Dimmen und Steuern von LED Beleuchtungen

Allgemeine Informationen zu Steuerung von LED

 

LED Controller werden zur Steuerung von LEDs eingesetzt um in der Regel die Helligkeit zu verringern resp. zu erhöhen (Dimmen), Farben- oder Farbtemperaturen (z.B von Warmweiss zu Kaltweiss) einzustellen oder in Kombination, um Lichteffekte wie Strobo-Effekt, Lauflicht etc. zu realisieren.

Im Gegensatz zu klassischen Leuchtmitteln wie z.B Glühbirnen sind LEDs (Light Emitting Diodes) gar nicht so einfach zu dimmen. LEDs sind im Grunde genommen Halbleiter, bei denen das verwendete Halbleitermaterial (Beschichtung) über die Farbe entscheidet und können im Gegensatz zu beispielsweise Glühbirnen nicht einfach über das Einstellen der Spannung gedimmt werden.

Eine LED, also eine Diode benötigt erstmal eine gewisse Flussspannung damit sie anfängt zu leuchten (je nach Lichtfarbe, von Infrarot bei 1.2V bis 4V für Ultraviolett). Unter diesem Schwellwert ist der fliessende Strom zu gering und die Diode leuchtet nicht. Wir der Schwellwert überschritten, fängt die Diode an zu Leuchten, wobei hier dann aufgepasst und der maximale Stromfluss begrenzt werden muss, da dieser abhängig von der anliegenden Spannung nicht linear, sondern exponentiell zunimmt und ab einem Wert unweigerlich zum Durchbrennen resp. Zerstörung der LED führt.

Kennline Strom und Spannung

 

Wir schliessen daraus: Die ausgestrahlte Menge an Licht, der sogenannte Lichtstrom (in Lumen gemessen) ist abhängig vom Betriebsstrom einer LED. Eine Reduzierung führt zu einer Senkung des Lichtstroms, was vom menschlichen Auge als Reduzierung der Helligkeit wahrgenommen wird. Das Verfahren einer zyklischen Reduzierung und Erhöhung der Energiemenge wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet und wird im allgemeinen Sprachgebrauch als "Dimmen" verstanden.

 

Pulsweitenmodulation (PWM) im Detail

Bei der Pulsweitenmodulation wird der Strom in einem bestimmten Verhältnis und mit einer bestimmten Frequenz ein- und ausgeschaltet. Dies geschieht jedoch so schnell, dass das menschliche Auge in aller Regel nichts davon mitbekommt.

Beispiel: 100Hz PWM-Frequenz bedeutet, dass die LED pro Sekunde 100mal ein- und ausgeschaltet wird. Das menschliche empfindet die LED damit als eingeschaltet.

Je länger die Abschaltphase gegenüber der Leuchtphase aufrechterhalten wird, je kleiner also die PWM-Frequenz ist, desto geringer empfindet das Auge die Helligkeit des abgestrahlten Lichts und umgekehrt.

 

Dimmen über 0-10V und 1-10V

Die 0/1-10V-Technik ist seit den 80er Jahren in der DIN IEC 60381-2 verankert und findet ihren Ursprung in der industriellen Mess- Steuer- und Regeltechnik. Insbesondere Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) werden heute noch mit dieser Technik umgesetzt. Mit der Steuerung von Beleuchtungen hat die Technik ein Revival erfahren und ist insbesondere für kleinere Leuchtgruppen die ideale und kostengünstige Lösung.

 

Beim 0/1-10V Dimm-Verfahren wir die Helligkeit der Beleuchtung durch die Reduktion oder Erhöhung der Eingangsspannung am LED Netzteil angepasst. Die Erhöhung oder Reduktion über eine separate Steuerleitung wird durch die Veränderung des Belastungswiderstandes mittels eines Potentiometers (z.B Drehdimmer), im Bereich zwischen 1-10V, geregelt. Die Vorteile einer analogen 1-10V Dimmung sind die vergleichsweisen geringen Beschaffungs- und Betriebskosten sowie eine einfache Installation. Für einen Störungsarmen Betrieb wird empfohlen, das Steuersignal über separate und abgeschirmte Leitungen umzusetzen damit keine Störungen vom 230V Netz auf die Steuerleitungen übertragen werden können.

 

Anschlussschema einer 1-10V Dimmung mittels Drehdimmer und 1-10V fähiges LED Netzteil

 

Da es sich um ein analoges Dimm-Verfahren handelt, gibt es ein paar Herausforderungen: Bei sehr langen oder hoch-ohmigen Verkabelungen könnte sich durch den verursachten Spannungsabfall ein unterschiedliches und unerwünschtes Leuchtverhalten bemerkbar machen. Weiter sind Leuchten innerhalb einer Gruppe nicht einzeln ansteuerbar und können nur von einem festen Ort (Standort des verkabelten Dimmers) bedient werden. Für komplexere Installationen empfiehlt sich heutzutage deshalb ein digitales Dimm-Verfahren wie z.B DALI. Nähere Informationen dazu finden Sie weiter unten im entsprechenden Beitrag.


Unterschied von 0-10V zu 1-10V

0-10V Geräte verhalten sich passiv und erwarten daher eine externe eingehende Steuerspannung (0-100% = 0-10V). 1-10V Geräte sind dagegen aktiv und erzeugen eine Steuergrundspannung, welche vom Steuergerät in ein entsprechendes Signal umgeformt wird (0% = Steuerleitung kurzgeschlossen, 100% = Steuerleitung offen)

 

Dimmen über DALI

DALI ist die Abkürzung für Digital Adressable Lighting Interface und ist ein festgelegtes Protokoll zur Drahtgebundenen Kommunikation von Leuchten und Betriebsmitteln. Der Vorteil von DALI liegt darin, dass die Kommunikation bi-direktional stattfindet. So kann eine Leuchte eine Störung zurückmelden aber auch den aktuellen Betriebsstatus oder aktueller Dimm-Wert ausgelesen werden. Pro DALI-Kreis können bis zu 64 Geräte angeschlossen werden und lassen sich für einen synchronen Betrieb in bis zu 16 Gruppen zusammenfassen. Für jedes Gerät oder Gruppe wiederrum können bis zu 16 Stimmungen und Szenen definiert werden. Bei der Entwicklung von DALI wurde grossen Wert daraufgelegt, dass alle Leuchten einer Gruppe zeitgleich den Soll-Wert erreichen. Damit wird sichergestellt, dass mehrere Geräte ein einheitliches und unauffälliges Dimm- und Leuchtverhalten aufweisen. DALI Installationen sind polaritätsfrei und arbeiten mit einer ausgeklügelten, seriellen und eigenständig fehlerkorrigierenden Übertragung. Oft werden die 2 ungenutzten Leiter eines TT-5-pol Kabel für den DALI-Bus verwendet. Damit sind Installationen einfach und störungsunanfällig. Gerade in grösseren und komplexeren Installationen hat sich DALI dank den Vorteilen gegenüber analoger Technik mit Erfolg durchsetzen können, da der Unterhaltsaufwand enorm verringert werden konnte und immer anspruchsvollere Einzelansteuerungen, Gruppierungen und Szenensteuerungen realisiert und einfach angepasst werden können.

 

 

Dimmen über DMX/RDM

DMX steht für Digital Multiplex und ist ein digitales Steuerprotokoll welches vor allem in der Veranstaltungstechnik für das steuern von Dimmern, Moving Heads und Showeffektgeräten eingesetzt wird. Da nach der symmetrischen Übertragung nur die Spannungsdifferenz ausgewertet wird ist DMX nahezu Störungsunanfällig und wird seit über 25 Jahren praktisch unverändert in der Showtechnik eingesetzt.

Die Geräte werden geschlauft zu einem Bus verbunden. Bei der Inbetriebnahme werden an jedem Gerät vorgängig die Busadresse eingestellt, wobei jeder Kanal eine eigene Nummer hat (z.B RGB 3, RGB 4 etc.). Die DMX-Steuersignale werden durch ein IT-gestütztes USB-DMX-System oder DMX-Steuergeräte wie z.B Lichtmischpulte erzeugt und weitergegeben. Der Bus muss dabei mit einem Terminierungswiederstand abgeschlossen werden.

RDM steht für Remote Device Management und baut auf dem DMX Protokoll auf, ist aber wesentlich genauer definiert. Der Vorteil gegenüber DMX besteht darin, dass im Halbduplex Rückmeldungen möglich sind. Beim Einrichten der Geräte melden sich diese am Mischpult an und melden einen Status zurück, was insbesondere die Einrichtung der einzelnen Geräte erleichtert und sich zeitsparend auswirkt, da die Adressierung der Geräte vor der Einrichtung entfällt und direkt vom Mischpult aus vorgenommen werden kann. RDM ist mit DMX-512 kompatibel und erlaubt auch einen Mischbetrieb.

 

 

Signalverstärker

Die maximale Länge von LED Streifen ist eingeschränkt, da durch den Spannungsabfall bei Single Color LED Streifen der Streifen am Ende schwächer leuchtet und bei RGB LED Streifen die Farbe am Ende sich verändert und ebenfalls schwächer leuchtet. Signalverstärker oder auch Repeater und Amplifier genannt sind Komponenten, die zwischen mehrere LED Streifen verbaut werden um diesem Umstand entgegen zu wirken und den LED Streifen gleichmässig dimmen oder steuern zu können. Der Signalverstärker wird mit dem Ende des ersten LED Streifen (am Input) und dem Anfang des zweiten LED Streifen verbunden (am Output). Das Signal vom Controller am ersten LED Streifen wird empfangen und an den zweiten LED Streifen weitergegeben. Dabei ist zu beachten, dass auch die Signalverstärker mit Strom aus einem 12V oder 24V LED Netzteil (je nach eingesetzten LED Streifen) versorgt werden muss. Die benötigte Leistung entspricht dabei der Gesamtleistung des 2. LED Streifens (z.B 10m LED Streifen à 9.6W pro Meter = 96 Watt Gesamtleistung). Dank dieser Lösung ist es möglich sehr lange und Stromintensive Linearbeleuchtungen zu realisieren. Aufgrund des unumgänglichen Spannungsabfalls am Ende eines LED Streifens empfiehlt es sich trotzdem nicht an die Grenzen der maximal möglichen Längen der einzelnen LED Streifen zu gehen, sondern lieber auf kürzere Segmente mit entsprechenden Repeatern zu setzen.

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