Dimmverfahren (Phasenanschnitt, Phasenabschnitt, PWM)

Wie wird eigentlich gedimmt — und warum flackert eine LED-Leuchte an einem Dimmer, an dem die Halogenlampe davor tadellos lief?

Zwischen dem Wunsch „halb so hell" und der Leuchte liegen zwei verschiedene Fragen. Die eine ist, wie der Wunsch überhaupt zur Leuchte kommt — über eine Steuerspannung, über einen Lichtbus, über ein Funksignal. Die andere ist, was dort physikalisch mit dem Strom geschieht, damit weniger Licht herauskommt. Diese Seite behandelt die zweite. Dafür gibt es genau zwei Orte im Signalweg: vor der Leuchte, wo ein Dimmer die Netzspannung beschneidet, und in ihr, wo das Betriebsgerät den Strom für die LED selbst regelt.

Es gibt zwei Arten, eine Lampe dunkler zu machen. Die eine sitzt in der Wand: Der Dimmer schneidet aus dem Wechselstrom, der aus der Steckdose kommt, ein Stück heraus — es kommt weniger an, es wird dunkler. Die andere sitzt in der Leuchte selbst: Dort schaltet ein kleines Bauteil die LEDs viele hundert Mal je Sekunde an und aus. Für Dein Auge ist das eine gleichmäßige, gedämpfte Helligkeit. Die erste Art wurde vor sechzig Jahren für Glühlampen erfunden, und daher kommt fast jedes Problem, das man heute mit gedimmten LEDs hat: Die Lampe in der Fassung ist neu, der Dimmer in der Wand denkt noch in Glühfäden.

Ausführliche Erklärung

Netzseitig: Phasenanschnitt und Phasenabschnitt

Wechselspannung ist eine Welle, die hundertmal je Sekunde durch null geht. Ein Dimmer nutzt das aus: Er lässt nur einen Teil jeder Halbwelle durch und sperrt den Rest. Je größer der weggeschnittene Anteil, desto kleiner die wirksame Spannung an der Leuchte.

Beim Phasenanschnitt wird der vordere Teil weggenommen: Der Dimmer sperrt nach dem Nulldurchgang und schaltet erst später ein. Diese Bauart ist die ältere; ihr Schaltbauteil ist meist ein TRIAC, und in Datenblättern steht sie als leading edge, als INC oder als Bauart für Glüh- und Halogenlampen. Dieselbe Arbeitsweise benutzen Dimmer für magnetische Transformatoren, ergänzt um Elektronik, die verhindert, dass Gleichanteile den Transformator überhitzen.

Beim Phasenabschnitt ist es umgekehrt: Der Dimmer schaltet im Nulldurchgang ein und vor dem Ende der Halbwelle wieder ab. Diese Bauart kam für elektronische Transformatoren auf und heißt trailing edge oder ELV. Sie schaltet sanfter, erzeugt weniger Störungen auf der Leitung und kommt mit elektronischen Lasten in der Regel besser zurecht.

Ein Punkt entscheidet in der Praxis mehr als alles andere: Viele Dimmer haben nur zwei Anschlüsse und keinen Neutralleiter. Sie sitzen damit in Reihe zur Leuchte und müssen ihren eigenen Betriebsstrom durch die Last ziehen — auch im ausgeschalteten Zustand, wenn sie eine Anzeige, eine Funkschnittstelle oder eine Nachtbeleuchtung versorgen. Bei einer Glühlampe ist das unauffällig: Der Faden glüht von diesem winzigen Strom nicht. Ein LED-Betriebsgerät reagiert darauf empfindlicher, und genau daraus entstehen die typischen Erscheinungen.

Warum LED und Anschnittdimmer sich streiten

Eine Glühlampe verhält sich elektrisch wie ein Widerstand: Strom und Spannung laufen im Gleichtakt, und wer die wirksame Spannung halbiert, bekommt vorhersagbar weniger Leistung. Ein LED-Betriebsgerät ist dagegen ein Umformer. Es zieht seinen Strom in kurzen, hohen Spitzen — nach den Messungen des amerikanischen Energieministeriums üblicherweise das Fünf- bis Zehnfache des Effektivstroms, bei manchen Produkten deutlich mehr.

Daraus folgen drei Dinge, die auf keinem Dimmer aufgedruckt sind.

Die Leistungsangabe stimmt nicht mehr. Ein Dimmer ist auf eine Höchstlast geprüft, und diese Prüfung ging von glühlampenartigen Strömen aus. Die Spitzen eines LED-Betriebsgeräts belasten die Bauteile stärker, als seine Wattzahl vermuten lässt. Hersteller stufen ihre Geräte für LED-Last deshalb herab, im beobachteten Markt um etwa das Drei- bis Vierfache. Wer die aufgedruckte Wattzahl durch die Leuchtenleistung teilt, rechnet sich also eine Zahl aus, die nicht gilt.

Es gibt eine untere Grenze. Ein Dimmer braucht einen Mindeststrom, um überhaupt sauber zu arbeiten. Zwei kleine LED-Leuchten an einem Dimmer, der für ein Dutzend Glühlampen ausgelegt war, unterschreiten sie leicht — und dann arbeitet er unzuverlässig, obwohl er weit unter seiner Höchstlast liegt.

Der Aus-Zustand ist kein Aus. Fließt durch das Betriebsgerät der Reststrom des Dimmers, kann es anfangen zu arbeiten und wieder abbrechen — das sichtbare Ergebnis ist Blitzen oder ein schwaches Dauerglimmen. Für ein Schlafzimmer ist das ärgerlich, für einen Kinoraum ist es das Ende der Bildqualität.

Die verbreiteten Fehlerbilder sind damit erklärt: Die Leuchte startet gar nicht, sie dimmt nicht, sie springt statt weich zu regeln, sie geht viel früher aus als eine Halogenlampe, sie verschiebt ihre Farbe beim Herunterregeln, sie flackert, oder Dimmer und Leuchte brummen hörbar.

Eine Antwort der Branche darauf ist die NEMA-Festlegung SSL-7A von 2013. Sie schreibt Entwurfsanforderungen für Phasenanschnittdimmer mit zwei Anschlüssen und für LED-Lichteinheiten fest und unterscheidet zwei Typen, damit man am Datenblatt sieht, was zueinander passt. Ihre wichtigste Einschränkung steht in ihr selbst: Sie sagt nichts darüber aus, wie sich ein konformes Gerät mit einem nicht konformen Bestandsgerät verträgt. Für einen Altbau, in dem der Dimmer bleibt, hilft sie also nicht.

Im Betriebsgerät: Pulsweitenmodulation

Die zweite Stelle liegt hinter dem Netzteil. Damit eine LED heller oder dunkler wird, kann man ihren Strom absenken — das ändert allerdings die Farbe. Deshalb ist das verbreitetere Verfahren die Pulsweitenmodulation: Der volle Strom wird sehr schnell ein- und ausgeschaltet, geregelt wird allein das Verhältnis von An zu Aus. Wie dieses Verfahren im Allgemeinen arbeitet, steht bei der Pulsweitenmodulation. Für die Beleuchtung zählt davon vor allem eine Eigenschaft: Die Farbe bleibt stabil, weil die LED immer mit demselben Strom arbeitet, nur eben kürzer.

Der Haken ist die Taktfrequenz. Eine LED folgt dem Strom praktisch verzögerungsfrei — sie hat keine glühende Masse, die nachleuchtet. Das Licht wird also wirklich hundertprozentig an- und ausgeschaltet, und ob das jemand merkt, hängt allein davon ab, wie schnell getaktet wird. Das amerikanische Energieministerium ordnet das so ein: Unterhalb von etwa 80 Hz sieht man das Flackern direkt. Zwischen etwa 80 und 1000 Hz sieht man es nicht mehr als Flackern, aber bewegte Gegenstände zerfallen in Einzelbilder — der stroboskopische Effekt. Ab etwa 500 Hz kommt hinzu, dass eine schnelle Augenbewegung eine Lichtquelle als Punktkette wahrnimmt. Die Empfehlung lautet deshalb, entweder weit oberhalb dieser Bereiche zu takten — genannt werden Werte über 12.000 Hz — oder Verfahren ohne tiefe Modulation zu benutzen.

Für Heimkino und Mediaräume ist das keine Randnotiz. Ein getaktetes Licht, das im Wohnzimmer niemandem auffällt, wird sichtbar, sobald eine Kamera mitläuft, und es wird unangenehm, sobald jemand über Stunden darunter sitzt. Die Taktfrequenz steht selten im Datenblatt — sie ist eine Frage an den Hersteller.

Häufiges Missverständnis

„Dimmbar steht drauf, also passt es." Die Angabe beschreibt eine Fähigkeit des Betriebsgeräts und keine Zusage über die Kombination. Zwischen einem dimmbaren Leuchtmittel und einer Anlage, die weich von hundert auf ein Prozent herunterfährt, liegt die Frage, ob dieses Betriebsgerät mit genau diesem Dimmer zurechtkommt. Beantworten kann das keine der beiden Seiten allein — deshalb veröffentlichen ernsthafte Hersteller Verträglichkeitslisten, und deshalb ist ein Aufbau mit den tatsächlichen Geräten vor der Bestellung die einzige belastbare Auskunft.

Zweitens wird der Sollwertweg mit dem Dimmverfahren verwechselt. Eine 0-10-V-Leitung, ein DALI-Bus oder ein Lichtprotokoll sagen nur, wie hell es werden soll; ob die Leuchte diesen Wunsch dann durch Takten oder durch Absenken des Stroms umsetzt, ist eine getrennte Entscheidung im Betriebsgerät. Zwei Leuchten am selben Bus können also verschieden flackern, obwohl sie denselben Befehl bekommen.

Und drittens die Erwartung, das Herunterregeln reiche bis null. Kaum ein Verfahren fährt bis zur völligen Dunkelheit. Wo es wirklich dunkel werden muss, gehört ein schaltendes Bauteil dazu, das die Zuleitung trennt — bei der analogen Steuerspannung ist das dieselbe Falle, und sie kostet dort wie hier den ersten Filmabend.

Nicht zu verwechseln mit

0-10-V- und 1-10-V-Steuerung: ein Sollwert auf einer eigenen Leitung. Sie sagt, wie hell, und nicht, wie gedimmt wird.
DALI: digitale Lichtsteuerung mit Adressen und Rückmeldung. Auch sie überträgt einen Sollwert; das Verfahren dahinter bestimmt weiterhin das Betriebsgerät.
Dimmkurve: der Zusammenhang zwischen Stellwert und wahrgenommener Helligkeit. Sie beschreibt die Kennlinie, nicht die Technik dahinter.
Amplitudendimmung: das Absenken des LED-Stroms statt des Taktens. Sie flackert nicht, verschiebt dafür die Farbe zum warmen Ende hin oder auch nicht — je nach Bauart der LED.

Aus der Praxis

Ein Kinoraum bekommt eine Deckenvoute, Stufenbeleuchtung und zwei Wandleuchten. Bevor Dimmer und Leuchten ausgesucht werden, steht eine Frage, die den Rest bestimmt: Wie tief muss es herunterregeln, und muss es am Ende wirklich schwarz sein?

Für einen Wohnraum reicht ein Regelbereich bis etwa zehn Prozent, und netzseitiges Dimmen mit Phasenabschnitt ist dort eine solide und günstige Wahl. Ein dedizierter Kinoraum verlangt mehr: Dort soll die Stufenbeleuchtung während des Films sichtbar bleiben, ohne die Leinwand aufzuhellen, und das heißt Regelbereich bis in die einstelligen Prozente und ein Restleuchten von exakt null. Diese Anforderung führt weg vom Dimmer in der Wand und hin zu Betriebsgeräten mit eigener Regelung, die über einen Bus einen Sollwert bekommen — und zu einem schaltenden Bauteil, das den Kreis wirklich trennt.

Die Gerätewahl steht am Schluss, und für sie gilt eine einfache Regel: Dimmer und Leuchte werden als Paar bestellt und vorher zusammen ausprobiert, mit der kleinsten und der größten Bestückung, die der Kreis später haben kann. Der DOE-Bericht empfiehlt genau das, und der Grund ist nicht Vorsicht, sondern Erfahrung: Beide Seiten ändern sich mit jeder Gerätegeneration, und eine Kombination, die vor zwei Jahren funktionierte, ist keine Aussage über die von heute.

Verknüpfte Inhalte

Wie der Sollwert über eine eigene Leitung zur Leuchte kommt und warum zwei Geräte mit derselben Angabe trotzdem nicht zusammenpassen, steht bei der 0-10-V- und 1-10-V-Steuerung; der digitale Weg mit Adressen und Rückmeldung ist DALI. Das Taktverfahren selbst — Tastverhältnis, Mittelwertbildung, wo sonst noch damit gearbeitet wird — behandelt der Eintrag zur Pulsweitenmodulation. Warum ein Dimmkreis zusätzlich ein schaltendes Bauteil im Verteiler braucht, klärt der Eintrag zu Aktor und Sensor. Wie gedimmtes Licht auf die Bildwahrnehmung wirkt, behandelt der Eintrag zum Bias Light.

Quellen

Arbeitsweise und Herkunft der beiden netzseitigen Verfahren, die Bauform mit zwei Anschlüssen, die Stromspitzen von LED-Betriebsgeräten, die Herabstufung der zulässigen Last, die Fehlerbilder und die Beschreibung der NEMA-Festlegung SSL-7A stammen aus dem Bericht PNNL-22945 des Pacific Northwest National Laboratory für das Solid-State-Lighting-Programm des amerikanischen Energieministeriums. Die Frequenzbereiche für direktes Flackern, stroboskopischen Effekt und Phantomarray sowie die Empfehlung zur Taktfrequenz stammen aus der Flicker-Forschung desselben Programms.