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motherclass KnowHow – Welche LED ist die Richtige für mich?

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Autor: Denis Hessberger

Wer kennt es nicht? Man hat ein schönes Weiß mit einem LED-Scheinwerfer gemischt und der Kunde bittet darum, die Lampe in 30 Sekunden soft auszublenden. Die Lampe Dimmt bis zu 30 Prozent hübsch runter und plötzlich bekommt das Weiß einem grün-teint, der immer schlimmer wird, bis der Scheinwerfer schließlich mit einem großen Helligkeitssprung ausgeht.

Warum eigentlich? Lässt sich das umgehen?

Dieser Artikel beschreibt, welche Möglichkeiten zur Dimmung es gibt, was es mit der Frequenz auf sich hat, die man so oft in LED-Scheinwerfern einstellen kann und welchen Einfluss die interne Auflösung auf das Dimmverhalten hat.

Das Ziel dieses Artikels ist, dass der Leser am Ende in der Lage ist, diese Schwächen bei einem Shootout zu erkennen und zu beurteilen. Dafür stelle ich eine kurze Checkliste zusammen.

Wie funktioniert eine LED?

Eine Light Emitting Diode, auch Leuchtdiode genannt, besteht im wesentlichen aus einem Halbleiterkristall aus zwei verschiedenen Materialien, welche unterschiedlich gepolt sind. Das bedeutet, dass ein Überschuss an positiven oder negativen Ladungsträgern existiert. Fließt nun Strom, reagieren die Elektronen und die LED leuchtet. Die Farbe der LED wird durch die verwendeten Materialien im Chip bestimmt. Der Strom, der durch die Diode fließt, bestimmt die Helligkeit.

Also wird die LED über die Regulierung des Stroms gedimmt?

Die Regulierung des Stroms, welcher durch eine LED fließt, wäre eine Möglichkeit zur Dimmung von LED. Diese Variante bietet Stufenloses dimmen, allerdings muss diese Regulierung sehr genau erfolgen und auf die jeweilige LED abgestimmt sein. Die Fertigungstoleranzen von LED variieren und LED (selbst des gleichen Typs) leuchten dadurch bei reduzierten Strömen unterschiedlich hell. Das lässt sich zwar kontrollieren, wenn jede LED einzeln angesteuert wird, ist aber relativ aufwä,ndig.

Hinzu kommt, dass dies in einem Cluster (Mehrere Emitter, welche in einem Paket zu einer “virtuellen” großen LED zusammengefasst werden) aus LEDs für den Benutzer wenig bis keinen Mehrwert bietet. Zudem verstärkt die Erwärmung und der Alterungsprozess der LED diesen Effekt massiv.

Welche Alternativen Möglichkeiten zur Dimmung gibt es?

Die meistgenutzte Variante zur Dimmung von LED ist mittels PWM (Pulsweitenmodulation). Dabei wird der Diode ein konstanter Strom zugeführt, welcher die LED immer in der gleichen Helligkeit leuchten lässt. So werden unter anderem Fertigungstoleranzen in den LED und anderen elektronischen Bauteilen (z.B.Widerstände) weitestgehend umgangen.

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Die LED wird gedimmt, indem innerhalb einer gewissen Zeitspanne (dem sogenannten „Zyklus“) das Verhältnis zwischen den An- und Ausphasen der LED geändert wird. So erscheint sie für unser Auge und Kameras dunkler, als sie eigentlich ist.

So gilt in der Theorie:
Bei 50% Helligkeit ist die LED 50% der Zeit in einem Zyklus aus und 50% der Zeit an.
Bei 25% Helligkeit 25% an und 75% aus.
Bei 75% Helligkeit 75% an und 25% aus. Und so weiter.

Der Zyklus an sich wiederholt sich x mal die Sekunde. Diese Wiederholrate wird in Herz angegeben und in der Regel „PWM-Frequenz“ genannt.

Sollte ich dann die LED nicht flackern sehen?

Ja, und nein. Die PWM Frequenz sollte, um für unser Auge kein wahrnehmbares Flackern zu zeigen über 200 Herz liegen (Der Zyklus sollte sich also mehr als 200-mal pro Sekunde wiederholen). Kameras hingegen benötigen aufgrund deren Funktionsweise eine deutlich höhere Frequenz, da sonst Effekte wie zum Beispiel der „Rolling Shutter“ auftreten können.

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Videobeispiel: Rolling Shutter Effekt.

Die Frequenz allerdings wird durch die verwendete Elektronik limitiert: Zum generieren des PWM Signals werden Mikroprozessoren genutzt. Diese funktionieren ähnlich wie ein Prozessor im Computer, sind allerdings aufgrund des kleineren Formfaktors nicht ganz so leistungsfähig.

Was ist die Auflösung?

Die Auflösung gibt an, wie viele Zwischenschritte (Auch „Einheiten“ genannt ein PWM-Zyklus hat. Als Beispiel sei an dieser Stelle eine (nutzlose) Auflösung von 1bit genannt: Bei einem bit Auflösung gibt es zwei Möglichkeiten, also zwei verschiedene Helligkeiten in einem PWM Zyklus.

Bei einer Auflösung von 8 Bit gibt es 256 verschiedene Helligkeiten, bei 16 bit sind es schon 65536 Möglichkeiten, und so weiter pro PWM Zyklus. Bei 16 Bit Auflösung und 1100Hz PWM Frequenz kann die LED also rund 72 Millionen Mal innerhalb einer Sekunde an und aus geschaltet werden.

Viele Hersteller geben die interne Auflösung der Dimmung oft nicht an. Und selbst wenn ein Gerät einen 16bit-DMX-Modus hat, heißt das nicht automatisch, dass die LED Dimmung auch mit 16-bit-Auflösung ausgeführt wird.

Warum sollte die Auflösung möglichst hoch sein?

Die Auflösung sollte aus mehreren Gründen möglichst hoch sein. Der erste und Grund wäre, dass eine LED entgegen einer Glühlampe keinen Glühdraht, der sich aufwärmen oder abkühlen muss, und im Vergleich zu Entladungslampen kein Gasgemisch, welches auf Betriebstemperatur gebracht werden muss gibt. Eine LED liefert direkt die volle Leistung, und geht direkt aus. Deswegen würden wir bei einer zu geringen Auflösung die Helligkeitsschritte direkt sehen können.

Ein weiteres Problem bei LEDs ist, dass diese im Verhältnis von Soll- zu Ist-Intensität nicht linear sind. Dies fällt besonders in den unteren sowie oberen 5 Prozent der Helligkeit auf, und ist je nach LED Farbe unterschiedlich stark ausgeprägt.

Soll- zu Ist-Intensität von LEDs im gesamten Helligkeitsverlauf. | Quelle: Bretgeld Engineering GmbH
Soll- zu Ist-Intensität von LEDs im gesamten Helligkeitsverlauf. | Quelle: Bretgeld Engineering GmbH

Die in der Grafik dargestellten Farben entsprechen den vermessenen LED Farben Rot, Amber, Lime, Grün, Cyan, Blau und UltraBlau. Die Schwarze Linie stellt einen perfekten Linearen Helligkeitsverlauf dar.

Die folgende Grafik zeigt die unteren 5 Prozent ein wenig genauer:

Abbildung 2: Soll- zu Ist-Intensität von LEDs in den unteren 5%. | Quelle: Bretgeld Engineering GmbH
Abbildung 2: Soll- zu Ist-Intensität von LEDs in den unteren 5%. | Quelle: Bretgeld Engineering GmbH

Die Grafik zeigt deutlich, dass die Farben Lime, Amber, Rot, Grün und Cyan bei einem geringen PWM Eingangswert sehr hell sind. So hat Lime zum Beispiel bei einem Eingangswert von 1% bereits eine abgegebene Helligkeit von über 2%.

Zudem wird es bei einer geringeren Auflösung schwierig, alle in einem Scheinwerfer verbauten Farben, auf das gleiche Helligkeitsniveau zu bringen, so dass ein Farbdrift bei gemischten Farben in den unteren 5% des Dimmbereichs fast unumgänglich ist.

Das Problem fällt noch massiver auf, wenn keine Lineare, sondern eine Square oder eine Logarithmische Dimmerkurve gewünscht ist, da diese in den „dunklen“ Dimmbereichen deutlich feiner abgestuft sind.

Diese extremen Schwankungen können mit ausreichend hoher Auflösung, guter Elektronik und Software kompensiert werden, ohne das Abstufungen oder ein wegdriften der Farbe, insbesondere in den Grün- oder Rotbereich, erkennbar sind.

Leider ist es in unserer Branche häufig der Fall, dass Hersteller das Problem umgehen, indem sie die ersten paar Prozent einfach „abschneiden“ und der Scheinwerfer bei einem geringen DMX Wert direkt auf einen höheren Wert der internen Helligkeit springt. Das Resultat ist eine relativ hohe Einschalthelligkeit, die je nach Gerät mehr oder weniger stark ausgeprägt ist.

Das klingt fast, als müsste ich mich zwischen hoher Frequenz oder hoher Auflösung entscheiden?!

Richtig. Die Frequenz ebenso wie die Auflösung ergeben sich aus der Geschwindigkeit des Mikroprozessors. Als Faustformel gilt: Jede Erhöhung der Auflösung um ein Bit bedeutet eine Halbierung der PWM Frequenz.

Viele LED Scheinwerfer bieten eine Menüoption, um die PWM-Frequenz zu ändern. Oft hat dies auch einen direkten Einfluss auf die Auflösung.

Die in Scheinwerfern genutzten Mikroprozessoren operieren in der Regel mit weniger als 200 Megaherz. Zum Vergleich: Ein aktueller Computer hat pro Rechenkern eine Taktfrequenz von bis zu 3,4 GHz also 8,5 mal so viel.

Kann man dann nicht einfach einen schnelleren Mikroprozessor verwenden?

Könnte man, allerdings aufgrund der in der Regel geringen Stückzahlen in der Veranstaltungsbranche dann oft nicht mehr wirtschaftlich. Schnellere Prozessoren werden auch sehr schnell teurer und bieten oft mehr Features, als gewünscht. Dazu kommt, dass der Prozessor nicht direkt an die LED angeschlossen wird, sondern danach noch eine Leistungsendstufe hat, um die hohe Leistung der Dioden schalten zu können. Die maximale Frequenz wird in jedem Fall aber durch die verwendete Leistungsendstufe limitiert.

Für die Leistungsendstufe gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten:

Die günstigere und einfachere Lösung ist es, einen fertigen Chip zu kaufen, der einen PWM-Eingang hat und sich um die Regelung des konstanten Stroms für die LED kümmert. Diese Chips bieten beim Dimmen in der Regel aber nur eine geringe Auflösung, also eine geringe Anzahl an Zwischenstufen beim Dimmen.

Die in der Entwicklung und Herstellung teurere, aber für das Produkt bessere Möglichkeit ist es, eine Konstant-Stromquelle zu entwickeln, welche den Strom für die LED regelt und einen Transistor zum Schalten der LED zu verwenden. In diesem Fall ist der Transistor nicht mehr limitierend für die Auflösung, wohl aber kann ein Transistor nicht unbegrenzt schnell schalten.

Wenn LEDs so schnell sind, und millionen mal in der Sekunde geschaltet werden können, warum reagieren manche Scheinwerfer dann sehr träge auf Werteänderungen per DMX und blenden manchmal sogar langsam aus?

Das liegt daran, dass DMX leider ein sehr langsames (40 Hz, also 40 Änderungen pro Sekunde) und niedrig auflösendes Protokoll ist. Wenn ein Scheinwerfer im 8-Bit-Modus betrieben wird, ergibt das 256 Abstufungen in der Helligkeit. Somit würde man bei Überblendungen Schritte in der Dimmung sehen. Als Beispiel ein Extremfall: Bei einer Überblendung von 0% zu 100% innerhalb von einer Minute würde sich der Wert rund 4,3 mal pro Sekunde um knappe 1,7% ändern. Dadurch, dass die LED die Änderung des Wertes direkt ausführt, wären deutliche Sprünge in der Helligkeit sichtbar.

Die Software in LED-Scheinwerfern führt daher intern in der Regel eine Überblendung zwischen den empfangenen und den ausgegebenen Werten durch. Im einfachsten Fall ist dies eine fixe, vom Hersteller vorgegebene Zeit, welche die Änderungsgeschwindigkeit der Werte nicht berücksichtigt. In Manchen Geräten lässt sich diese Zeit auch im Menü oder per Control-Kanal definieren. „Clevere“ Scheinwerfer hingegen enthalten Algorithmen die versuchen zu erraten, was der Nutzer machen möchte um die interne Überblendzeit zu berechnen.

Checkliste: Wie kann ich das im Artikel gelernte für die Praxis nutzen?

Bei einem Shootout von LED-Geräten ist es wichtig, sich die genannten Punkte genauer anzusehen, da diese in der Regel direkt auf die Qualität des Produktes hinweisen. Hier eine kurze Checkliste:

• Gibt der Hersteller PWM-Frequenz und interne Auflösung der Dimmung an?
• Kann ich die Frequenz der Pulsweitenmodulation ändern, und hat das einen Einfluss auf die Auflösung?
• Wie hoch ist die Einschalthelligkeit, oder dimmt das Gerät Stufenlos von 0% auf 5%?
• Gibt es beim Dimmen in den unteren 5% einen Farbdrift (insbesondere, wenn Weiß oder CTO mit den vorhandenen LED Farben gemischt wurde)
• Wie ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Scheinwerfers, wenn ich diesen mit einem Fader in der Intensität regele?
• Wie ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Scheinwerfers, wenn ich diesen mit der Flashtaste zwischen 0 und 100% springen lasse?
• Hat das Gerät mehrere LED Cluster, welche je aus unterschiedlichen Farben bestehen? Wenn ja, driften einzelne Cluster beim Dimmen in der Farbe, oder zeigen unterschiedliche Helligkeiten?
• Sehe ich mit einer Kamera ein Flackern der LEDs, oder beim Aufnehmen von Fotos / Videos sogenannte „Rolling Shutter“ Effekte?

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