Stabiles LED-Licht ist schwer zu erzeugen

Thomas Alva Edison (vom dem das "E" in den Größenbezeichnungen der Schraubsockellampen stammt) könnte jetzt als Entwickler der ersten im Alltag verwendbaren Glühlampe mit der Schulter zucken und sich für unschuldig erklären. Er hatte seine Leuchtmittel um das Jahr 1880 herum für Gleichspannung (DC) konzipiert, mit der sie tatsächlich völlig flimmer- und flackerfrei waren, solange die Stromversorgung konstant blieb.

Das wäre theoretisch auch heute noch der Königsweg. Da wir aber deutlich umwelt- und energiekostenbewusster sind als zu Edisons Zeiten, haben wir stromhungrige Glühlampen inzwischen weitgehend durch sparsamere Gasentladungs- und LED-Leuchtmittel ersetzt. Und hier ist absolut stabiles Licht selbst am Gleichstrom in der Praxis nur schwer zu realisieren.

Jede Leuchtdiode hat nämlich ihre eigenen Ansprüche in Sachen Spannung (Volt) und Strom (Ampere) und arbeitet nur dann wunschgemäß, effizient und langlebig, wenn beides innerhalb einer engen Toleranzspanne bleibt. Unterhalb ihrer jeweiligen Durchlassspannung bleibt sie beispielsweise komplett dunkel. Bereits eine kleine Erhöhung der Spannung führt aber schon zu einem starken Stromanstieg, weil diese Relation nicht linear, sondern halbleitertypisch exponentiell ist.

Eine Stromänderung wirkt sich wiederum auf die Helligkeit, Effizienz und Temperatur und damit auch auf die Lebensdauer und sogar auf die Spektralverteilung (Lichtfarbe) einer weiß leuchtenden LED aus - hier wurden bei Studien an der Technischen Universität Darmstadt Farbtemperaturdifferenzen von teils über 300 Kelvin gemessen. Faustregel: Je stärker bestromt und heißer eine weiße LED wird, desto kaltweißer leuchtet sie, weil ihr höherfrequenter Blaulichtanteil steigt. Und oberhalb ihrer Sperrspannung (meist schon bei 5 bis 6 Volt) stellt die Diode ihren Dienst sofort und final ein.

LEDs im Haus brauchen Treiber

Dort, wo es nur Haushaltsnetzstrom mit 230 Volt und 50-Hertz-Wechselspannung als primäre Energieversorgung gibt, muss die von LEDs benötigte niedrige Gleichspannung mit internen oder externen Geräten erzeugt werden. Je nach Platzangebot, Kostenkalkulation, technischer Zielsetzung und gutem Willen des Herstellers arbeiten darin Kondensator- oder Schaltnetzteile mit jeweils nachgelagerter Gleichrichtung und Siebung bzw. Pufferung des Stroms.

• 

Horizontale Streifen im Standfoto der Videoaufnahme einer Philips-Hue-LED-Lampe, verursacht durch Interferenzen der LED-Pulsweitenmodulation mit der Bildwiederholfrequenz der Kamera ("Rolling Shutter"). (Foto: W. Messer)

Jedes Konzept hat seine Vor- und Nachteile und stets die undankbare Aufgabe, die Zielkonflikte zwischen Wirkungsgrad, elektromagnetischer Verträglichkeit, Gesamtleistung und Blindleistungsfaktor, Störspannungsresistenz, Hitzeentwicklung sowie Spannungs- und Stromglättung zur flimmerarmen LED-Versorgung zu lösen. Keinem Treiber kann das perfekt gelingen; er ist immer ein Kompromiss.

Wie nahe ein Gerät dem Optimum kommt, kann der durchschnittliche Kunde vor dem Kauf nicht ahnen; die Verpackungen und Datenblätter verraten wenig über die realen Betriebseigenschaften und bieten allenfalls einige Indizien. Vereinfacht lässt sich sagen: Je kleiner das LED-Lampen- oder -Treibergehäuse und je billiger das Produkt ist, desto wahrscheinlicher ist eine Restwelligkeit auf der Sekundärseite, vorwiegend bei Kondensatornetzteilen. Die erzeugte Gleichspannung ist also häufig eher ein "Wackelstrom", der für mehr oder weniger starkes Flimmern im 100-Hertz-Takt sorgt.

PWM regelt die Leuchtdioden im Auto

Flimmerlicht kann es auch im Auto geben, wo man LED-Leuchten und -Scheinwerfer eigentlich ohne aufwendige Treiber über einen Vorwiderstand direkt aus der Kfz-Batterie versorgen könnte. Deren Gleichspannung ist zwar einigermaßen akzeptabel für Halogen- und sonstige Glühlampen, aber viel zu instabil, um Leuchtdioden bei konsistenter Helligkeit, Lichtfarbe und Lebensdauer zu halten. Also muss eine Zwischenstufe eingebaut werden. Das ist bei Kraftfahrzeugen meistens ein Controller mit Pulsweitenmodulation (PWM) . Er schaltet die verzögerungsfrei reagierenden LEDs in schneller Folge an und aus, wobei mittels Stromstärke, Puls- und Periodendauer (Tastverhältnis) eine mittlere Helligkeit für unser relativ träges Auge komponiert wird.

Ist die Frequenz dieser PWM jedoch zu niedrig und/oder das Tastverhältnis zu klein, nehmen wir das Licht als flackernd, pulsierend oder flimmernd wahr. Vor allem nachts sehen wir ältere Kfz-LED-Rückleuchten als Stroboskope oder - bei schnellen Augenbewegungen - selbst modernere Typen mit Perlschnureffekt. Probleme macht eine zu grobe PWM-Regelung auch bei der Kfz-Innenbeleuchtung und der korrekten Erkennung von LED-Armaturenanzeigen.