nachgewiesen haben, dass dieses Flimmern bei entsprechend veranlagten Personen epileptische Anfälle auslösen können.

Häufig ist man deshalb dazu übergegangen in integrierten Schaltungen (Lampen und Dimmer in kompakter Ausführung) über ein separates Steuersignal und Kreislauf die LED Leuchten zu dimmen. Weil dieser Strom zeitlich konstant und von der Netzfrequenz entkoppelt ist, kann eine Welligkeit der Lichtintensität gar nicht erst entstehen. Doch dazu muss die Beleuchtung komplett neu eingerichtet, und alle Lampen getauscht werden. Dies wird nur in seltenen Fällen ein gangbarer Weg sein.


Komplexe Technik

Wie aufgezeigt werden konnte, ist die Dimmtechnik der LED ziemlich komplex und bedarf einer Abstimmung zwischen Dimmer und Lampen. Generell gilt, es können nur entsprechend gekennzeichnete LED mit den richtigen Dimmern gedimmt werden. Doch auch dann ist unter Umständen das Ergebnis wegen des hierbei auftretenden Flimmereffektes und dem nicht linearen Helligkeitsverlauf nicht oder nur teilweise für Sie befriedigend.

 

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4 comments

  1. Georg sagt:

    Guter Artikel. Bringt es auf den Punkt. Als mögliche Lösung, für Problem mit dem dimmen von LEDs, kooperieren nun namhafte Schalterhersteller mit verschiedenen Leuchtmittelhersteller. Sie geben genau an, mit welchen LED Leuchtmittel man richtig liegt und keine Probleme entstehen. Beispiel, Busch-Jaeger (großer bekannter Schalterhersteller) hat u.a. mit Philips (Weltmarktführer für LED Leuchtmittel) eine Kooperation und gibt auf seiner Homepage an (Dimmer-Tool), welcher Dimmer bzw. welche Leuchtmittel passen.

    Weitere hilfreiche Tipps: Auf der Seite von Philips, finden Sie unter Downloads, Übersichten mit Listen von bekannten Dimmer Herstellern, mit kompatiblen Hochvolt-, bzw. Niedervolt- LED Lampen. Außerdem eine Kompaktübersicht zu LED Lampen.

  2. Josef Folie sagt:

    Der Artikel“Warum ist das Dimmen Von LED so schwierig“
    Die Phasenabschnittsteuerung !
    Das Bild C ist so nicht korrekt.
    Die orange/rote Farbe in der Graphik ist fasch abgewendet !

    Mit freundlichen Grüssen

    josef Folie

  3. Frank sagt:

    Ich kann dem Artikel nur zustimmen. Auch ich hatte Probleme mit dem Dimmen meiner Wohnzimmerbeleuchtung. Kurz bevor ich aufgeben und wieder Halogen-Leuchtmittel einsetzen wollte, habe ich gelesen, dass man verschiedene LED-Leuchtmittel mal ausprobieren sollte. Und tatsächlich brachte das für mich die Lösung. Also viel Glück an alle, die dieses Problem teilen 😉

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