LED-Dimmer Grundlagen

Leuchtdioden haben eine erhebliche Verbreitung erreicht und verbrauchen vergleichsweise wenig Energie. Sie werden in verschiedenster Form in Lampen verbaut, doch stellt sich oft die Frage, wie man damit im Kontext des SmartHomes umgehen soll. Dieser Artikel soll einige Grundlagen und Verständnis schaffen.

Aus elektrotechnischer Sicht wird die Lektüre auf ElectronicsTutorials (opens new window) und Mikrocontroller.net (opens new window) nahegelegt!

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• Der Strom kann durch eine LED nur in eine Richtung fließen. Es muss also auf die Polung geachtet werden.
• Der Innenwiderstand sinkt bei höherer Spannung, die Kennlinie (opens new window) ist nicht-linear => Strombegrenzung nötig (meist durch Vorwiderstand gelöst)
• Die Lichtintensität wird maßgeblich über den Strom bestimmt, nicht über die Spannung.
• Es gelten die Regeln der Reihen- / Parallelschaltung:
  • Reihenschaltung: Addierung der Spannungen der LEDs
  • Parallelschaltung: Addierung des Stroms der LEDs
• Leistung [Watt] = Spannung [Volt] * Strom [Ampere]

Achtung: Parallelschaltung von LEDs ohne Vorwiderstand ist nicht zu empfehlen. Durch leichte Unterschiede im Produktionsprozess und damit in der Kennlinie könnte eine LED (mit gleicher Durchlassspannung) auf der Kennlinie davonlaufen und durch zu hohen Strom zerstört werden. Da mit steigender Temperatur die Durchlassspannung sinkt verstärkt sich dieser Effekt.

Eine LED benötigt eine gewisse Leistung, die in Watt angegeben ist. Diese setzt sich aus der benötigten Spannung und dem Strom zusammen, also P = U * I, oder als Einheiten ausgedrückt [W] = [V] * [A].

Konstantspannung

Wird eine Spannungsquelle (Netzteil) mit konstanter Spannung (z.B. 12 V) eingesetzt muss also der Strom, der durch die LED fließt, begrenzt werden. Dies erfolgt über den Einbau eines Vorwiderstands. LED-Stripes haben diese Widerstände eingebaut sofern in ihrer Spezifikation eine Spannung angegeben ist, wie z.B. 12 V oder 24 V.

Abgekürzt oft durch CV (Constant Voltage).

Konstantstrom

Wird eine Konstanstromquelle (KSQ) eingesetzt, liefert diese einen definierten Strom von beispielsweise 350 mA, wobei sich die Spannung an die benötigte Leistung anpasst. In diesem Fall werden die LEDs ohne Vorwiderstand betrieben, da der Stromfluss vom Netzteil geregelt wird. Sie werden auch LED-Treiber genannt.

Netzteile welche als KSQ arbeiten erkennt man oft daran, dass als Output ein fester Strom und ein variabler Spannungsbereich angegeben ist. Beispielsweise 20-32 V, 350 mA.

KSQ kommen oft bei LED-Panels, Einbauspots und Power-LEDs zum Einsatz.

Abgekürzt oft durch CC (Constant Current).

Dimmen von LEDs

Um die Helligkeit von LEDs zu regeln sind zwei Verfahren gebräuchlich: Strombegrenzung und Pulsweitenmodulation.

Strombegrenzung

Bei der Strombegrenzung wird der Strom, der durch die LED fließt, nach unten geregelt wodurch die Leistung abnimmt und die LED dunkler wird.

Pulsweitenmodulation

Bei PWM (opens new window) wird die LED in sehr kurzen Zeitabständen ein- und ausgeschaltet, wodurch sich kurze Hell- und Dunkelphasen ergeben. Die Trägheit des menschlichen Auges kann diese kurzen Wechsel nicht erfassen und interpretiert nur die durchschnittliche Helligkeit.

PWM kommt meist bei Betrieb mit konstanter Spannung zum Einsatz, wie z.B. bei LED-Stripes.

Dimmer

Die Frage ist nun, wie entweder der Strom begrenzt werden kann oder die LED gepulst wird. Im Feld haben sich verschiedenste Varianten etabliert.

Controller

LED-Controller werden auf der Niedervolt-Seite, also nach dem Netzteil, verschaltet. Meistens wird PWM eingesetzt, es gibt aber auch viele Spannungsquellen mit integriertem Controller wie zum Beispiel Netzteile mit DIM-, DALI- oder DMX-Eingang welche das Dimmen übernehmen.

Phasenschnitt

Phasenabschnittsdimmer bzw. Phasenanschnittsdimmer wurden zum Dimmen von herkömmlichen Glühlampen und Halogenlampen benutzt. Der Einsatz bei LED-Leuchtmitteln ist nur bedingt zu empfehlen, da die Funktion von der Kompatibilität des Netzteils abhängt. Oft versucht die interne Schaltung des LED-Leuchtmittels gegenzusteuern. Im Endeffekt bleibt die Helligkeit dabei über einen großen Dimmbereich nahezu gleich, sinkt dann jedoch rasch ab oder geht in Blinken oder Blitzen über.

DALI

Das Digital Addressable Lighting Interface (opens new window), kurz DALI, ist ein Protokoll zur Steuerung von Lichttechnik.

DMX

DMX (opens new window) ist ebenfalls ein Protokoll zur Steuerung von Lichttechnik.

Beispiele

3m LED-Stripe

Angenommen wir haben einen einfarbigen LED-Stripe mit den Spezifikationen von 24V, 3m Länge und 14,4W pro Meter.

Aus den 24V ist zu erkennen, dass es sich hier um eine konstante Spannung handelt und der Strombedarf von der Länge (also der Anzahl der parallel-geschalteten LEDs) abhängt.

Der Leistungsbedarf ist also 14,4W/m * 3m = 43,2W und demnach 43,2W / 24V = 1.8A.

Ein passendes Netzteil wäre hierfür beispielsweise das Meanwell LPV-60-24 mit 24V und 2,5A da man immer rund 10% mehr Leistung einplanen sollte. Zudem verbraucht der LED-Controller auch eine geringe Leistung.

Bei der Auswahl des LED-Controllers ist nun auf die maximale Eingangsspannung, sowie den Strom, zu achten.
Aus dem Datenblatt des HM-LC-Dim1-PWM-CV ist die maximale Schaltleistung von 60W zu entnehmen sowie die Spannungsfestigkeit von 24V; demnach wäre dieser Controller für den Betrieb des 3m-LED-Stripe geeignet.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass bei langen LED-Stripes die Versorgung an verschiedenen Stellen eingespeist werden sollte (z.B. am Anfang und am Ende), da die dünnen flexiblen Leiterbahnen des Stripes einen vergleichsweise hohen Widerstand haben und an ihnen zu viel Spannung abfällt.

Deckenspots

Viele LED-Deckenspots oder auch Panels werden mit externem Netzteil geliefert, welches durch eine eigene Beschaltung ersetzt werden kann. In diesem Beispiel entnehmen wir den technischen Daten: 700mA sowie 7W. Zudem ist auf dem Netzteil eine Ausgansspannung von 7-15V angegeben, wodurch klar wird, dass es sich hier um einen Konstantstrom-Betrieb handelt.

Ein mögliches Netzteil wäre das Meanwell LCM-40. Der Ausgangsstrom kann über DIP-Schalter eingestellt werden und zudem kann es über einen PWM Eingang gedimmt werden. Aus dem Datenblatt geht zudem hervor, dass bei einem Strom von 700mA maximal 57V geliefert werden, wodurch 5 Deckenspots in Reihe versorgt werden können.

FAQ

Hoher Einschaltstrom

Durch das kapazitive Verhalten von LED-Leuchtmitteln können beim Einschalten hohe Stromspitzen enstehen, was z.B. zum Festkleben von Relais führen kann. Für dieses Problem gibt es Einschaltstrombegrenzer (ESB) oder Nulldurchgangsschalter.

LED leuchtet bei 0%

Wird eine schwaches LED-Leuchtmittel hinter einem Phasendimmer betrieben, kann es vorkommen, dass selbst bei 0% Dimmung die LED weiterhin leuchtet / glimmt. Ein Grundlastelement kann hier Abhilfe schaffen. Siehe LED Grundlastelement: Funktionsweise und Anschluss (opens new window) Artikel von LEDTipps.

Ist der LED-Controller hinter dem Netzteil verbaut, dann liegt ein anderes Problem vor und ein Grundlastelement bietet keine Lösung.