Flacker- und Stroboskopeffekte sind seit der Einführung elektronischer Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen ein historisches Kapitel der Beleuchtungstechnik. Die Leuchtdioden mit ihrer steilen Voltammogramm-Charakteristik und der schnellen Reaktion des Lichtstroms auf Stromänderungen haben diese Phänomene jedoch wieder in den Vordergrund gerückt. In diesem Teil werden die Auswirkungen typischer Stromversorgungs- und Dimmverfahren von Leuchtdioden auf den zeitlichen Verlauf ihres Lichtstroms beschrieben.

DC-Stromversorgung

Diese triviale Art, LEDs mit Strom zu versorgen, ist in Bezug auf zeitliche Artefakte eher ungünstig, da sich der erzeugte Lichtstrom im Laufe der Zeit nicht ändert. Die LED oder das Modul wird über einen Widerstand oder einen Stromregler an eine Spannungsquelle angeschlossen. Viele Arten von selbstklebenden LED-Streifen sind für die Versorgung mit einer konstanten Spannung, typischerweise 12 oder 24 V, ausgelegt. Reihenschaltungen von mehreren Dioden werden über einen Widerstand oder, bei höherwertigen Streifen, über einen Transistorstromregler mit Wärmeschutz an den Strombus angeschlossen.

Eine ähnliche Methode der Stromversorgung wird bei einigen LED-Glühbirnen-Ersatzgeräten für Netzspannung verwendet. Hier speist ein Linearregler eine Reihenschaltung von etwa 100 Dioden aus einer gleichgerichteten und geglätteten Netzspannung. Die thermischen Verluste am Stabilisator sind bei Leistungsaufnahmen bis etwa 10 W akzeptabel. Neben dem Null-Nebensprechen ist die sehr geringe elektromagnetische Störung ein Vorteil.

DC-Dimmen

CCR (Constant Current Reduction, auch Amplitudendimmen) ist das Dimmen von LEDs mittels linearer Stromregelung, siehe Abbildung 1. Auch bei dieser Art der Stromversorgung entsteht kein Flimmern. Mit abnehmendem Strom ändert sich jedoch das Spektrum des ausgestrahlten Lichts geringfügig und die Unterschiede zwischen den einzelnen Dioden nehmen zu. Ein potenzieller Schwachpunkt ist die Instabilität der Steuerung bei niedrigen Intensitäten unter 3 % des Höchstwertes. Dies kann durch eine pulsierende Steuerung des Ausgangs (Hybrid Dimming [1]) oder in Kombination mit einer Ausgangsfilterung (Filtered Dimming [1]) behoben werden, siehe Abbildung 2. Im linearen Bereich liegt der Vorteil wiederum in der geringen elektromagnetischen Strahlungsbelastung, die die Verwendung längerer Leitungen zwischen der LED und dem Leistungsbauteil ermöglicht.

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Abb. 1: Lineare Stromregelung

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Abb. 2: Verschiedene Kontrollmethoden bei niedriger Intensität

Impulsbreitenmodulation Dimmen

PWM (Pulsweitenmodulation) stellt in der Beleuchtungstechnik eine periodische Unterbrechung des Lichtstroms mit ausreichender Frequenz dar, um das Talbot'sche Gesetz anzuwenden, d.h. dass der Mensch nur den Mittelwert der Lichtmenge wahrnimmt. Der Mittelwert lässt sich leicht durch Veränderung des Wechsels verändern. Nach diesem Prinzip können einfache Dimmer oder mehrkanalige Farbmischgeräte gebaut werden. Der Vorteil sind sehr geringe Verluste, da sich die Schalttransistoren entweder im eingeschalteten Zustand (minimale Spannung und voller Strom) oder im ausgeschalteten Zustand (volle Spannung und kein Strom) befinden. Verluste entstehen hauptsächlich bei den Übergängen zwischen diesen Zuständen, weshalb die Hersteller versuchen, niedrigere Frequenzen (einige hundert Hertz) zu verwenden. Ein potenzieller Schwachpunkt sind auch hier die niedrigen Intensitäten, bei denen das Licht in Form kurzer, intensiver Blitze ausgesandt wird. Die Lichtimpulse werden von der Netzhaut erfasst und bis zu einer Frequenz von etwa 4 kHz an den visuellen Kortex des Gehirns weitergeleitet. Bei einigen Netzteilen wird die PWM-Frequenz daher auf 8 kHz bei den niedrigsten Intensitäten erhöht. Der Nachteil der PWM ist die Steilheit der Flanken der Stromwellenform, die einen großen Anteil an harmonischen Komponenten enthält und starke elektromagnetische Störungen verursachen kann. Die Lösung besteht in einer Ausgangsfilterung und einer Verkürzung der Leitungslänge.

PWM-Dimm-Modifikation

Bei mehrkanaligen Stromversorgungen wird manchmal eine PWM mit einer höheren Frequenz für den Warmlichtkanal verwendet, siehe Abbildung 3. Nach der Kruithof-Kurve ist zu erwarten, dass sie bei niedrigeren Intensitäten häufiger verwendet wird. Das Flimmern ist bei direkter Betrachtung im roten Bereich des Spektrums stärker und mit zunehmender Frequenz weniger stark ausgeprägt.

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Abb. 3. Zweikanalige PWM-Dimmung mit verschiedenen Frequenzen (Helvar LL60/2-E-DA-iC)

Stromversorgung durch Schaltwechselrichter

Schaltwandler in der BUCK- (abfallend) oder BOOST-Topologie (ansteigend) werden häufig zur Erregung von LEDs verwendet, z. B. in Tischlampen, die über ein Netzteil betrieben werden. Der Ausgangsstrom hat eine dreieckige Wellenform mit einer großen Gleichstromkomponente. Die Restwelligkeit bei Betriebsfrequenzen im Bereich von zehn bis hundert Kilohertz erzeugt keine sichtbaren Zeitartefakte (siehe Abbildung 4). Obwohl diese Schaltungen nur aus wenigen Bauteilen bestehen, ist der Entwurf äußerst empfindlich gegenüber der Anordnung der Bauteile und ihrer Verbindungen. So kann eine unsachgemäß ausgelegte Schaltung von wenigen Watt eine starke Quelle elektromagnetischer Störungen sein. Die Inverter in den am weitesten verbreiteten Netzspannungs-LED-Glühbirnen funktionieren nach demselben Prinzip; die typische Betriebsfrequenz mehrerer getesteter E27-Sockeltypen lag bei 100 kHz und bei 200 kHz für die miniaturisierte E14-Sockelversion.

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Abb. 4. LED-Strom, der bei Versorgung durch einen Schaltkonverter fließt

Dimmen des Schaltwandlers

Die integrierten Schaltkreise für diese Wandler verfügen in der Regel über einen PWM-Dimm-Eingang (siehe entsprechender Absatz). Darüber hinaus ermöglichen einige das Dimmen mit einer Gleichspannung, die durch Tiefpassfilterung der PWM aus dem Steuerkreis erreicht werden kann, um eine Vermischung zu verhindern. Ungeglättete gleichgerichtete Stromzufuhr

Gleichgerichtete Zweiwege-Spannungen und Vorspannungswiderstände werden häufig in Netzspannungsbändern oder Weihnachtsketten verwendet. In manchen Fällen fehlt der Filterkondensator hinter dem Gleichrichter, hat eine geringe Kapazität oder hat durch den Betrieb seine ursprünglichen Eigenschaften verloren. Das Diodenlicht pulsiert dann mit der doppelten Netzfrequenz, was bei direkter Betrachtung vielleicht nicht sichtbar ist, aber das Flackern ist im peripheren Feld spürbar, siehe Abbildung 5.

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Abb. 5: LED-Stromfluss bei Versorgung mit ungedämpfter Gleichspannung

Ungeglättete Gleichstromversorgung mit Abschnittsumschaltung

Seit den Anfängen der LED-Beleuchtung haben die Hersteller versucht, einen Stromversorgungsschaltkreis zu entwickeln, der ohne Elektrolytkondensatoren (die die Hauptursache für Ausfälle und eine begrenzte Lebensdauer der Elektronik sind) und, wenn möglich, ohne Induktivitäten auskommt. Stellen Sie sich eine Reihe von 100 LEDs mit Vf = 3,2 V in Reihe geschaltet vor. Diese kann über einen kleinen Widerstand an eine gleichgerichtete Netzspannung (umax = 325 V) angeschlossen werden. Bei den Spitzenwerten der gleichgerichteten Spannung leuchten die Dioden mit ihrer vollen Leistung. Wenn die Spannung jedoch abfällt, werden sie schnell erlöschen. Würde man einen Teil der Dioden mit abnehmender Spannung überbrücken, würden die verbleibenden Dioden viel mehr leuchten. Diese Überbrückung von Abschnitten kann mehrmals wiederholt werden, um den Zeitraum zu verlängern, in dem zumindest ein Teil der Dioden leuchtet. Der Höhepunkt der Bemühungen auf diesem Gebiet sind wahrscheinlich die Schaltungen von Seoul Acrich [2], die direkt nach der Gleichrichterbrücke angeschlossen werden und weder einen Elektrolytkondensator noch eine Induktivität zum Betrieb benötigen; siehe Abb. 6 für die Lichtstromkurve.

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Abb. 6: Lichtstromverlauf von Seoul Acrich 2

Erhebung der Feldmischung

Bei der Auswahl einer Lichtquelle mit integriertem Wechselrichter, einer Leuchte oder einer Leistungskomponente ist es ratsam, deren Mischung zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie für die vorgesehene Verwendung akzeptabel ist. Zu diesem Zweck können tragbare Flickermeter oder die Flickermessfunktionen von Handspektrometern verwendet werden. Für indikative Tests hat der Autor einen Mischdetektor mit einer Fotodiode, einem Operationsverstärker und einem kleinen Audioverstärker für einen eingebauten Lautsprecher gebaut, mit dem die Mischung "gehört" werden kann. Damit eröffnete sich eine ganz neue Welt, in der jede Leuchte, jedes Display oder jede Kontrolllampe ihren charakteristischen Klang erzeugt. Wenn man bedenkt, dass das Gehirn diese zeitlichen Veränderungen der Beleuchtung registriert, stellt sich die Frage, was es eigentlich damit macht. Diese Signale sind sehr vielfältig, und leuchtende Objekte, die keinen "Ton" von sich geben, sind erstaunlich selten.

Zwei Mythen über Shuffling

Das Glühlampenlicht flackert angeblich nicht

Die momentane Temperatur des Glühfadens der Glühbirne schwankt leicht mit der doppelten Netzfrequenz, so dass sich sowohl der Lichtstrom als auch die Farbtemperatur mit der Zeit ändern. Der Welligkeitsfaktor (kf) des Glühlampenlichts liegt in der Regel bei etwa 5 %.

Das Licht von Leuchtstofflampen mit elektronischem Vorschaltgerät (EP) soll nicht flackern

Die Betriebsfrequenz des EP in der Größenordnung von einigen zehn Kilohertz lässt vermuten, dass zeitliche Veränderungen des Lichtstroms vom menschlichen Auge nicht registriert werden können. Der Ausgang des Vorschaltgeräts wird jedoch von einer Gleichrichter- oder Blindleistungskompensationsschaltung gespeist, deren Ausgang im Rhythmus der Netzspannung wellig sein kann. Diese Welligkeit nimmt mit der Alterung der Filterkondensatoren im Netzteil des Vorschaltgeräts zu, und in der Praxis sind Werte des Lichtwelligkeitsfaktors von über 5 % gemessen worden.

Literatur:

[1] Helvar LED Luminaire Solutions [online] [zit. 2018-11-06]. Verfügbar unter: https://goo.gl/7W6bWc.

[2] Seoul Acrich [online]. [zitiert am 2018-11-06].

Author.
Antonín Fuksa, NASLI & Blue step Veröffentlicht in Světlo 1/2019