Flickern, Flimmern & Co, die IEEE P1789, aktuelle Netzteile und eine spezielle LED

[DerKilian]

Moin zusammen

nach stillem Lesen diverser Beiträge hier im Forum, sowie Recherche im bösen Internet bin ich auf die IEEE P1789 gestossen, die sich dem Anschein nach, obwohl von 2015, in vielen aktuellen Designs nicht berücksichtigt wird. Die einzige (DALI-) Ausnahme scheinen die Treiber von eldoLED zu sein (ich mag mich irren, hier ist häufig von MDT Controllern die Rede, bei dem wohl alle wissen was gemeint ist, ... ich leider nicht ...).

Das - wie ich finde - interessante an der P1789 ist, dass sie in Abhängigkeit vom Modulationsgrad einer Lichtquelle (=Flickern) eine minimale Frequenz für eben dieses Flickern angibt, so daß es unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle liegt (ermittelt aus Versuchen). Im Fall einer spannungsgesteuerten PWM liegt der Modulationsgrad des Flickerns bei 100% (eben "an" und "aus"), und nach der P1789 folgt dann eine minimale PWM Frequenz von 1250Hz.

Diese Forderung scheint mir recht leicht umzusetzen zu sein, 1250Hz ist nicht die Welt - dennoch finde ich viele Treiber, die entweder niedrigere PWM Frequenzen verwenden (etwa Lunatone), oder auf deren Angabe verzichten. Die IEEE P1789 betont zwar, dass wahrnehmbares Flickern nicht grundsätzlich schlecht ist (zum Beispiel als Teil einer Lichtshow), aber im Wohnbereich ist es wohl generell unerwünscht. Wieso gibt es dann spannungsgesteuerte Treiber mit weniger als 1250Hz PWM Frequenz? Die ganzen Diskussionen zu wahrnehmbaren Flimmern hätten sich erledigt.

Gleichzeitig soll ein möglichst weit nach unten gehende Dimmen (--> dunkel) möglich sein. Am liebsten 0.1%, denn 1% ist irgendwie, naja, nicht 0.1% (mir fehlt hier ehrlich gesagt das Verständnis. Wenn ich für eine Beleuchtung 500lx brauche, dann ist der Unterschied von etwa von später Dämmerung (1%) zu Vollmond (0.1%) - wo braucht man das?).
Nun, diese 0.9% schrauben die Grenzfrequenz bzw. erforderlichen Anstiegs-/Abfallzeiten der Leistungselektronik der PWM um den Faktor 10 nach oben. Während bei 1% die minimale Pulsbreite bei 1250Hz 8µs beträgt, sind es für 0.1% schon 800ns. Wenn das noch wie ein Puls aussehen soll, dann folgt daraus wohl Anstiegszeit von 33ns/V bzw 3.3ns/V bei 24V Hub und jeweils 1/10 der Pulsbreite als Ein- bzw. Ausschaltzeit.
Die Pulsbreite von 800ns scheint mir zudem bereits unterhalb der Einschwingzeit etwa des neuen ConstaLED Spots 31362 zu sein (zumindest was ich im Forum dazu gefunden zu sein). Hier wird versucht, einen Spot für eine zeitlich kurze Dauer einzuschalten, der er aber aufgrund seines internen Designs gar nicht mehr folgen kann. Ist das dann noch sinnvoll? Ich denke nein.

Und damit es noch mit einer Frage endet: eldoLED-Treiber behaupten von sich, die IEEE P1789 zu erfüllen. Geheimnis scheint dabei eine nicht rein spannungsgesteuerte PWM zu sein - sondern irgendwas Hybrides. Anders hingegen der ConstaLED Spot 31362, der nach einer konstanten Spannung verlangt. Heisst das, dass ein IEEE P1789 konformer Betrieb der ConstaLED Spot aufgrund fehlender LED-Treiber nicht möglich ist? Ich konnte nichts finden ...

Kennt eine/r ein Set-Up, bei dem Spots mit hohen CRI (> 90) verwendet werden und das erreicht werden kann?

Danke und Gruß
Kilian

Achso: Mir reichen 1% Dimmung, oder auch 2% oder 3%.

[rosebud]

Besser als der Trenderöffner kann man das Elend der LED-Beleuchtung in Gestalt von Flackern, Flimmern, Schwebungen..., wie es in zahllosen Beiträgen im Forum aufgeführt ist, nicht beschreiben. LED haben keine "Kapazität", Energie zu speichern und in den PWM-Pausen als Licht abzugeben. Ganz im Gegensatz zu thermischer Beleuchtung, die Lücken mit der thermischen Trägheit des Glühfadens ausfüllt oder zu Gasentladungslampen, die selbst bei 100 Hz nicht sichtbar flimmern, weil in den Zeiten des Stromflusses genügend Ladungsträger im Leuchtstoff auf ein höheres Energieniveau gebracht wurden, von dem sie unter Abgabe von Licht auch in den Strompausen wieder zurückfallen. Dummerweise ist dies bei der LED-Brennspannung von 3 V nicht möglich.

LED mit Gleichstrom zu betreiben, wie ihn ein banaler Längsregler liefert, ist aus energetischen Gründen schwer zu rechtfertigen - eine elektrische Direktheizung. Man müßte die PWM-Impulse mitteln mittels einer Induktivität in Serie zur LED und einer Freilaufdiode, über die der Strom fließt, wenn der PWM-Schalttransistor Pause hat - eine klassische Stepdown-Vorgehensweise aus den Anfängen der Schaltnetzteile vor bald 50 Jahren. Hier besteht ein Problem darin, daß bei der relativ niedrigen PWM-Frequenz um 1 kHz die Speicherinduktivitäten beachtliche Ausmaße annehmen und Geräusche machen.

Weiß jemand Näheres darüber oder wurde sowas bereits realisiert?

[Gast1961]

Nun, diese 0.9% schrauben die Grenzfrequenz bzw. erforderlichen Anstiegs-/Abfallzeiten der Leistungselektronik der PWM um den Faktor 10 nach oben. Während bei 1% die minimale Pulsbreite bei 1250Hz 8µs beträgt, sind es für 0.1% schon 800ns. Wenn das noch wie ein Puls aussehen soll, dann folgt daraus wohl Anstiegszeit von 33ns/V bzw 3.3ns/V bei 24V Hub und jeweils 1/10 der Pulsbreite als Ein- bzw. Ausschaltzeit.

Bei den niedrigen Dimmwerten wird's tatsächlich "analog". Die Anstiegszeiten sind begrenzt und entsprechend wird nicht mehr rechteckförmig geschaltet, sondern die Spannung läuft als Rampe hoch und runter. Also Tiefpaßverhalten und dadurch sinkt dann auch die zugeführte Leistung so weit, daß man bis zu leicht glimmenden LED dimmen kann, ohne superkurze Impulse.

Ich habe hier drei Bilder der Stromaufnahme einer Teilfarbe des ConstaLED 4+4W TW Spot bei unterschiedlichen Dimmwerten. Ein Skalenteil ist 100mA, Messung über 1 Ohm Widerstand in der Zuleitung.

Man sieht auch eine Besonderheit des ConstaLED Stromreglers, den Einschaltpeak. Der Nennstrom pro Teilfarbe ist 4W/24V = 167mA, aber zu Beginn jeder Periode lädt sich erstmal ein Kondensator auf und verursacht einen Strompeak.


einschaltpeak.PNG
Kleinerer Dimmwert, Zeitachse nun 2.5µs/Teil:

lunatone_1kHz_1Pro.PNG
Nochmals kleinerer Dimmwert, Zeitachse nun 1µs/Teil. Hier begrenzen die Anstiegszeiten sehr sichtbar und zugleich sieht man den Strompeak von bis zu 600mA:


mdt_log1pro_2000k.PNG

Bei sehr kurzen Dimmwerten wird es wie gesagt sehr analog und die endliche Anstiegszeit und der Strompeak kombinieren sich zu einem Verlauf, der gar nichts mehr mit der rechteckförmigen theoretischen PWM zu tun hat. Bei kleineren Dimmwerten geht es direkt am Anstieg in den Abfall über und der Spot glimmt nur noch, ohne die 166mA zu erreichen.

Also alles nicht so rechteckig geschaltet wie in der Theorie, dadurch kein so extrem kurzen Impulse nötig für niedrige Dimmwerte.

Heisst das, dass ein IEEE P1789 konformer Betrieb der ConstaLED Spot aufgrund fehlender LED-Treiber nicht möglich ist?

Ein vielschichtiges Thema ...

Die Meanwell PWM60-24KN Netzteile mit Dimmung kann man durchaus auf 4KHz PWM-Frequenz einstellen, aber dann sind wegen der begrenzten PWM-Zeitauflösung und begrenzten Anstiegszeiten nur sehr grobe Dimmschritte möglich und der minimale Dimmwert liegt recht hoch. Insoweit sind das tatsächlich gegenläufige Optimierungen, PWM-Frequenz vs. Dimmauflösung.

[concept]

Besser (...) kann man das Elend der LED-Beleuchtung in Gestalt von Flackern, Flimmern, Schwebungen...,

lieber berthold, wieder mal nutzt du die gelegeheit, undifferenziert über led-beleuchtung zu lästern. alle aufgelisteten probleme können bei ungünsigen konzepten oder ausführungen auftreten, jedoch nicht, wenn man alles richtig macht.

wie es in zahllosen Beiträgen im Forum aufgeführt ist, nicht beschreiben. LED haben keine "Kapazität", Energie zu speichern und in den PWM-Pausen als Licht abzugeben.

nein, eine speicherkapazität oder trägheit haben die led‘s tatsächlich nicht, unter anderem auch deshalb sind geeignete treiber bzw netzgeräte gefordert. dort wird die energie in kondensatoren zwischengespeichert.

Weiß jemand Näheres darüber oder wurde sowas bereits realisiert?

was genau ist die frage?

[Techi]

Technisch gesehen wäre die beste und m. M. nach einzige Lösung wenn das jeweilige LED Leuchtmittel die Dimmerelektronik gleich mit eingebaut hätte und man über ein Standard Interface den Dimmwert.... übertragen könnte.
Somit könnte die jeweilige Elektronik perfekt auf die entsprechende LED angepasst werden.
Also quasi Dali Bulbs ,wobei mir sofern die Verkabelung es zulässt ein schnelleres Bussytem lieber wäre.
Ich befürchte jedoch, dass sowas Herstellerübergreifend nicht so schnell kommen wird.

[willisurf]

Viele Diskussionen gehen in die gegenteilige Richtung, LED und Elektronik komplett zu trennen. Gründe sind Verlustleistung und Austausch.

[knxodernix]

Geheimnis scheint dabei eine nicht rein spannungsgesteuerte PWM zu sein - sondern irgendwas Hybrides

Das ist kein Geheimnis, damit wird sogar explizit geworben.
Die Dimmung wird durch gleichzeitiges analoges Dimmen und PWM Dimmen erreicht. Da noch kein anderer Hersteller das anbietet, vermute ich das EldoLed hierauf das Patent hat.
TCI wirbt zwar auch mit Hybrid, aber da wird nur zwischen ca. 100%-10% analog gedimmt und zwischen 10%-0,1% dann auf PWM umgeschaltet. Eine Kombination wie es EldoLed anbietet ist das nicht.

Kennt eine/r ein Set-Up, bei dem Spots mit hohen CRI (> 90) verwendet werden und das erreicht werden kann?

EldoLed CC-Dali-Treiber mit einer guten CC-LED-Lampe.

[uzi10]

Osram dimmt bei den kleinen oti dali nur die amplitude ohne pwm. Bin sehr zufrieden damit

[gbglace]

Wenn ich für eine Beleuchtung 500lx brauche, dann ist der Unterschied von etwa von später Dämmerung (1%) zu Vollmond (0.1%) - wo braucht man das?)

Weil sich viele gerne einige hundert Watt LED Beleuchtung in die Decken bauen ohne wirklich zu Wissen wieviel Lichtmenge nun wirklich gebraucht wird und was davon als Gemütlichkeit zu interpretieren ist. Der Anspruch an Räumlichkeiten diese gleichzeitig in Nutzungsszenarien wie abendliches Wohnzimmer, nächtlicher Schleichgang , OP, Reinraum, Lackierstudio Endkontrolle zuführen zu wollen, scheint hier sehr hoch zu sein.

[meti]

Man nennt es auch "Wohnküche" 🙃

[traxanos]

Weil sich viele gerne einige hundert Watt LED Beleuchtung

Hat aber auch oft was mit Verfügbarkeiten zu tun. Ich kenne leider noch keine LED Stripes die sehr dich bestückt sind, aber nur wenig Lumen haben. Somit hast du schnell viele hundert Watt zusammen. Oder im Flur habe ich die 15W Panele die ich tagsüber auf 80% und abends auf 40% betreibe. Allerdings nutze ich manchmal auch die 100% (weil Sie dann doch da sind).

[rosebud]

Die Abwärtsregelung ist in wikipedia etwas verklausuliert erklärt, aber dennoch verständlich. Das Problem dürfte darin bestehen, daß je Dimmkanal eine von der Leistung abhängige Induktivität (je höher, umso größer) nötig ist, die Platz wegnimmt. Je höher die PWM-Frequenz ist, umso kleiner wird sie. Grenzen nach oben setzt die EMV-Verträglichkeit des Dimmers, weil die Abstrahlungen mit der Frequenz steigen.
Die Induktivität bildet mit einem Kondensator parallel zum Verbraucher ein Filter zweiter Ordnung, das von den PWM-Flimmereien nichts mehr übrig läßt.

[Gast1961]

das von den PWM-Flimmereien nichts mehr übrig läßt.

Daß die LED dabei ein/aus schaltet ist doch gerade beabsichtigt (!) bei LED-Dimmung per PWM. Die PWM wird hier gewählt, um durch hartes Schalten zwischen 0% und 100% einen absolut linearen Helligkeitsverlauf über das Tastverhältnis zu realisieren. Da soll gerade nicht ein Mittelwert entstehen, sondern das Licht genau der Ansteuerung folgen. Nur so ist es von der konkreten Implementierung des Leuchtmittel (Flußspannung usw) unabhängig.

[hyman]

LED haben keine "Kapazität", Energie zu speichern und in den PWM-Pausen als Licht abzugeben.

Da ist mein Eindruck ein ganz anderer: Der Leuchtstoff der weißen LEDs leuchtet duchaus nach ...

Gasentladungslampen, die selbst bei 100 Hz nicht sichtbar flimmern, weil in den Zeiten des Stromflusses genügend Ladungsträger im Leuchtstoff auf ein höheres Energieniveau gebracht wurden, von dem sie unter Abgabe von Licht auch in den Strompausen wieder zurückfallen. Dummerweise ist dies bei der LED-Brennspannung von 3 V nicht möglich.

... weil es ihm nämlich völlig egal ist, mit welcher Betriebsspannung das Teil arbeitet, das ihn mit kurzwelligem Licht bestrahlt.

Technisch gesehen wäre die beste und m. M. nach einzige Lösung wenn das jeweilige LED Leuchtmittel die Dimmerelektronik gleich mit eingebaut hätte und man über ein Standard Interface den Dimmwert.... übertragen könnte.

Man kann LED und Dimmer/Speisung durchaus voneinander trennen. Das ist ja aus verschiedenen Gründen auch sehr wünschenswert.

Das Problem beim Betrieb von LEDs mit einer konstanten Spannung ist, dass der Zusammenhang zwischen Spannung und Lichtausgbeute extrem nichtlinear ist: Unter der sogenannten Schwellspannung gibt es kein Licht, und darüber ist die LED ziemlich schnell wegen Überlastung hinüber. In einem ganz kleinen Bereich um die Schwellspannung herum spielt sich die Variation der Lichtausbeute zwischen 0 und 100% ab. Deshalb ist in Leuchtmitteln für Konstantspannungsbetrieb immer Elektronik drin -- und wenn es nur ein Vorwiderstand ist. Und die steht zwischen dem Dimmer und dem LED-Strom, auf den es eigentlich ankommt. Zum Dimmen ist daher das Variieren der Spannung denkbar ungeeignet, man muss PWM machen, und wie gut (oder schlecht) das dann funktioniert, hängt vom Zusammenspiel der Elektroniken im Dimmer und in der LED zusammen. Leider harmonieren die selten so gut, dass man wirklich weit runter dimmen kann.

Alle diese Probleme verschwinden mit einem Schlag, wenn man LEDs nicht mit einer geregelten Spannung, sondern direkt mit einem geregelten Strom betreibt. Das spart die Elektronik an der LED und macht das Dimmen sehr viel einfacher, weil die Lichtausbeute in erster Näherung linear mit dem Strom geht. Es reicht deshalb, den Strom durch die LED feinstufig verstellbar zu machen -- ganz ohne PWM. Soweit ich weiß, tun das auch die meisten LED-Stromquellen. Das einzige Problem ist, dass das Angebot an Konstantstrom-Leuchtmitteln gegen Null geht, weil es für sie -- anders als z. B. für 12V Konstantspannungs-Leuchtmittel -- keine Normsockel gibt. Deshalb macht man das oft nicht, obwohl es die technisch ideale Lösung ist.

Die Diskussion ob nun 230V, 24V oder 12V die ideale Versorgung für Beleuchtungen ist, kann man getrost als antiquiert bezeichnen. LED-Stromquellen werden in aller Regel mit 230V Eingangsspannung betrieben und haben zum Dimmen entweder einen 1..10V-Eingang oder direkt KNX. Sowas funktioniert dann einfach -- wie langweilig.

Grüße von Horst

[rosebud]

Sie verstehen mich miß: Gerade das Flimmern ist für das Auge störend. Das L und das C mitteln die Schaltimpulse zu einem Gleichstrom, dessen Größe vom PWM-Tastverhältnis abhängig ist und die LED kontinuierlich leuchten läßt. Die Dimmbarkeit wird keineswegs eingeschränkt.