Wie funktioniert ein Dimmer?

Das Thema "Dimmen von LED Lampen und LED Streifen" wird oft bei uns nachgefragt. Deshalb wollen wir in diesem Artikel etwas näher darauf eingehen. Was wir vermeiden wollen ist, dass es zu technisch wird. Für diejenigen unter euch, die tieferes elektronisches Hintergrundwissen erwerben wollen empfehlen wir folgende Webseiten:

Elektronik Praxis

Dimmer - Wikipedia

 

Ein Auszug unserer Produktauswahl folgt unter diesem Artikel.

Dimmen von LEDs

Welche Arten zu Dimmen gibt es?

Die Dimmtechnik richtete sich an, mit Wechelstrom/-spannung (AC) betriebene

  • ohmsche (R - Widerstand) Verbraucher
  • induktive (L - Spule) Verbraucher
  • kapazitive (C - Kondensator) Verbraucher

Die LED dagegen ist ein mit Gleichtstrom/-spannung (DC) betriebenes Halbleiterelement. Zum Dimmen von LEDs nutzt man daher Signale vorhandener Dimmer, um mit elektronischen Schaltungen die nicht lineare Strom-Spannungskennlinie anzupassen. 

Für das Dimmen gibt es verschiedene Arten und Möglichkeiten:

Spannungsregelung über einen veränderbaren Widerstand

Hierbei wird einfach ein regelbarer Lastwiderstand (Vorwiderstand) mit dem Leuchtmittel in Reihe geschaltet. Auf diese Weise ließe sich die Helligkeit tatsächlich stufenlos von 0 bis 100 Prozent regeln. Je mehr Spannung am Widerstand abfällt, desto mehr würde gedimmt. Dennoch wäre dieses Prinzip für die Praxis vollkommen ungeeignet, denn es hat einen großen Nachteil. Der regelbare Widerstand würde sich im Betrieb sehr stark erhitzen und könnte einschließlich der nötigen Maßnahmen zur Ableitung eben dieser Hitze niemals in das übliche Format eines Dimmers eingegliedert werden. Außerdem wäre diese Methode die glatte Energieverschwendung, denn die unnütz von dem Dimmer erzeugte Wärme würde im wahrsten Sinne des Wortes "verbraten" und müsste entsprechend mit der Stromrechnung bezahlt werden.

Dimmen mit Pulsen bzw. mit Schwingungspaketen

Um den oben genannten Nachteil des hohen Energieverbrauches von Vorwiderständen zu umgehen, werden beim DImmen mit Pulsen nicht alle Sinusschwingungen des Wechselstromes zur Leuchte geführt. Dadurch erhält man die reine Sinusschwingung und würde Energie einsparen und dimmen, da nicht mehr die gesamte elektrische Energie zur Lampe gelangt. Der Nachteil an dieser Methode ist, dass durch das ständige Aufheizen und Abkühlen des Glühfadens, ein Flackern hervorgerufen wird und so keinerlei feines Dimmen möglich ist.

Dimmen mit Phasen-Anschnittsteuerung

Beim Prinzip der Phasen-Anschnittssteuerung ist jede Sinus Halbwelle (positiv und negativ) am Anfang angeschnitten, sodass nur der hintere Teil der Welle energetisch genutzt wird. Der Stromfluss wird also durch einen sogenannten Triac (Antiparalleschaltung zweier Thyristoren) gesteuert. Der Dimmer beziehungsweise der Triac sperrt den Stromfluss zur Lampe so lange, bis er einen Zündimpuls erhält. Ab diesem Zeitpunkt (dieser „Phase“ des Wechselstromsignals) wird der Verbraucher bis zum nächsten Nulldurchgang mit Energie versorgt. Je später der Triac gezündet wird, desto geringer ist die mittlere Leistung. Der Phasenanschnittsdimmer ist, dank seiner äußerst geringen Verlustleistung, die meist genutzte Dimmerschaltung. Diese Art von Schaltung ist nicht für kapazitive (C) Lasten zu gebrauchen, da hier wegen des plötzlichen Spannungsanstiegs, ein extrem hoher Strom fließen würde.

Dimmen mit Phasen-Abschnittsteuerung

Bei der Phasen-Abschnittssteuerung es sich umgekehrt zur Anschnittsteuerung. Der Strom wird nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung sofort eingeschaltet. Sobald die erforderliche Leistung erreicht ist, wird die Sinuswelle abgeschnitten und der Stromfluss so unterbrochen. Diese Art von Schaltung ist, aufgrund der Spannungsspitze beim Abschalten des Stromes, nicht für induktive (L) Lasten zu gebrauchen. 

Dimmen mit Phasen-Anschnitt- und Abschnittsteuerung

Dieses Prinzip stellt eine Kombination aus den beiden vorangegangenen Methoden dar. Aufgrund von höherer Verlustleistung und der nicht vorhandenen Möglichkeit sowohl induktive als auch kapazitive Lasten zu schalten, wird diese Steuerung in der Praxis nicht eingesetzt.

Dimmen mit IPS

Hier wird das Prinzip der Phasenanschnitt und –abschnittsteuerung in Kombination angewendet. Der Begriff "IPS" wurde durch den Hersteller geprägt. Das Ein- bzw. Ausschalten erfolgt, im Gegensatz zur ursprünglichen Phasenan- und abschnittssterung, nicht mehr abrupt, sondern über einen IGBT (Isolatet Gate Bipolar Transistor). Dieser erzeugt eine langsam ansteigende oder abfallende Rampe. Ausführungen dieses Universaldimmers gibt es sowohl als Phasenanschnittsteuerung als auch Phasenabschnittsteuerung.

Dimmen mit Puls-Breiten-Modulation (PWM)

Bei der Puls Wide Modulation, auf Deutsch Puls-Breiten-Modulation, kurz PWM, wird die Stromquelle über ein PWM-Signal mit niedriger Frequenz ein- und ausgeschaltet. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der LED-Treiber nicht unverzüglich schalten kann, was zwei Folgen hat. Beim Einschalten entsteht eine gewisse Reaktionszeit, bis der Ausgangsstrom anliegt, und beim Ausschalten ergibt sich eine Verzögerung, da die Ausgangskapazitäten noch über den LED-Kreis entladen werden müssen. Mit Hilfe des PWM-Prinzips ist man in der Lage die Lastarten R, und L in der Leistung zu steuern. Hier wird mit dem Sinusverlauf gewährleistet, dass der Stromfluss entsprechend der Sinusform sanft zu und abnimmt und so harmonische Oberwellen eliminiert werden. Auf diese Weise werden die Leuchtmittel ganz besonders geschont. Leider besteht bei diesem Prinzip der Nachteil, das es beim Dimmen von LEDs zu einem hochfrequenten Flimmern kommen kann. Dieses kann zu Interferenzen mit anderen diskontinuierlichen Lichtquellen, wie TV oder Computermonitor, führen und stroboskopische Effekte hervorrufen. Zudem besteht dadurch die Gefahr epileptischer Anfälle und Kopfschmerzen.

Dimmen mit 0-10 Volt Steuersystem

Diese Systeme beruhen auf einem bewährten Industriestandard für elektronische Vorschaltgeräte nach IEC 60929. Sie werden zwar überwiegend im Energiemanagement, z.B. zusammen mit Bewegungs- oder Tageslichtsensoren eingesetzt, eignen sich jedoch auch dafür, LEDs zu steuern. Die 0-10-Volt-Controller sind von stromführenden Kabeln isoliert und können deshalb ohne Gefahr berührt und einfach verkabelt werden.

Dimmen mit DALI System

Das Digital-Adressable-Lighting-Interface-Protokoll wurde ursprünglich in Europa entwickelt, ist jedoch inzwischen weltweit verbreitet. Da es das digitale Steuern einzelner Leuchtkörper und somit einen hohen Feinheitsgrad bei der Steuerung erlaubt, kommt es oft in kommerziell genutzten Gebäuden oder wohlhabenderen Privathaushalten zum Einsatz. Um LEDs mit DALI zu steuern, benötigt man LED Treiber bzw. Vorschaltgeräte, die diese Technik verarbeiten können.

Dimmen mit DMX Steuergerät

Mit DMX Steuergeräten kann man 512 verschiedene Funktionen steuern. Die Funktionen der DMX Steuerung liegen auf Kanälen, wie Helligkeit (Dimmer), Farbe oder Leuchtrichtung (Pan und Tilt). Das Signal eignet sich vor allem dazu, RGB-LED-Anwendungen zu steuern und zu dimmen, da diese von hoher Geschwindigkeit und Kanal-Anzahl profitieren.

Dimmen mit KNX

KNX ist ein Bussystem zur Gebäudeautomation und dient dazu verschiedenste elektronische Verbraucher intelligent zu vernetzen. Mittels KNX lassen sich Beleuchtung, Beschattung, Heizung, Klima, Lüftung, Alarm, Information, Fernzugriff, eine zentrale Haussteuerung uvm. integriert zusammenschalten. Beispiel: Statt mit einem Lichtschalter wird der Anschalt-Befehl für eine Beleuchtung kumulativ über Sensoren gegeben. Ein Lichtsensor misst bei Abenddämmerung, dass die Lichtintensität im Raum abnimmt. Daher erteilt er den Befehl an die Deckenbeleuchtung zum Einschalten. Ebenso könnte er die Deckenleuchten kontinuierlich heller werden lassen. Wenn die Sonne vollständig untergegangen ist, leuchtet die Leuchte mit maximaler Helligkeit. Mit dieser kontinuierlichen Dimmung würde das Zimmer konstant hell gehalten. Befänden sich mehrere Deckenleuchten im Raum, so können verschiedene Beleuchtungsszenarien programmiert werden, sofern jede einzelne Deckenleuchte separat über Aktoren angeschlossen wurde.

 

Wie werden LEDs gedimmt?

Um die Helligkeit einer LED kontrolliert zu steuern, muss sich die Veränderung des Stroms exakt an der nicht linearen Strom-Spannungs-Kennlinie der Leuchtdiode orientieren. Die LED ist eine Diode und reagiert bei steigender Versorgungsspannung zunächst nur minimal oder überhaupt nicht. Erst beim Erreichen der Durchlass-Spannung steigt der Strom und damit die Lichtausbeute steil an. Eine Dimmung analog der Glühbirne müsste deshalb eine ganz andere Wechselbeziehung aus Eingangsgröße (Stellung des Regelpotenziometers) und Ausgangsgröße (Lichtleistung der LED) zur Folge haben.

In der Praxis wird die Helligkeit von LED-Beleuchtungen daher meist nicht direkt über die beschriebenen Dimmverfahren gesteuert. Stattdessen wird in modernen dimmfähigen LED-Stromversorgungen das Signal einer Phasenanschnittsteuerung mithilfe einer Auswerteschaltung in einen Steuerstrom umgesetzt, dessen Höhe die Helligkeit der LED bestimmt. Dieser Gleichstrom ist zeitlich konstant und von der Netzfrequenz entkoppelt, deshalb kann eine Welligkeit der Lichtintensität erst gar nicht entstehen. Dieses Funktionsprinzip gilt sinngemäß auch für die Puls-Breiten-Modulation (PWM).

Folgendes ist in Verbindung mit dem Dimmen von LEDs zu beachten:

  • Gleichstromdimmung ändert die Lichtfarbe der LED – d.h. die Lichtfarbe wird im Farbdreieck häufig ins rötliche verschoben
  • Dimmen verbessert den LED Wirkungsgrad – da die Sperrschichttemperatur aufgrund geringeren Stromflusses sinkt erhöht sich der Wirkungsgrad
  • Dimmen verbessert die Lebensdauer der LED – wegen des Betriebes bei niedrigerer Temperatur erhöht sich die Lebensdauer der LED

 

In welchem Dimmbereich sollte eine Leuchte arbeiten?

Eine Glühlampe lässt sich unter eine Lichtstärke von einem Prozent wahrgenommenen Lichts dimmen. Das ist gerade so viel, dass der orange glühende Draht im Leuchtkörper mit bloßem Auge wahrnehmbar wird. LED-Lampen erreichen dagegen unterschiedliche Lichtstärken: Eine LED Lampe kann sich beispielsweise auf ca. 50 Prozent wahrgenommenen Lichts dimmen lassen, eine andere hingegen auf 10 Prozent. Folglich eignet sich nicht jede LED für jeden Einsatzbereich.

Bei der Auswahl der LED sollte beachtet werden, dass die LED-Hersteller die Dimmbereiche ihrer Produkte in der Regel nicht in Lichtstärken wahrgenommenen Lichts ausweisen, sondern in Stärken des gemessenen Lichtes. Das ist wichtig zu wissen, denn das menschliche Auge funktioniert logarithmisch. Das liegt daran, dass der Mensch einerseits mit sehr hellem Licht umgehen können muss, wie es beispielsweise an einem sonnigen Sommertag ist. Hier sind wir schnell bei 100.000 lux. Andererseits ist es uns möglich noch bei Mondschein zu sehen, dies entspricht etwa 0,25 lx.

Deshalb nehmen wir Leuchtkörper meist heller wahr, als die Packungsbeschriftung vermuten lässt. Gemessenes Licht von 20 Prozent entspricht beispielsweise 45 Prozent wahrnehmbarer Lichtstärke. Um Fehlkäufe zu vermeiden, könnte folgende Formel helfen: Die wahrgenommene Lichtstärke eines Leuchtkörpers ist gleich der Quadratwurzel seiner gemessenen Lichtstärke: Beispiel √0,2 = 0,45.

 

Dimmen von warmweißen, kaltweißen und RGB oder RGBW LED Streifen

Um die LED Streifen von LED Universum zu dimmen bieten wir eine Reihe von Infrarot und Funkcontrollern an, die Du bequem mit einer LED Fernbedienung oder per Handy App steuern kannst. Solltest Du unsere LED Streifen in komplexere Steuerung wie DALI, DMX oder KNX integrieren wollen, wende Dich sich bitte an unseren technischen Kundendienst.

 

Was ist bei 230V Dimmern zu beachten:

Nicht alle Leuchtmittel können mit jedem Dimmer gesteuert werden. Beim Kauf sollte auf folgende Punkte geachtet werden, um die größtmögliche Kompatibilität zu gewährleisten.

Arbeitsbereich:

Viele Dimmer funktionieren in einem bestimmten Arbeitsbereich, welcher entsprechend angegeben ist. Für den Arbeitsbereich gibt es zwei Angaben:

1. Dimmbereich:

Dieser wird oft in Prozent als Bereich angegeben. Z.B. 0% - 100%. Dies bedeutet, dass ein angeschlossenes Leuchtmittel von 100% maximaler Helligkeit aus auf bis zu 0% Helligkeit heruntergedimmt werden kann. Diese Angabe ist nur in Verbindung mit der Wattage aussagekräftig.

2. Wattage:

Die Wattage sagt aus, welche Leistung über einen Dimmer laufen kann. Es werden ebenfalls meist zwei Werte angegeben. Eine maximale Leistung sowie eine minimale Leistung. Z.B. 50W - 300W. Die maximale Leistung gibt an, wieviel Watt maximal über den Dimmer laufen können. Die addierte Gesamtleistung aller Leuchtmittel, die über einen Dimmer gesteuert wird, sollte die Maximalleistung nicht überschreiten. Die Minimalleistung gibt an, bis auf welche Wattage der Dimmer herunter dimmbar ist. Bei einem Dimmbereich von 50W - 300W können demnach Leuchtmittel mit maximal 300W Gesamtleistung angeschlossen werden, welche bis auf 50W herunter gedimmt werden können. Zur Steuerung von LED Leuchtmitteln empfiehlt es sich stets, einen Dimmer mit einer Mindestleistung von 0W auszuwählen, um sicher zu gehen, dass die Leuchtmittel tatsächlich bis auf den angegebenen Dimbereich von 0% gedimmt werden können.

AUS-Stellung:

LEDs wandeln mit Hilfe eines Halbleitermaterials Strom in Licht um. Diese Methode der Lichterzeugung ist sehr effizient und sorgt dafür, dass selbst geringe Ströme ausreichen, LEDs zum Leuchten zu bringen. Daher ist es empfehlenswert, für LED Leuchtmittel ausschließlich Dimmer zu verwenden, die über eine richtige Ausstellung verfügen und so das Leuchtmittel komplett von der Leitung trennen. Bei Dimmern, welche auf 0% herunterdimmen und ohne zusätzliche Aus-Position ausgestattet sind, erfolgt die Ausschaltung durch ein elektronisches Bauteil. Dieses sperrt die Leitung jedoch nicht komplett sondern lässt immer noch geringe Kriechströme passieren. Diese geringen Ströme sorgen dafür, dass das LED Leuchtmittel nach wie vor leicht glimmt. Das Glimmen ist meist nicht sichtbar, solange es noch etwas Umgebungslicht durch andere Lichtquellen oder normales Tageslicht gibt, es wird jedoch Nachts erkennbar.

 

Art der Dimmung:

Bei Wechselstromdimmern gibt es drei weitverbreitete Möglichkeiten, ein Leuchtmittel zu dimmen:

  • Phasenabschnittsdimmung
  • Phasenanschnittsdimmung 
  • Dimmen mit Pulsen

Diese Dimmvarianten werden unter dem englischen Begriff TRIAC zusammengefasst. Die meisten handelsüblichen Dimmer (z.B. von Gira, Siemens, Busch-Jäger, Eltako, ELV oder Mertens) können alle drei Dimmvarianten realisieren. Bei Kauf sollte darauf geachtet werden, dass Leuchtmittel und Dimmer mindestens ein gleiches Dimmverfahren verarbeiten können.

Hinweis: Für Gleichstrom-Leuchtmittel werden durch andere Verfahren wie z.B. die Pulsweitenmodulation (PWM) gedimmt.

Effekte beim Dimmen:

Ob ein Leuchtmittel und ein Dimmer letztendlich komplatibel sind und gute Dimmergebnisse erzielt werden, kann trotz Vergleich der Spezifikationen von Dimmer und LED Leuchtmittel nicht 100% exakt bestimmt werden. Oftmals müssen Dimmer und Leuchtmittel miteinander ausprobiert werden. Es können folgende Phänomene beim Betrieb eines LED-Leuchtmittels mit einem Dimmer auftreten:

  • LED Leuchtmittel flackert beim Dimmen (Aliasing-Effekt):

Beim Herunterdimmen werden wird die Sinuskurve des Wechselstromes verändert. Diese Veränderung erzeugt in kurzen Momenten einen Betriebszustand, der von der Elektronik des LED-Leuchtmittels nicht verarbeitet werden kann. Dies führt zum Flackern. NAch Einstellung des gewünschtne Dimmwertes leuchtet das LED Leuchtmittel kostant auf der gewünschtne Helligkeitsstufe.

  • Ab einer bestimmten Dimmstufe flackert das LED Leuchtmittel bzw. geht ganz aus:

Dimmer und Leuchtmittel sind nicht komplett komplatibel. Der Dimmer kann in einen Bereich hineindimmen, den das Leuchtmittel nicht verarbeiten kann. Dies kann zu Beispiel durch nicht kompatible Dimmmethoden verursacht werden oder durch ein zu weites Herabdimmen. Dies tritt auf, wenn das Leuchtmittel nicht bis auf 0% herabgedimmt werden kann. Eine weitere Ursache kann in Modifikation der Sinuskurve liegen. Bei der Phasenabschnittsdimmung wird ein Teil der Sinuskurve "weggeschnitten". Durch diese gezielte Stromunterbrechung reduziert sich durchschnittliche Stromversorgung des Leuchtmittels. Das Leuchtmittel kann anfangen zu flackern, wenn der "abgeschnittene" Bereich zu groß wird.

  • Dimmung verläuft nicht konstant
    Die Dimmkurve von Dimmern können unterschiedlich verlaufen. Je nach Konstruktion kann diese Linear abnehmen oder in einer Parabelfunktion. Dies hat den Effekt, dass die Helligkeit des Leuchtmittels je nach Dimmstellung unterschiedlich schnell reguliert wird. Bei einem 100% kompatiblen Dimmer wird die Helligkeit gleichmäßig eingestellt.
  • LED glimmt trotz Ausschalten:
    Der Dimmer schaltet in den Betriebszustand "Aus" durch ein elektronisches Bauteil. Dieses Bauteilt trennt die Leitung nicht komplett sondern lässt noch eine kleine Steuerspannung passieren und versetzt das Leuchtmittel in einen Standby-Modus. Bei herkömmlichen Leuchtmitteln sind diese Kriechströme zu gering, um das Leuchtmittel zu zum Leuchten zu bringen. LED-Leuchtmittel können diese Ströme jedoch verarbeiten und es entsteht ein leichtes Glimmen. Dieses kann nur durch Verwendung eines Dimmers mit kompletter Stromabschaltung z.B. durch einen Kippschalter, abgestellt werden.
  • Das Leuchtmittel ist ausgeschaltet, dennoch blitzt es regelmäßigen auf:
    Bei Leuchtmiteln, welche über einen LED-Treiber oder ein LED Netzteil betrieben werden (z.B. LED-Panels oder LED-Einbaustrahler, Bodeneinbaustrahler, Unterputzleuchten) kann es vorkommen ,dass diese bei Herabdimmen auf 0% und damit "Ausschalten", in regelmäßigen Abständen aufblitzen. Dies wird durch den Dimmer verusacht. Der Dimmer schaltet in den Betriebszustand "Aus" durch ein elektronisches Bauteil. Dieses Bauteilt trennt die Leitung nicht komplett sondern lässt noch eine kleine Steuerspannung passieren und versetzt das Leuchtmittel in einen Standby-Modus.Wenn das Leuchtmittel über ein Netzteil (bzw. Trafo) verfügt, lädt der Kriechstrom die im Netzteil verbauten Kondensatoren kontinuierlich auf. Sobald ausreichend Energie in den Kondensatoren gesammelt wurde wird die im Netzteil nachgelagerte Elektronik mit Energie versorgt und diese das Leuchtmittel weitergegeben, welches daraufhin entsprechend leuchtet. Aufgrund dessen, dass die Energie durch das Leuchtmittel schnell aufgebraucht ist, schaltet sich das Leuchtmittel nach Verbrauch wieder ab.

Dieser Effekt kann auch bei Wechselschaltern oder Lichtschaltern mit Indikator-LED auftreten, welche im ausgeschalteten Zustand leuchten um die Position des Lichtschalters anzuzeigen.

(Quellen: Wikipedia, Lichttechnik von Herbert Bernstädt, Elektronik Praxis, LED Universum)

Das Leuchtmittel ist ausgeschaltet, dennoch blitzt es regelmäßigen auf

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