Untersuchung von unterschiedlichen Möglichkeiten der Helligkeitsvariation für LED-Beleuchtungsmittel; Analysis of diverse potentials of intensity variations for LED illumination

Elektrotechnik & Informationstechnik DOI 10.1007/s00502-012-0101-5 ORIGINALARBEITEN

Untersuchung von unterschiedlichenMöglichkeiten der Helligkeitsvariationfür LED-BeleuchtungsmittelH. Hoschopf, F. Zerobin OVE

LED-Beleuchtungsmittel sind aufgrund ihrer Effizienz und Leistungsfähigkeit bereits am Markt etabliert und stellen am Beleuchtungs-sektor enormes Potential für Energieeinsparung und zusätzlicher vorteilhafter Merkmale für den Konsumenten dar. Aufgrund derhohen Lichtintensität der LED-Module ist die Helligkeitsanpassung (Dimming) ein wichtiger Teil der Steuerungs- und Regelungstech-nologie.

Ausgehend von den am Markt bereits für die Glühlampen entwickelten Phasenan- und -abschnittsdimmern, deren prinzipiellerAufbau, die Vor- und Nachteile sowie deren alternative, speziell für die LED-Ansteuerung geeigneten Konzepte der Helligkeitsvariation,werden auch die mit der neuen LED Technologie verbundenen Charakteristika dargestellt. Der Einfluss von Vorwärtsstrom durch dieLED sowie der Umgebungstemperatur auf das LED-Modul, deren dadurch bedingte Farbverschiebung und Lichtstromschwankungenwerden aufgezeigt und anhand von durchgeführten Messungen an repräsentativen LED-Modulen anschaulich dargestellt. Die spektraleVerteilung phosphorkonvertierter weißer LED in diesem Umfeld gewährt Einblick in Möglichkeiten und Herausforderungen im Umgangmit der LED-Technologie.

Die Kombination von kontinuierlicher Stromvariation (Amplitudendimmung) und Pulsweitenmodulation sowie die Bitmustervaria-tion bieten die besten Voraussetzungen, um ein der Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasstes und komfortables Licht,basierend auf der LED-Technologie, anbieten zu können.

Schlüsselwörter: Phasenanschnitt; LED; Pulsweitenmodulation; Farbortverschiebung

Analysis of diverse potentials of intensity variations for LED illumination modules.

LED Illumination is already established in the lighting market because of its efficacy and efficiency and depicts a tremendous potentialfor consumers in energy saving as well as additional beneficial features. Due to high luminance of LED Modules the adjustment oflight intensity is an important part of control and light management technology.

Based on leading and trailing edge dimmers already developed for in the lighting market existing incandescent light bulbs, theprinciple construction and the pros and cons, as well as their alternative, especially for LED controls appropriate concepts for lightdimming, the characteristics adjunctive to the new LED technology are depicted. The influence of forward current through the LED, aswell as the effect of the ambient temperature on LED modules, thus resulting in color shift and deviation of luminous flux, are identifiedand depicted graphically by means of measurements on representative LED modules. The spectral distribution of color converted whiteLEDs in this environment grants insight to possibilities and challenges in association with LED technology.

The combination of continuous variation of forward current (amplitude modulation) and pulse width modulation, as well as bitpattern variation present the best supposition for a convenient LED technology based light source aligned to the sensitivity of humaneye.

Keywords: leading edge dimming; LED; pulse width modulation; color deviation

Eingegangen am 18. Juli 2012, angenommen am 4. Oktober 2012© Springer-Verlag Wien 2012

1. EinleitungEffizienz und Lichtstrom von LED-Beleuchtungsmittel erreichen undübertreffen bereits Werte von Leuchtstoffröhren. Dies führt nebenzunehmender Akzeptanz der LED-Lichtquellen am Beleuchtungssek-tor auch zur Frage der Helligkeitsanpassung. Verschiedene techno-logische Ansätze und damit verbundene Vor- aber auch Nachteilebedürfen einer sorgfältigen Analyse vor dem Einsatz im Leuchtmit-tel, um ungewollten qualitativen Einbußen bereits von vornherein zubegegnen.

LED-Leuchtmittel für die Allgemeinbeleuchtung haben sich als Er-satz der Glühlampen, welche durch Regulierungsmaßnahmen derEU aufgrund ihrer Ineffizienz vom Markt verbannt wurden, bereitsetabliert und setzen sich auch gegenüber den Energiesparlampen,

welche auf der Leuchtstoffröhrentechnologie basieren, aufgrund ih-rer vorteilhaften Eigenschaften bezüglich Einschaltverhalten, Ener-giebedarf, Lebensdauer, Lichtfarbe (warmes Licht gegenüber demkalten Licht der Energiesparlampen) und Farbwiedergabe durch. Sosind derzeit LED-Retrofit-Lampen für den Ersatz von bis zu 60 WGlühlampen am Markt erhältlich. Der Ersatz höherer Leistungen vonGlühlampen ist derzeit ohne aktive Kühlung in der vorgegeben geo-metrischen Struktur der Standardglühlampen noch nicht möglich.

0 0000 0. Jahrgang © Springer-Verlag Wien heft 0.0000

Hoschopf, Hans, Dipl.-Ing., Tridonic Jennersdorf GmbH, Technologiepark 10,8380 Jennersdorf, Österreich (E-Mail: [email protected]); Zerobin, Franz,Dipl.-Ing. Dr. techn., Tridonic Jennersdorf GmbH, Technologiepark 10, 8380 Jennersdorf,Österreich

mailto:[email protected]

ORIGINALARBEITEN H. Hoschopf, F. Zerobin Untersuchung von unterschiedlichen Möglichkeiten

Abb. 1. Prinzipieller Aufbau (a) und Signalform (b) einer Phasenanschnittssteuerung

Marktanalysen während der Einführungsphase dieser LED-Retro-fit-Lampen ergaben hinsichtlich Kundenanforderung neben der Bei-behaltung der Farbtemperatur der Glühlampen und dem adäqua-ten Lichtstrom auch den Bedarf der Kompatibilität zur bestehendenIntensitätsvariation durch allgemein als „Dimmer“ bezeichnete pha-senabhängige An- oder Abschnittssteuerungen. Diese verändern dieHelligkeit im Raum durch Phasenanschnitts- oder Phasenabschnitts-steuerung meist über Drehsteller oder Taster. Diese Technologie derHelligkeitsvariation ist hauptsächlich auf die Glühlampe ausgerichtetund wird selbst dort durch Geräuschentwicklung und auftretendesFlackern des Lichtes bei geringen Helligkeitsgraden unter bestimm-ten Voraussetzungen als störend empfunden. Bei Verwendung derLED-Technologie wird die Situation zusätzlich noch verschärft, da diegeringe Leistungsaufnahme und die notwendige Spannungskonver-sion auf weitaus niedrigere Spannungslevel für die LED-Versorgungmit der Phasenanschnitts- und Phasenabschnittstechnologie proble-matisch sind. Dies führt zu zusätzlicher Komplexität der elektroni-schen Schaltung und auch zu erheblichem Mehraufwand. Die vorlie-gende Arbeit soll daher einen tieferen Einblick in die heutigen tech-nischen Gegebenheiten und Möglichkeiten gewähren.

Ein Abschnitt beschäftigt sich mit der direkten, für die Hellig-keitsvariation von weißen farbkonvertierten LED-Lichtquellen, wel-che derzeit am Markt den überwiegenden Anteil darstellen, am bes-ten angepassten Intensitätsvariation. Diese LED-Technologie basiertauf einer blaues Licht emittierenden Leuchtdiode, welche mit ei-ner Farbkonversionsschicht umhüllt wird. In der einfachsten Formbesteht die Farbkonversionsschicht aus einem Basismaterial (meisttemperaturbeständige Kunststoffe), die mit den Farbkonversions-partikeln vermengt werden. Die Farbkonversionspartikel wandelneinen Teil des vom LED-Chip emittierten blauen Lichts in ein lang-welligeres, spektral breit abstrahlendes Licht, woraus zusammen mitdem Rest des blauen Anteils für das menschliche Auge weißes Lichtresultiert. Strom- und Temperaturabhängigkeit von LED-Chip undFarbkonversionsmittel führen zu einer Verschiebung der Lichtfarbe(Farbort, Farbtemperatur), die berücksichtigt werden muss, und zuelektronischem Steueraufwand, um qualitativ hochwertiges, für denMenschen angenehmes Licht zu erzeugen.

2. PhasenanschnittssteuerungDie am weitesten verbreitete Möglichkeit der Helligkeitsvariationvon Leuchtmitteln stellt die Phasenanschnittssteuerung dar. Ur-sprünglich für die Motorsteuerung entwickelt wurde sie in den1970er-Jahren in der Beleuchtungsindustrie etabliert. Diese Tech-nologie ist hauptsächlich für die Dimmung von Glühlampen entwi-ckelt worden, obwohl diese Art der Steuerung aufgrund der da-

mit verbundenen Schaltung hoher Spannungsflanken eine Vielzahlan Nachteilen und zusätzlichen Filteraufwand mit sich bringt. Einweiterer Aspekt, den es genauer zu betrachten gilt, ist die elek-trische Eigenschaft der Last. Stellt die Wendel der Glühlampe einerein ohmsche Last dar, ist dies bei LED-Lichtquellen nicht mehr derFall, da LEDs einen dynamischen Widerstand darstellen. Auch dieweitaus geringere Leistungsaufnahme von LED-Modulen gegenüberGlühlampen führt zu technischem Mehraufwand und Abweichun-gen vom gewohnten Dimmverhalten in Verbindung mit dieser Artder Leistungsverstellung. Vorab sollen jedoch die Grundlagen dieserTechnologie näher betrachtet werden und daraus die Adaption zurHelligkeitsvariation einer LED entwickelt werden.

Die Phasenanschnittssteuerung basiert auf der Kombination vonDIAC und TRIAC, beides bidirektionale elektronische Halbleiterbau-elemente und damit ideal für Wechselstrom geeignet. Abbildung 1zeigt ein sehr vereinfachtes Prinzipschaltbild einer Phasenanschnitts-steuerung.

Die Funktionsweise der Phasenanschnittssteuerung nach Abb. 1lässt sich folgendermaßen beschreiben: Die Widerstands-(Potentio-meter)-Kondensator-Kombination bewirkt je nach Potentiometer-stellung eine größere oder kleinere Phasenverschiebung des Ein-gangssignals (230 V / 50-Hz-Versorgung). Übersteigt dabei die Span-nung am Kondensator die Zündspannung der DIAC (Diode for Alter-nating Current), wird der Steuereingang (Gate) der TRIAC (Triode forAlternating Current) versorgt und die TRIAC wird leitend. Da sich dieSpannung an der DIAC mit gleicher Frequenz nur eben phasenverzö-gert mit der Versorgungsspannung ändert, wird bei Unterschreitungdes Haltestromes über die DIAC die TRIAC abgeschaltet. Je größerder Widerstandswert des Potentiometers eingestellt wird, desto grö-ßer wird die Phasenverschiebung und damit die Stromflusszeiten ge-ringer, was wiederum zur Helligkeitsabnahme der Glühlampe führt.

Was hier so einfach und kurz beschrieben wird, weist selbst-verständlich noch einige Sekundäreffekte auf, die äußerst unan-genehm im täglichen Gebrauch zum Tragen kommen. So verhin-dert der Spannungshub zwischen DIAC und TRIAC eine vollstän-dige Entladung des Kondensators zur Phasenverschiebung. Diesäußert sich darin, dass sich eine Hysterese ausbildet, die bei gerin-gen Stromflusszeiten zu Instabilität am Leuchtmittel führt. Ein Fla-ckern der Glühlampe ist die unangenehme Folge. Durch ein zusätz-liches RC-Glied sowie Dioden, welche eine vollständige Entladungdes Kondensators bedingen, kann dieser Effekt reduziert oder ver-hindert werden. Ein weiterer störender Effekt ist durch die hoheFlankensteilheit (100 V/µs) gegeben, welche TRIACs aufgrund ih-res raschen Ansprechens ermöglichen. Dies führt zu Störungen im

heft 0.0000 © Springer-Verlag Wien e&i elektrotechnik und informationstechnik

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Radio- und Kurzwellenfrequenzbereich aufgrund der dadurch im-plizierten Oberwellen. Um derartige Störungen wirkungsvoll zu ver-hindern, ist ein LRC-Netzwerk notwendig, welches in Abb. 1 durcheine Induktivität und einen Kondensator schematisch dargestellt ist.Ohne gewissenhafte und ausreichende Dimensionierung des Filter-netzwerks führen Phasenanschnittssteuerungen zu störenden undunzulässigen Einschränkungen im Radio- und Funkbereich. Selbstbei richtiger Dimensionierung der passiven Bauelemente des Filter-netzwerks bedingen die Flankensteilheit und die damit einhergehen-den periodisch auftretenden Oberwellen im mechanischen Aufbauder elektrischen Bauteile sowie in Verbindung dieser mit der Leiter-platte Geräusche aufgrund von Eigenresonanzen im hörbaren Be-reich. Diese Geräusche sind zwar nur im unmittelbaren Nahbereichdes Phasenanschnittsdimmers hörbar, werden aber grundsätzlich alsstörend empfunden, und jeder geschätzte Leser wird bereits seineeigene Erfahrung mit diesem Phänomen der Geräuschentwicklungin Zusammenhang mit Phasenanschnittsdimmern gemacht haben.

3. PhasenabschnittssteuerungEine weitere Möglichkeit der Leistungssteuerung stellt ein grund-sätzlich sehr ähnliches Prinzip, die Phasenabschnittssteuerung, dar.Der Unterschied zur Phasenanschnittssteuerung besteht darin, dassnicht zu einem bestimmten Zeitpunkt die Versorgungsspannungdurchgeschaltet, sondern abgeschaltet wird. Dazu bedarf es ande-rer elektronischer Bauteile und eines Mehraufwands für die pha-sensynchrone Zeitsteuerung. Als elektronische Bauteile für die Pha-senabschnittsdimmung kommen GTO-Thyristoren (Gate Turn Off),IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) und Leistungs-MOS-FETs zurAnwendung. Vor allem bei GTO-Thyristoren ist der Mehraufwanddadurch bedingt, dass dieser eingeschaltet werden muss, um zuzünden, und über einen negativen Impuls am Gate wieder ausge-schaltet werden muss. Dadurch wird der elektronische Aufwand fürdie Steuerung und Synchronisation komplexer. Eine mögliche Span-nungsform der Phasenabschnittsdimmung ist in Abb. 2 dargestellt.

Die berechtigte Fragestellung ist nun, wozu es der aufwändige-ren Phasenabschnittsdimmung bedarf, wenn der einfachere Wegder Phasenanschnittssteuerung den gleichen Effekt erzielt? Die Be-rechtigung der Phasenabschnittssteuerung begründet sich im elek-trischen Verhalten der nachgeschalteten elektronischen Bauelemen-te. Für die derzeit systematisch vom Markt zu nehmenden Glühlam-pen ergibt sich kein Unterschied hinsichtlich der beiden Dimmkon-zepte, da sie eine ohmsche Last darstellen. Für die Versorgung vonLEDs direkt vom 230 V/50 Hz Netz ist jedoch zusätzlicher elektrischerund elektronischer Aufwand notwendig, um die Wechselspannungdes Netzes in eine Gleichstromversorgung für die Leuchtdioden zukonvertieren. In Abhängigkeit der bevorzugten Technologie sind derphasenabhängigen Steuerung induktive (zum Beispiel Transforma-toren) oder kapazitive (elektronische Versorgungsgeräte) Systeme

Abb. 2. Typische Signalform einer Phasenabschnittsdimmung

nachgeschaltet. Das induktive Verhalten der Transformatoren be-dingt hohe Spannungsspitzen aufgrund des steilen Signalabfalls beider Phasenabschnittssteuerung. Daher ist für induktive Lasten diePhasenanschnittssteuerung vorzuziehen. Hingegen führt der steileSpannungsanstieg bei der Phasenanschnittssteuerung zu enormerStrombelastung aufgrund des kapazitiven Verhaltens der elektroni-schen Vorschaltgeräte. In diesem Fall ist die Phasenabschnittssteue-rung die richtige Wahl.

4. Auswirkungen der phasenabhängigen Steuerung auf dieLED-Versorgungselektronik

State of the Art der Versorgungskonzepte für LED-Lichtquellen be-ruht auf SMPS (Switch Mode Power Supplies). Unabhängig von denunterschiedlichen elektronischen Steuer- und Regelungstechnologi-en ermöglichen diese Konverter eine weitgehend versorgungsunab-hängige Gleichstromversorgung der LED-Module. Besteht die Ab-sicht, LED-Module über die beiden zuvor erwähnten Phasensteue-rungen in ihrer Helligkeit zu variieren, wird die SMPS in einem sehrweiten Bereich die geringere zur Verfügung stehende Leistung aus-gleichen und damit keine Lichtminderung zulassen. Erst bei Unter-schreitung der für die Aufrechterhaltung der beabsichtigten Betrieb-sparameter benötigten Leistung durch die Phasensteuerung wirdsich eine Helligkeitsabnahme einstellen. Allerdings befindet sich indiesem Fall die Regel- und Steuerelektronik meist bereits außer-halb des zulässigen Toleranzbereichs für eine einwandfreie Funk-tion. Störende Nebeneffekte, wie Flackern im niedrigen Frequenz-bereich (<100 Hz), übermäßige Erwärmung der Elektronik, unzu-lässige Strom- und Spannungsspitzen durch Verlust der Kontrolleaufgrund der Unter- oder Überschreitung von Referenzsignalen inder Regelschleife sind die Folge. Selbst ein Blinken aufgrund vongeringen Bias-Strömen in der SMPS ist möglich, welche einen zy-klischen Restart des Kontrollbausteins bewirken. Befinden sich zumBeispiel Glimmlampen zur besseren Orientierung in Lichtschaltern,reicht dieser geringe Strom aus, um die Eingangskondensatorender SMPS derart aufzuladen, dass der Kontrollbaustein ausreichendversorgt wird und folglich einen kurzen Stromimpuls an das LED-Modul abgibt. Da der Stromfluss durch die Glimmlampen sehr ge-ring ist, kann nicht genügend Energie für die einwandfreie Funktiondes LED-Moduls nachgeliefert werden. Dieser Bias-Strom durch dieGlimmlampe ist relativ konstant, wodurch ein zyklisches kurzes Ein-schalten der LEDs die Folge ist.

Grundsätzlich ist die höhere Effizienz von LED-Lichtquellen unddie damit verbundene geringere Leistungsaufnahme dem Einsatzvon Phasendimmern abträglich. Derartige Dimmer sind für den Ein-satz von Glühlampen ausgelegt und damit für Schaltleistungen immehrstelligen Leistungsbereich, während LED-Retrofit-Lampen ca.10 W aufnehmen, entsprechend einem Glühlampenäquivalent von60 W.

Um nun eine Kombination von phasenabhängiger Steuerung miteiner SMPS zur Helligkeitsvariation von LED-Modulen sicherstellenzu können, bedarf es zusätzlicher Regelelektronik, welche das Aus-gangssignal des Dimmers überwacht und entsprechende Aktionenin der SMPS setzt. Derartige Kontrollbausteine sind am Markt eta-bliert und deren Funktion ist in den Datenblättern bzw. Applica-tion Notes der Hersteller nachzulesen. Viel mehr soll auf die Pro-blematik hingewiesen werden, dass nicht alle Dimmer mit denRegel- und Steuerkonzepten der Kontrollbausteine kompatibel sind.Phasendimmer benötigen für ihre Funktion einen bestimmten Halte-strom, damit die bereits weiter oben erwähnten elektronischen Bau-teile (TRIAC, DIAC, GTO etc.) ihre Funktion aufrechterhalten kön-nen. Der Kontrollbaustein muss diesen Haltestrom dem Dimmer zurVerfügung stellen, wobei der Haltestrom vom Aufbau und Konzept



des Dimmers bestimmt wird. Vor allem bei hohem Dimmgrad, alsogeringer beabsichtigter Lichtstärke und damit kurzen Spannungsim-pulsen von geringer Höhe, ist die Funktionsfähigkeit der elektroni-schen Versorgungsgeräte ausnahmslos stark eingeschränkt.

Ein weiterer nachteiliger Einfluss auf die Funktionsfähigkeit vonDimmer-SMPS-Kombinationen ist durch sogenannte PFC-(PowerFactor Correction)-Systeme bedingt. PFCs bewirken die Reduktionder Blindleistungsaufnahme in Versorgungsgeräten höherer Leis-tung, und zwar derart, dass Strom und Spannung in Phase gebrachtwerden, um gegenüber dem Versorgungsnetz eine rein ohmscheLast darzustellen. In ihrer Funktion begrenzen PFCs die Stromauf-nahme in Abhängigkeit der Spannungsform und wirken damit auchder Bereitstellung des adäquaten Haltestroms für den Dimmer ent-gegen.

Die Signalform der phasengesteuerten Dimmer ist zur Helligkeits-variation von LED-Modulen nicht geeignet. LEDs zeigen kaum Nach-leuchteigenschaften, das heißt, dass sie dem Versorgungssignal un-mittelbar folgen. Dimmer wiederum erzeugen periodische Signa-le mit 100 Hz (Gleichrichtung der 50-Hz-Netzspannung) mit er-heblichen „Auszeiten“ aufgrund des Phasenabschnitts (Phasenan-schnitts). Dadurch bedingt kann das menschliche Auge ein Flackernoder Flimmern wahrnehmen, das als störend empfunden wird. Esist daher unumgänglich, das Signal des Dimmers in eine dem LED-Verhalten angepasste Signalform zur Helligkeitsvariation zu trans-formieren: einerseits wird die Frequenz derart gewählt, dass dasmenschliche Auge dem Signal nicht mehr folgen kann, andererseitswird der Eigenschaft des Auges Rechnung getragen, im Bereich ge-ringer Helligkeit zwar mit eingeschränktem Farbsehen, aber dochsehr gut Kontraste wahrzunehmen.

5. AmplitudendimmungDie Augenempfindlichkeit folgt in erster Näherung einer logarithmi-schen Kurve. Abbildung 3 zeigt eine derartige Kurve in Form einer8-bit auflösenden Dimmcharakteristik. Darin wird der Eigenart desmenschlichen Auges Rechnung getragen, dass es im Bereich gerin-ger Lichtintensität in der Lage ist, geringste Intensitätsänderungensehr gut aufzulösen.

X(n) = 10n−1

253/3 −1 (5.1)

Gleichung (5.1) stellt die mathematische Funktion der Dimmcharak-teristik dar. X bezeichnet den diskreten Intensitätslevel und wird inProzent des Maximalwertes angegeben, während n die Auflösung inForm eines digitalen Wortes (binäre Kodierung) darstellt. In Abb. 3wird als Beispiel für n ein 8-Bit-Steuerwert verwendet, wodurch n

die Werte 0 bis 255 (dezimale Darstellung) annehmen kann. DA-LI (Digital Addressable Lighting Interface)- gesteuerte Lichtsystemeverwenden diese Charakteristik für die Lichtintensitätsanpassung.DALI ist ein Protokoll, welches im technischen Standard IEC 62386festgelegt ist. Dem Kurvenverlauf in Abb. 3 kann für einen 8-bit-Steuerwert für n entnommen werden, dass man für drei Prozentder Lichtintensität ungefähr die Hälfte der zur Verfügung stehendenAbstufungen aufwendet, während man für 80 bis 100 Prozent dermaximalen Lichtintensität nur 10 Stufen in Anspruch nimmt. DieseCharakteristik entspricht der Lichtempfindlichkeit des menschlichenAuges. So tragen im Bereich geringer Lichtintensität die wesentlichempfindlicheren Stäbchen zur Wahrnehmung bei, während bei ho-her Lichtintensität die Zäpfchen maßgebend sind, welche auch fürdas Farbsehen verantwortlich sind.

Die einfachste Form, eine derartige Charakteristik nachzustellen,besteht in der Möglichkeit, den Strom durch eine LED entspre-chend zu regeln, um den in Abb. 3 dargestellten Helligkeitsverlaufzu ermöglichen. Diese Kurve trägt dem Umstand Rechnung, dassdas menschliche Auge auch bei geringer Lichtintensität im Stan-de ist, sehr gut Kontraste wahr zu nehmen und geringste Hellig-keitsunterschiede zu erfassen, jedoch mit eingeschränktem Farbse-hen. Diese Form der Amplitudendimmung bedingt allerdings zusätz-liche Überlegungen, die zum einen durch die Technologie der LED-Chipherstellung und zum anderen durch die Technologie der Weiß-lichterzeugung oder Farbkonversion begründet ist. Die am meis-ten verbreitete Art der Weißlichterzeugung basiert auf einem blau-en LED Chip, welcher mit einer Farbkonversionsschicht überzogenwird. Diese Farbkonversionsschicht wandelt einen Teil des blauenLichts in Licht mit höherer Wellenlänge um; das dadurch entstehen-de Mischlicht ergibt dann weißes Licht. Je nach Zusammensetzungder Farbkonversionsschicht und der Wellenlänge des von der blauenLED emittierten Lichts lassen sich unterschiedliche Farbtemperaturenverwirklichen.

Die emittierte Wellenlänge einer blauen LED besitzt jedoch eineAbhängigkeit vom Vorwärtsstrom durch den LED-Chip. Abgesehendavon tritt auch eine Sättigung des Lichtstromes mit zunehmenderStromstärke auf. Abbildung 4 zeigt das Verhalten einer typischenblauen LED. Wie bereits erwähnt, ist die Charakteristik von der an-gewandten Technologie abhängig, und es kann zu geringfügigenAbweichungen von der in Abb. 4 dargestellten Kurvenform kom-men, das grundsätzliche Verhalten bleibt jedoch ähnlich. Im darge-stellten Fall (siehe Abb. 4a) ist über den Strombereich von 20 mA bis240 mA eine Verschiebung der dominanten Wellenlänge von 1 nmmessbar. Dieser Shift von 1 nm mag klein erscheinen, bedeutet aber

Abb. 3. Der Augenempfindlichkeit nachempfundene logarithmische Dimmkurve, wie sie in DALI-gesteuerten Lichtsystemen zur Anwendungkommt



Abb. 4. Wellenlänge (a), Lichtstrom und Effizienz (b) als Funktion des Vorwärtsstromes einer blauen LED

Abb. 5. Lichtstrom und Effizienz (a) sowie Farbortverschiebung (2700 K) (b) als Funktion des Vorwärtsstroms im Bereich von 20 mA bis 240 mA

große Auswirkungen auf den Farbort bei einer phosphorkonvertier-ten weißen LED.

In weiterer Folge wird auch die Farbkonversionsschicht mit derÄnderung der emittierten Wellenlänge der blauen LED eine Ver-schiebung der Farbtemperatur bedingen. Abbildung 5 zeigt dasoptische Verhalten einer weißen LED mit einer Farbtemperaturvon 2700 K in Abhängigkeit des Vorwärtsstromes. Die Auswirkun-gen dieses Verhaltens können anschaulich in einem CIE-Diagramm(Commission internationale de l’éclairage) dargestellt werden. Die-se, auch Normfarbtafel genannte Darstellung stellt eine Beziehungzwischen der menschlichen Farbwahrnehmung und der physikali-schen Größe, der spektralen Verteilung des emittierten Lichts, her.Im CIE-Diagramm sind sämtliche vom Menschen wahrnehmbareFarben in einem Koordinatensystem dargestellt. Als Maßstab die-nen dabei die sogenannten MacAdams-Ellipsen (in Abb. 5 ist eineMacAdams-Ellipse der Größe 3 dargestellt), innerhalb derer das nor-male menschliche Auge keine Farbunterschiede wahrnehmen sollte.So können farbsensitive Menschen an weit voneinander entferntenPunkten am Rand einer MacAdams-Ellipse der Größe 3 Unterschiedein der Lichtfarbe ausmachen.

Wichtig dabei zu bemerken ist, dass für die weiße LED nicht aus-schließlich der Vorwärtsstrom die bestimmende Größe für die Farb-verschiebung darstellt, sondern in diesem Fall auch thermische Ef-

fekte maßgeblich beteiligt sind, die daher rühren, dass die höhereStrahlungsintensität bei höheren Strömen zu erheblichen Verlustenaufgrund der Erwärmung der Farbkonversionspartikel führt. Die imKunststoff eingebetteten Farbkonversionspartikel können aufgrundder bescheidenen thermischen Leitfähigkeit des Basismaterials dieWärme nur über die LED selbst gut ableiten, wodurch vom Chip wei-ter entfernte Farbkonversionspartikel stärker erhitzt werden, als jeneim Nahbereich der LED. Aus diesem Grund ist es auch sehr schwie-rig, den Strom- und den Temperatureinfluss zu separieren und derenEinfluss messtechnisch getrennt voneinander zu erfassen.

In Abb. 6 sind die Charakteristika farbstoffkonvertierter weißerLED-Lichtquellen in Abhängigkeit des Vorwärtsstromes sehr gut dar-gestellt. Die spektrale Verteilung des emittierten Lichtes zeigt dieTendenz zu kleineren Wellenlängen bei steigendem Vorwärtsstrom.Außerdem sind die Nachteile hinsichtlich Farbwiedergabe im grü-nen und roten Frequenzbereich ersichtlich. Auch der aus der Farb-konversion resultierende breitbandige Emissionsbereich und dessenÄnderung mit der primären blauen LED-Lichtquelle weist deutlichauf die Herausforderungen dieser Technologie hin. So bewirken be-reits 2 nm Abweichung (z. B. 457 nm anstelle von 455 nm) der do-minanten Wellenlänge des blauen LED-Chips eine andere Lichtfarbedes resultierenden weißen Lichts. Auch geringste Konzentrationsun-



terschiede der im Kunststoff eingebetteten Farbkonversionspartikelführen zu erkennbaren Farbortunterschieden.

Zusätzlich zur Abhängigkeit des Farbortes und der Intensität ei-ner weißen LED vom Vorwärtsstrom besteht auch eine Abhängigkeitüber den Temperaturbereich, was in Abb. 7 anschaulich dargestelltist. Für drei unterschiedliche Ströme wurde das Temperaturverhaltenvon −20 °C bis +70 °C aufgenommen. Weiters ist das stark un-terschiedliche Strom- und Temperaturverhalten in Abhängigkeit derKonzentration der Farbkonversionspigmente ersichtlich. Währendbei einer als warm empfundenen Farbtemperatur von 2700 K derStrom den geringeren Einfluss auf den Farbort ausübt, ist bei einerals kalt empfundenen Farbtemperatur von 6200 K der Einfluss desStromes auf den Farbort sehr viel höher. Reziprok dazu verhält sichdas Temperaturverhalten, welches bei einer weißen LED mit 2700 Kstärker ausgeprägt ist als bei einer weißen LED mit 6200 K Farbtem-peratur, da bei 2700 K die Konzentration der Farbkonversionspig-mente sehr viel höher ist als bei 6200 K. Der Pfeil weist in Richtungzunehmender Temperatur, beginnend am Schaft mit −20 °C und biszu +70 °C Umgebungstemperatur an der Pfeilspitze.

Abb. 6. Spektrale Wellenlängenverteilung einer weißen LED mit2700 K Farbtemperatur bei unterschiedlichen Vorwärtsströmen(20 mA bis 240 mA)

Diese durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass es mittels

Stromvariation (Amplitudendimmung) möglich ist, den Farbort über

den dargestellten Temperaturbereich innerhalb einer MacAdams-3-

Ellipse zu halten. Bezieht man allerdings die Toleranzen der Wellen-

längen der LED-Chips und die Konzentrationsunterschiede der Farb-

konversionspartikel sowie die Mengentoleranzen beim Aufbringen

der Farbkonversion in der Produktion mit ein, so wird dies nur mit

erheblichem Mehraufwand durch Selektion der Rohstoffe und die

messtechnische Klassifizierung der Endprodukte möglich sein.

6. Dimmung mittels Pulsweitenmodulation (PWM)

Eine weitere Möglichkeit der Helligkeitsvariation stellt die Pulswei-

tenmodulation dar. Abbildung 8 zeigt die Signalform der Pulswei-

tenmodulation und den damit verbundenen Duty Cycle. Das Kon-

zept der Pulsweitenmodulation beruht auf der Versorgung der LED

mit konstantem Vorwärtsstrom, welcher in Abhängigkeit vom beab-

sichtigten Dimmlevel ein- und ausgeschaltet wird.

Die Pulsweitenmodulation bietet den Vorteil, dass der Strom über

den gesamten Dimmbereich konstant gehalten wird, wodurch eine

Farbortverschiebung aufgrund der Stromvariation vernachlässigbar

wird. Der Einfluss der Temperatur (siehe Abb. 7) bleibt jedoch beste-

hen. Der Einfluss der PWM auf Lichtstrom und Farbort ist in Abb. 9

ersichtlich. Die Effizienz bleibt bei der PWM aufgrund des konstan-

ten Stromes über den gesamten Dimmbereich nahezu gleich und

wurde aus diesem Grund auch nicht dargestellt. Die geringe Farbort-

verschiebung über den gesamten Dimmbereich ist in einer geringen

Erwärmung durch den höheren Duty Cycle der PWM begründet. Da

keine aktive Temperaturüberwachung der aktiven Licht emittieren-

den Zone der LED (Junction) möglich ist, tritt durch die höhere Ein-

schaltzeit eine Erwärmung der LED als Sekundäreffekt auf, dessen

Auswirkung als Farbortverschiebung ersichtlich ist. Die Messungen

wurden bei einer PWM-Frequenz von 100 Hz durchgeführt, um zum

einen Signalverzerrungen durch kapazitive und induktive Einflüsse

des Messaufbaus möglichst gering zu halten und zum anderen um

der Transitionsfrequenz des Messverstärkers Rechnung zu tragen.

Abb. 7. Farbortverschiebung in Abhängigkeit von Vorwärtsstrom und Modultemperatur (−20 °C bis +70 °C) für eine weiße LED mit einerFarbtemperatur von 2700 K (a) und eine weiße LED mit 6200 K (b)



Abb. 8. Pulsweitenmoduliertes Signal

Abb. 9. Lichtstrom (a) und Farbortverschiebung (b) einer 2700-K-LED in Abhängigkeit des Duty Cycles einer 100-Hz-PWM

Die Messungen für Abb. 9 wurden bei einem Konstantstrom von100 mA durchgeführt. Daher ist die Korrelation von Duty Cycle(in %) und durchschnittlichem Strom (in mA) auch wertmäßig di-rekt proportional (1 mA ≡ 1 % Duty Cycle). Augenscheinlich ist derlineare Zusammenhang zwischen Dimmlevel (Duty Cycle) und Licht-strom. Dies hat vor allem für niedrige Helligkeitswerte Nachteile, dain diesem Bereich, wie bereits weiter oben dargestellt, das Auge sehrempfindlich ist und schon geringe Helligkeitsunterschiede sehr gutauflöst. Im Gegensatz zur Amplitudenmodulation ist die Farbortver-schiebung aufgrund der PWM nahezu vernachlässigbar.

Ein weiterer Nachteil der PWM ist die benötigte Auflösung desDuty Cycle, um die in Abb. 3 dargestellte Dimmkurve mittels PWMrealisieren zu können. Da der Mensch 100 Hz sehr gut auflöst undemittiertes Licht von LED-Modulen, die mit dieser Frequenz ange-steuert werden, als unangenehmes Flimmern empfindet, sollten zu-mindest 400 Hz als Basisfrequenz der PWM herangezogen werden.Beträgt der Duty Cycle allerdings nur mehr wenige Prozent, ist dasmenschliche Auge aufgrund der damit verbundenen langen Aus-schaltzeiten und der zu vernachlässigenden Nachleuchtdauer derLED in der Lage, ein Flackern zu detektieren. Weiters muss die Ein-schaltdauer der LED exakt und reproduzierbar in diesem Bereich ge-ringer Lichtintensität zur Verfügung stehen, da das menschliche Au-ge hier Intensitätsschwankungen sehr genau auflöst. Erhöht man die

Basisfrequenz der PWM nun weiter, als Beispiel sei hier 1 kHz ange-führt, so liegt die Einschaltzeit der LED bei 1 % Duty Cycle bei 10 µs.Um diese kurzen Einschaltzeiten möglichst genau regeln zu können,muss das Steuerkonzept in der Lage sein, wenige µs aufzulösen.Man erkennt, dass dadurch die internen Frequenzen sehr rasch an-steigen und abhängig vom beabsichtigten Dimmlevel sehr rasch inden MHz-Bereich führen. Der damit verbundene elektronische Auf-wand sowie die Störgrößenunterdrückung und Signalanpassung isttechnisch zwar möglich, aber aufgrund der damit verbundenen Kos-ten nicht immer zu rechtfertigen.

7. Dimmung mittels BitmustermodulationEine Variante der Pulsweitenmodulation, die Bitmustermodulation,bietet zusätzliche Möglichkeiten der Intensitätsvariation für LED-Module. Diese basiert im Gegensatz zur PWM, bei der nur zweiSignalzustände („EIN“ oder „AUS“) möglich sind, auf mehrerenZwischenstufen, wodurch in Abhängigkeit des gewünschten Inten-sitätslevels entweder zufällig oder vorgegeben ein mittlerer Stromdem LED-Modul zugeführt werden kann. Abbildung 10 zeigt zweimögliche Bitmuster für zwei gleich große mittlere Ströme. Der Vor-teil dieser Art der Helligkeitsvariation liegt in den sanfteren Übergän-gen und den damit verbundenen kürzeren Auszeiten, die im Augedes Betrachters eine kontinuierliche Versorgung des LED-Moduls si-mulieren, wodurch das Flackern des emittierten Lichts reduziert wer-



Abb. 10. Kontinuierliches 4-Level (a) und diskontinuierliches 4-Level-Bitmustersignal (b) mit gleich großem mittleren Strom; die unterbrocheneLinie zeigt das äquivalente PWM-Signal mit gleich großem mittleren Strom

den kann. Sowohl das in Abb. 10a dargestellte kontinuierliche Bit-muster als auch das in Abb. 10b dargestellte zufällige diskontinuier-liche Bitmuster liefern im Mittel den gleichen Strom wie das in denAbbildungen mit unterbrochener Linie angedeutete PWM-Signal. Inbeiden Abbildungen handelt es sich um ein 2-Bit-Signal (vier un-terschiedliche Levels), es sind aber beliebige Varianten hinsichtlichSignalform und n-Bit-Muster denkbar.

Der Nachteil dieser Art der Steuerung liegt in der Komplexi-tät und dem zusätzlichen Aufwand, bedingt durch die arithmeti-sche Zusatzfunktion der Signalgeneration. Weiters müssen für ein2-bit-(4-Level)-Signal vier unterschiedliche Stromhöhen zur Verfü-gung gestellt werden, die innerhalb der festgelegten Grenzfrequenzder Regelung umgeschaltet werden müssen. Hohe Frequenzen undSchaltleistungen bedingen neben den zusätzlichen Verlusten auchStörsignale, die zu unterdrücken und entsprechend zu filtern sind,um den Normen und Standards zu entsprechen. Die Umrechnungdes Dimmlevels in ein Bitmuster bedarf einer Rechnereinheit (Mi-kroprozessor), wobei der Komplexität des mathematischen Algo-rithmus für die Signalgeneration nahezu keine Grenzen gesetztsind.

Der Vorteil dieser Art der Steuerung liegt in den weitaus kürze-ren Auszeiten, in denen kein Licht generiert wird, und den sanfterenÜbergängen aufgrund der zusätzlich eingeführten Stromlevels, wo-durch dem menschlichen Auge ein angenehmer empfundenes Lichtangeboten wird.

8. ZusammenfassungPhasenan- und -abschnittsdimmer sind hinsichtlich Signalform undFrequenz nicht geeignet, LED-Lichtquellen direkt zu versorgen. Siesind in bestehenden Lichtinstallationen jedoch etabliert, zumal diesenoch auf Glühlampen als Leuchtmittel basieren und komplette Neu-installationen aufgrund der Kosten nur schwer durchzusetzen sind.Der technische Aufwand, die Signale dieser Dimmer in Ströme füreine Versorgung für LED zu transformieren, die keine störenden Se-kundäreffekte aufweisen, ist enorm und aufgrund der unterschied-lichen Auslegung der Dimmer nicht immer erfolgreich. Es gibt zwarAnsätze, die Information bezüglich Dimmlevel digital durch Modu-lation der Netzspannung zu übertragen, jedoch ist auch hier vomSchalter bis zum elektronischen Schaltungs- und Filteraufwand mitnicht unerheblichen Zusatzkosten zu rechnen.

Amplituden- und Pulsweitenmodulation besitzen jede für sichentscheidende Vorteile, aber auch Nachteile zur Helligkeitsvariation

von LED-Lichtquellen. Eine Kombination von beiden (Amplituden-modulation bis zu einem bestimmten Stromlevel und anschließen-de PWM für die Variation des unteren Helligkeitslevels) scheint hierden besten Ansatz für eine qualitativ hochwertige Intensitätsanpas-sung von LED-Modulen zu bieten. In jedem Fall ist darauf Rücksichtzu nehmen, dass die Augenempfindlichkeit für geringe Lichtströmesehr hoch ist, so dass eine lineare Dimmung hinsichtlich der huma-nen visuellen Wahrnehmung nicht zum gewünschten Erfolg führt.

Autoren

Hans Hoschopfschloss das Studium der Elektrotechnik aufdem Gebiet der Elektronik und Nachrichten-technik an der Technischen Universität Grazin Österreich ab. Als Mitarbeiter und Gesell-schafter der Lumitech GmbH war er 2001Gründungsmitglied der Tridonic Optoelectro-nics GmbH mit Sitz in Jennersdorf. Heutesetzt er seine Forschungstätigkeit auf demGebiet der anorganischen LED-Technologie

als Gruppenleiter in der Abteilung Forschung und Entwicklung derTridonic Jennersdorf GmbH fort.

Franz Zerobinwurde 1956 in Steyr, Österreich, geboren. Erstudierte an der Technischen Universität GrazElektrotechnik. Als Universitätsassistent amInstitut für Elektromagnetische Energieum-wandlung schloss er 1985 mit der Promotionzum Dr. techn. ab. Danach arbeitete er beider ELIN Union AG in Weiz am Gebiet dersupraleitenden Magnete, darunter auch miteinem Aufenthalt am CERN in der Schweiz.

1985 wechselte er zu Tridonic Fürstenfeld und hat dort seit 1997die Werkleitung inne. 2010 übernahm er zusätzlich die Geschäfts-führung der Tridonic Jennersdorf GmbH, welches das Kompetenz-zentrum für LED-Lichtquellen in der Zumtobel Gruppe darstellt.


Documents

Untersuchung von unterschiedlichen Möglichkeiten der Helligkeitsvariation für LED-Beleuchtungsmittel; Analysis of diverse potentials of intensity variations for LED illumination