Wie man eine LED ohne Verlust von Lichtqualität dimmt

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die Umstellung von traditionellen Leuchtmitteln auf LEDs ist in vollem Gange. Im Zuge dessen kommen immer mehr Lösungen auf den Markt. Dadurch ist der Kunde inzwischen wählerischer bei der Produktwahl. Vor allem stufenloses Dimmen mit einem breiten Kontrastverhältnis ohne Änderung der Lichtfarbe und wahrnehmbares Flimmern gelten als Merkmale für ein Qualitätsprodukt.

Die Schwierigkeit für den Konstrukteur besteht darin, dass es beim Dimmen von LEDs anders als bei traditionellen Glühlampen oder Neonleuchten nicht einfach ist, die Lichtqualität konstant zu halten. Analoges Dimmen ist möglich, kann aber dazu führen, dass sich die Lichtfarbe bzw. Farbsättigung und die „Temperatur“ des abgestrahlten Lichtes spürbar ändern.

Ein etabliertes Verfahren besteht darin, die LED mittels Pulsweitenmodulation (PWM) des Durchlassstroms, der die LED speist, zu dimmen. Grundprämisse ist dabei die, dass die LED im EIN-Zyklus der PWM-Folge unter optimalem Durchlassstrom-/Durchlassspannungsbedingungen operiert. In Folge dessen hat das Licht eine hohe Qualität und die empfundene Helligkeit ist linear proportional zum Tastverhältnis der PWM-Folge.

Für den Konstrukteur besteht die Herausforderung darin, einen PWM-Schaltkreis zu entwickeln, der harmonisch mit den modularen Schaltspannungswandlern zusammenarbeitet, wie sie typischerweise als LED-Spannungsversorgungen bzw. „Treiber“ genutzt werden. Ohne diesen komplementären Ansatz kommt es schnell zu Problemen wie elektromagnetischen Interferenzen (EMI), einem limitierten Kontrastverhältnis (maximale/minimale Leuchtstärke) und wahrnehmbarem Flimmern (mit seinen gesundheitsschädlichen Folgen).

Dieser Beitrag befasst sich mit dem Aufbau von PWM-Schaltkreisen für das Dimmen von LEDs. Er basiert auf einer Auswahl gängiger LED-Treiber. Gegenstand des Beitrags sind die notwendigen Konstruktionsschritte für die Entwicklung einer Lösung, bei der die Lichtqualität nicht leidet.

Die Nachteile des analogen Dimmens

LEDs benötigen eine Stromversorgung mit konstantem Strom / konstanter Spannung. Nur so ist der effiziente Betrieb bei guter Lichtqualität gewährleistet. (Die Lichtqualität ist mittlerweile ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von LED-Produkten, das große Anbieter bei ihren High-End-Produkten mit viel Aufwand bewerben müssen. Siehe dazu den Artikel „Hersteller verlagern Fokus auf Lichtqualität, um Anteil am LED-Markt zu gewinnen“, den Sie in englischer Sprache in der Bibliothek finden.)

Hinsichtlich der Wahl des Arbeitspunktes in Abhängigkeit von der Spezifikation des Endprodukts gibt es eine gewisse Flexibilität. So verhält sich der Lichtstrom der LED beispielsweise proportional zum Durchlassstrom. Deshalb kann der Konstrukteur die LED mit einem höheren Durchlassstrom bemessen, um die Leuchtstärke zu erhöhen. Dadurch reduziert sich die Anzahl der LEDs, die für eine bestimmte Systemspezifikation benötigt wird. (Siehe dazu den Artikel „Entwicklung von Leuchtmitteln im Hinblick auf optimale Leuchtstärke“, den Sie in englischer Sprache in der Bibliothek finden.)

Abbildung 1 zeigt die Kennlinie des Verhältnisses von Durchlassstrom zu Leuchtstärke für eine Weißlicht-LED des Typs Duris S5E von OSRAM Opto Semiconductors. Die OSRAM-LED basiert auf bewährter Technik und wird für Standard-Beleuchtungssysteme gern gewählt. Die LED erzeugt 118 lm bei 6,35 V / 150 mA und hat an diesem Arbeitspunkt eine angegebene Effizienz von 123 lm/W. Bei Verringerung des Durchlassstroms auf 100 mA sinkt die Leuchtstärke beispielsweise um 30 % – verglichen mit der bei 150 mA erzeugten Leuchtstärke.

Kennlinie der Weißlicht-LED Duris S5E von OSRAM

Abbildung 1: Die Weißlicht-LED Duris S5E von OSRAM weist ein nahezu lineares Verhältnis zwischen Durchlassstrom und Leuchtstärke auf. (Quelle: OSRAM Opto Semiconductors)

Verbraucher, die mit dem Dimmen von Glühlampen vertraut sind, fordern für den LED-Ersatz logischerweise ein ähnliches Verhalten. Dazu zählen fein aufgelöste Dimmstufen über einen breiten Leuchtstärkebereich. Ein auf den ersten Blick simpler Weg, dieser Forderung Rechnung zu tragen, wäre es, einen analogen Dimmer-Schaltkreis zu entwickeln, der (über die Stromversorgung bzw. den „Treiber“ der LED) die Durchlassspannung bzw. den Durchlassstrom für die LED reduziert.

Leider ist das analoge Dimmen mit einigen schwerwiegenden Nachteilen verbunden. Dazu zählen die Beeinträchtigung der Effizienz (Lichtausbeute (in lm) / Aufnahmeleistung (W)), ein durch die Durchflussstrom-Mindestgrenze limitiertes Kontrastverhältnis, der komplexere konstruktive Aufbau durch die präzise Steuerung des Ausgangsstroms eines typischen LED-Treibers über einen weiten Bereich und – am entscheidendsten – Schwankungen der korrelierten Farbtemperatur (CCT) der LED bei Änderung der Durchlassspannung bzw. des Durchlassstroms.

Die CCT bestimmt die sichtbare Wärme der LED und ist eine wichtige Kennziffer für die Lichtqualität. Die Verringerung von Durchlassspannung/-strom ändert geringfügig die Wellenlänge des von der blauen LED emittierten Lichts, die das Herzstück der meisten heute gängigen ‚Weißlicht‘-LED-Produkte bildet. Bei modernen, hell leuchtenden LEDs für Beleuchtungssysteme wird eine königsblaue LED kombiniert mit gelbem Leuchtstoff, der aus mit Cerium dotiertem YAG-Pulver (Yttrium-Aluminium-Granat) besteht. Einige der Photonen der blauen LED verlassen die Leuchte direkt; die meisten erzeugen in Kombination mit dem gelben Leuchtstoff (primär) gelbes Licht. Diese Kombination aus blauem und gelbem Licht ist eine gute Annäherung an das Weißlicht.

Die LED-Hersteller nehmen feine Änderungen am Leuchtstoff vor, um die „Temperatur“ des Weißlichts von kühlen (bläulichen) Tönen hin zu warmen (gelben) Tönen zu verschieben. Das ermöglicht es, eine Farbauswahl anzubieten, die jedem Geschmack gerecht wird. Die CCT definiert die LED-Lichttemperatur quantitativ. (Siehe dazu den Artikel „Definieren der Farbeigenschaften von Weißlicht-LEDs“ in englischer Sprache in der Bibliothek).

Die Hersteller spezifizieren die CCT einer LED bei einem bestimmten Durchlassspannungs-/Durchlassstrom-Arbeitspunkt. Konstrukteure wählen einen Satz LEDs aus einer bestimmten CCT-„Stufe“ – mit dem sicheren Wissen, dass alle Produkte aus dieser Stufe eine praktisch identische CCT emittieren. Die führenden Hersteller fügen zwar in der Regel auch Informationen darüber bei, wie die CCT mit sich änderndem Durchlassspannungs-/Durchlassstromwert variiert, garantieren jedoch nicht die Leistung eines bestimmten Produkts an Arbeitspunkten jenseits der empfohlenen Parameter. Insbesondere geben die LED-Hersteller keine Garantie dafür, dass die Geräte einer Farbwiedergabestufe an einem anderen als dem empfohlenen Arbeitspunkt dieselbe CCT erzeugen. Abbildung 2 veranschaulicht, wie die Farbsättigungswerte einer OSRAM-LED (die ihre CCT bestimmen) mit dem Durchlassstrom variieren.

Veranschaulichung der Veränderung von Farbsättigung und CCT einer LED

Abbildung 2: Die Farbsättigung und CCT einer LED ändern sich mit der Durchlassspannung. Über einen breiten Durchlassstrombereich hinweg sind diese Änderungen mit bloßem Auge erkennbar. (Quelle:  OSRAM)

Schlimmer noch: Das Auge nimmt zwar feine Farbänderungen nicht so gut war (so kann sich beispielsweise die Wellenlänge der von einer reinen roten, grünen oder blauen LED emittierten Photonen erheblich ändern, bevor dies bemerkt wird), reagiert aber sehr fein auf CCT-Änderungen. So kann es durchaus sein, dass ein Verbraucher sieht, dass sich die Lichtfarbe zweier LED-Strahler aus derselben Farbwiedergabestufe bei identischer analoger Dimmung beträchtlich unterscheidet. (Der Artikel, „Digitales Dimmen löst LED-Farb-Dilemma“, den Sie in englischer Sprache in der Bibliothek finden, widmet sich diesem Thema ausführlicher.)

Lösen von CCT-Problemen beim PWM-Dimmen

In den letzten Jahren hat sich PWM als Dimmverfahren für hochwertige LED-Beleuchtungssysteme durchgesetzt. Im EIN-Zyklus der PWM-Folge operiert die LED am empfohlenen Arbeitspunkt, was Durchlassspannung/Durchlassstrom angeht – das garantiert, dass die CCT innerhalb der spezifizierten Parameter liegt. Das Tastverhältnis (Verhältnis von Pulsdauer (tP) zu Signalperiode (T)) der PWM-Folge bestimmt dann die mittlere Stromstärke und damit die wahrgenommene Leuchtstärke.

Abbildung 3 zeigt drei verschiedene Pulsfolgen, die jeweils bei konstantem Durchlassstrom operieren. Das obige Beispiel zeigt eine mittelstarke Beleuchtung, das Beispiel in der Mitte ist stärker gedimmt und das Beispiel unten ist heller. Abbildung 4 zeigt die lineare Kennlinie zwischen Tastverhältnis und Durchlassspannung.

Veranschaulichung von mittlerem Durchlassstrom der LED und Leuchtstärke

Abbildung 3: Bei Änderung des Tastverhältnisses der PWM-Pulsfolge ändert sich der mittlere Durchlassstrom der LED und damit die Leuchtstärke (von oben: mittlere, niedrige und hohe Helligkeit), wobei der spezifizierte Betriebsstrom in der EIN-Phase beibehalten wird. (Quelle: OSRAM) 

Kennlinie des linearen Verhältnisses von Tastverhältnis zu LED-Leuchtstärke

Abbildung 4: Tastverhältnis und LED-Leuchtstärke sind linear miteinander verknüpft. (Quelle: OSRAM)

Moderne LED-Treiber von großen Anbietern werden in der Regel auf eine PWM-Dimmung ausgelegt. Bestandteil vieler Chips ist ein PWM- oder DIM-Pin, das einen direkten Eingang von einem PWM-Generator zur Bestimmung des EIN- und AUS-Zyklus des Treibers ermöglicht. Dennoch lohnt es sich, die Wahl des LED-Treibers mit Sorgfalt zu treffen, weil es einige entscheidende Faktoren gibt, die eine gute digitale Dimm-Auslegung einer LED von einer schlechten unterscheidet.

Eine zentrale Überlegung ist dabei die Frequenz der PWM-Pulsfolge (oder fDIM). Der Mindestwert von fDIM wird von der Flimmerempfindlichkeit des Auges bestimmt. Seit Kurzem geltende Richtlinien für Beleuchtungssysteme empfehlen einen fDIM-Wert von 80 bis 100 Hz, um gesundheitliche Langzeitschäden zu verhindern. (Siehe dazu den Artikel „Welche Auswirkungen die neuen Flimmer-Empfehlungen auf die Auslegung von LED-Beleuchtungssystemen haben“, den Sie in englischer Sprache in der Bibliothek finden.)

Der Konstrukteur muss hier jedoch Kompromisse machen, denn je höher die Frequenz ist, desto größer ist der Einfluss auf das Kontrastverhältnis. Das liegt daran, dass selbst der beste LED-Treiber Zeit benötigt, um auf eine PWM-Eingabe zu reagieren. Abbildung 5 veranschaulicht, wo diese Verzögerungen auftreten.

Veranschaulichung des verzögerten Ansprechens des LED-Treibers auf ein PWM-Signal zum Dimmen

Abbildung 5: Ein LED-Treiber spricht verzögert auf ein PWM-Signal zum Dimmen an. Diese Verzögerungen bestimmen das maximale Kontrastverhältnis des Dimm-Systems. (Quelle: Texas Instruments)

In Abbildung 5 stellt tD die Laufzeitverzögerung ab Anstieg des PWM-Signals (VDIM) bis zur Reaktion des Durchlassstroms der LED dar. (tSU und tSD sind die Anstiegs- bzw. Abfallzeit des LED-Durchlassstroms.) Die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt das minimale und maximale Tastverhältnis (DMIN und DMAX) und damit das Kontrastverhältnis.

Das Absenken von fDIM ermöglicht in der Regel ein höheres Kontrastverhältnis, weil ein LED-Treiber mit fester Anstiegsgeschwindigkeit ausreichend Zeit hat, um selbst bei niedrigen Tastverhältnissen den erforderlichen Durchlassstrom-/Durchlassspannungswert zu erreichen und dann auf null zurückzufallen, weil T relativ lang ist.

(Hinweis: Bei der Wahl einer PWM-Dimm-Frequenz ist es ratsam, einen LED-Treiber mit limitierter Anstiegsgeschwindigkeit zu wählen, weil die Einschaltzeit einer LED so gestaltet ist, dass sie „verfrüht“ an der Vorderflanke des PWM-Signals aufleuchten kann (und damit bei einem Durchlassspannungs-/Durchlassstromwert außerhalb der Spezifikation). Somit wäre der Verbraucher denselben CCT-Schwankungen wie beim analogen Dimmen ausgesetzt.)

Das Kontrastverhältnis (CR) wird in der Regel als Kehrwert der minimalen Einschaltzeit ausgedrückt:

Gleichung 1

Standard-Schaltspannungsregler für die allgemeine Verwendung werden nicht auf ein wiederholtes Ein- und Ausschalten ausgelegt. Daher spielt die Anstiegsgeschwindigkeit für die Hersteller keine große Rolle. In vielen Fällen verfügen diese Regler zudem über so genannte Sanftanlauf- und Sanftauslauf-Modi (um Spannungsspitzen zu verhindern), was die Anstiegszeit verlängert. LED-Treiber für Dimm-Anwendungen werden im Gegensatz dazu mit kurzen Anstiegszeiten konzipiert.

LED-Treiber, die auf Einschalt-Abwärtsreglern (Buck) basieren, haben aus verschiedenen Gründen die kürzeste Anstiegszeit von allen. Erstens liefert der Abwärtsregler Strom für den Ausgang, während der Bedienschalter auf EIN steht. Das macht die Regelkreise schneller als beim Aufwärtsregler (Boost) oder Abwärts-Aufwärts-Systemen. Zweitens ist der Induktor des Abwärtsreglers während des gesamten Schaltzyklus an den Ausgang geschaltet. Das garantiert einen kontinuierlichen Ausgangsstrom und ermöglicht den Wegfall des Ausgangskondensators. Durch Wegfall des Kondensators kann der Ausgangsspannungs-/Ausgangsstromwert des Treibers sehr schnell steigen.[1] Bei sorgfältiger Auswahl des Abwärtsreglers sind PWM-Dimm-Frequenzen im kHz-Bereich möglich. Für Standard-Beleuchtungssysteme spielt das zwar keine Rolle, bei Anwendungen wie hochfrequenten Stroboskopleuchten, wie sie z. B. in der industriellen Bilderkennung eingesetzt werden, ist es jedoch hilfreich.

Auslegung der Stromversorgung von LEDs mit PWM-Dimmung

Für die Entwicklung einer LED-Stromversorgung mit PWM-Dimmung existieren drei Möglichkeiten: einen Schaltkreis mit diskreten Komponenten von Grund auf neu entwickeln, einen Abwärtsregler-LED-Treiber mit einem PWM-Eingang und eine PWM-Schaltung kombinieren oder die PWM-Schaltung durch einen dedizierten PWM-Generator ersetzen.

Die erste Möglichkeit ist nichts für Verzagte, aber wenn Budget und Fläche Priorität haben, kann das ein gangbarer Weg sein. Hier schauen wir uns jedoch die beiden anderen Ansätze an und stützen uns dabei auf die vielen bewährten, integrierten, modularen Strommanagement-Komponenten von den großen Anbietern.

Eine einfach und relativ kostengünstige PWM-dimmbare Lösung, die die Steuerfunktionen eines LED-Treibers integriert, aber dem Konstrukteur Flexibilität bei der Wahl des verwendeten externen MOSFET für die Versorgung der LED lässt, kommt von Texas Instruments. Der LM3421 ist ein Hochspannungs-N-Kanal-MOSFET-Controller für die LED-Stromversorgung. Der Chip lässt sich in Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-/Aufwärts- und SEPIC-Topologie konfigurieren.

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang, dass der LM3421 ein nDIM-Pin beinhaltet, das für das Dimmen genutzt werden kann. TI schlägt zwei Ansätze für das Dimmen vor: Beim ersten wird eine invertierte PWM-Impulsfolge über eine Schottky-Diode (DDIM) verwendet und beim zweiten ein Standard-PWM-Signal über einen Dimm-MOSFET (QDIM) abgesetzt. Der zweite Ansatz ist hilfreich, wenn die Anwendung eine hohe PWM-Frequenz mit gutem Kontrastverhältnis erfordert, weil er die Anstiegsgeschwindigkeit des LED-Treiber-Controllers beschleunigt. Abbildung 6 zeigt die PWM-Dimm-Optionen für den LM3421.

Schaltbild des LED-Treiber-Controllers LM3421 von Texas Instruments

Abbildung 6: TI schlägt zwei PWM-Dimmverfahren für seinen LED-Treiber-Controller LM3421 vor, bei denen entweder eine Schottky-Diode oder ein MOSFET zum Einsatz kommen, wenn die Anwendung höhere PWM-Frequenzen erfordert. 

Maxim Integrated brachte vor Kurzem wiederum einen LED-Treiber mit integrierter Dimm-Fähigkeit auf den Markt, der außer dem PWM-Signalgenerator keine externen Komponenten erfordert. Der MAX16819 ist ein Abwärts-LED-Treiber, der mit einer Eingangsspannung von 4,5 bis 28 V operiert und einen 5-V-/10-mA-Onboard-Regler umfasst. Wie bei der oben beschriebenen Komponente von Texas Instruments ist der DRV-Ausgang des Chips für die Speisung eines externen MOSFET ausgelegt, der an die LEDs geschaltet ist und dazu beiträgt, die Anstiegsgeschwindigkeit zu senken.

Eine bemerkenswerte Funktion des Chips ist sein Hysterese-Steueralgorithmus, der laut Hersteller das schnelle Ansprechen im PWM-Dimm-Betrieb garantiert und eine PWM-Frequenz von bis zu 20 kHz ermöglicht, wenn diese benötigt wird. Die Bauteile besitzen eine Schaltfrequenz von bis zu 2 MHz. Daher kann der Konstrukteur kompakte externe Komponenten wählen. Abbildung 7 zeigt, wie schnell der Durchlassstrom, der die LED speist, auf Änderungen der Dimm-Spannung anspricht.

Kurve des MAX16819 von Maxim Integrated

Abbildung 7: Der MAX16819 von Maxim Integrated nutzt einen Hysterese-Steueralgorithmus, der das Ansprechen auf PWM-Dimm-Eingänge beschleunigt. Die Abbildung veranschaulicht das Ansprechen des Systems bei 50 Prozent Tastverhältnis und einem LED-Strom von 400 mA.

Als (logischerweise kostenintensivere) Highend-Lösung bietet Linear Technology den 48-kanaligen LED-PWM-Generator LT8500. Der Chip kann mit drei der hauseigenen 16-kanaligen Abwärtsmodus-LED-Treiber des Typs LT3595 zu einem PWM-dimmbaren Beleuchtungssystem kombiniert werden, das bis zu 480 LEDs mit Strömen von bis zu 50 mA versorgen kann.

Der LT3595A ist ein Abwärts-LED-Treiber, der für 16 unabhängige Kanäle mit jeweils bis zu zehn LEDs ausgelegt ist. Der Chip umfasst Schalter, Schottky-Dioden und Kompensationskomponenten zur Reduzierung des Platzbedarfs des Schaltkreises und zur Senkung der Komponentenkosten. Er läuft mit einem Eingang von 4,5 bis 45 V und operiert mit 2 MHz Schaltfrequenz (was den Einsatz kleiner Induktivitäten und Kondensatoren ermöglicht).

Das Dimmen wird für jeden Kanal durch Anlegen eines PWM-Eingangs an die 16 einzelnen PWM-Pins gesteuert. Das Gerät bietet eine schnelle Anstiegs- und Abklinggeschwindigkeit und damit ein maximales Kontrastverhältnis von 5000:1.

Der LED-PWM-Generator LT8500 arbeitet mit einer Eingangsspannung von 3 V bis 5,5 V und verfügt über 48 unabhängige Kanäle, die ein direktes Ansteuern von drei LED-Treibern ermöglichen. Jeder Kanal hat ein einzeln einstellbares PWM-Register.

Der LT8500 kann die Helligkeit jedes Kanals einzeln einstellen. Die 12-Bit-PWM-Register – programmierbar über eine einfache serielle Datenschnittstelle – ermöglichen 4095 Helligkeitsstufen von 0 bis 99,98 Prozent der maximalen LED-Ausgangsleistung. Abbildung 8 zeigt, wie sich der LT8500 für den Betrieb der drei Abwärts-LED-Treiber des Typs LT3595A konfigurieren lässt. Beachten Sie, dass der RSET-Widerstand den LED-Strom für alle 16 Kanäle und den jeweiligen LED-Treiber bestimmt.

Schaltbild des LT8500 von Linear Technology

Abbildung 8: Der LT8500 von Linear Technology kann den PWM-Dimm-Eingang für drei Abwärts-LED-Treiber LT3595 bereitstellen. Jeder Treiber kann wiederum bis zu 160 LEDs speisen. (Schaltbild gezeichnet unter Verwendung von Digi-Key Scheme-it basierend auf dem Originalbild von Linear Technology.)

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