HomeMatic Know-how Teil 22: LED-Special – Dimmen mit Homematic

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Aus ELVjournal 04/2017     0 Kommentare
 HomeMatic Know-how Teil 22: LED-Special – Dimmen mit Homematic

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In unserer Reihe „Homematic Know-how“ zeigen wir anhand von kleinen Detaillösungen, wie man bestimmte Aufgaben im Homematic System konkret lösen kann. Dies soll insbesondere Homematic Einsteigern helfen, die Einsatz- und Programmiermöglichkeiten besser zu nutzen. In dieser Ausgabe beschreiben wir, welche Möglichkeiten es gibt, um LED-Leuchtmittel gezielt per Homematic dimmen zu können.

LED-Beleuchtungen sind heute leistungsstark und werden sehr vielseitig eingesetzt. Daher ist hier das gezielte Absenken der Helligkeit, das Dimmen, in vielen Situationen sinnvoll und notwendig. Leider stellt die große Vielfalt an dimmbaren LED-Leuchtmitteln inklusive der verschiedenen Versorgungstechnologien sowie eine riesige Auswahl an unterschiedlichen Dimmern ein Problem in der Zuordnung dar. Daher gehen wir in diesem Artikel auf die grundsätzlichen Dimmverfahren und deren Anwendung beim Einsatz innerhalb des Smart Home Systems Homematic ein.

Dimmverfahren mit Wechselspannung

Die traditionell am meisten eingesetzten Dimmverfahren für Wechselspannungen sind die Phasenanschnitt- und Phasenabschnittsteuerung. Beide sind im Prinzip abgewandelte Pulsweitenmodulationen, das heißt, die angeschlossene Last erhält nur für einen bestimmten Zeitraum Spannung. Dabei sind die Schaltzeiträume so kurz, dass unser Auge dies nicht als Schaltvorgang (unter bestimmten Umständen allenfalls als Flimmern), sondern als kontinuierliches Leuchten mit unterschiedlicher Helligkeit wahrnimmt.

Phasenanschnittsteuerung

Bild 1: Das Prinzip der Phasenanschnittsteuerung. Quelle: [1]
Bild 1: Das Prinzip der Phasenanschnittsteuerung. Quelle: [1]
Bei der Phasenanschnittsteuerung (Bild 1) werden die Sinuswellen der Wechselspannung im aufsteigenden Bereich der Welle abgeschnitten. Dies erfolgt meist durch definiertes zeitliches Ansteuern eines Triacs, nach dem Nulldurchgang. Der blau gefüllte Bereich zeigt dabei die maximale Ausgangsspannung des Dimmers, der grün gefärbte Bereich die minimale Ausgangsspannung. Dieses Verfahren eignet sich für das Regeln von ohmschen Lasten, wie zum Beispiel für das Dimmen von Glühlampen und die Drehzahleinstellung von kleineren Elektromotoren.

Phasenabschnittsteuerung

Im Gegensatz zur Phasenanschnittsteuerung wird bei der Phasenabschnittsteuerung der abfallende Bereich der Sinuswelle von Wechselspannungen abgeschnitten. Dieses Verfahren eignet sich für das Stellen von kapazitiven Lasten, wie zu Beispiel für das Dimmen von Glühlampen, Energiesparlampen (je nach Vorschaltgerät) und LED-Leuchtmitteln.
Bild 2: Im ELV Lichtlabor werden 230-V-LED-Lampen auf ihre Kompatibilität zu vielen Dimmern getestet und das Ergebnis im ELV Shop dargestellt.
Bild 2: Im ELV Lichtlabor werden 230-V-LED-Lampen auf ihre Kompatibilität zu vielen Dimmern getestet und das Ergebnis im ELV Shop dargestellt.
Auf das Dimmen von 230-V-LED-Leuchtmitteln werden wir in diesem Know-how-Artikel nicht eingehen, da sich das Dimmen dieser Leuchtmittel meist sehr differenziert gestaltet. Gedimmt werden hierbei in der Regel nur die jeweils in den Leuchtmitteln verbauten Vorschaltgeräte, welche keinen grundsätzlichen Normen unterliegen, hier muss man den Einzelfall der in der Lampe eingesetzten Ansteuerung betrachten. Allerdings haben wir hierzu bereits viele unserer dimmbaren 230-V-LED-Leuchtmittel in einer Dimmer-Kompatibilitätsliste erfasst und zugeordnet. Diese ist innerhalb des ELV Shops [2] beim jeweiligen Leuchtmittel zu finden. Bild 2 zeigt ein Beispiel dafür. Wie man dort sehen kann, sind – abhängig von der verbauten Lampen-Stromversorgung – tatsächlich unterschiedliche Dimmverfahren einsetzbar. In der Liste findet man auch einige Homematic Dimmaktoren (Bild 3 zeigt ein Montagebeispiel für einen UP-Dimmer, Best.-Nr. CO-01 03 20, sowie dessen Konfigurationsdialog in der WebUI der CCU2). So sind also auch diese LED-Lampen in die Smart Home Steuerung einbindbar. Die Aktoren bieten ja, wie man in Bild 3 sehen kann, bereits sehr viele Optionen, neben dem normalen Dimmen auch Szenen.
Bild 3: Montagebeispiel für den Homematic UP-Dimmer und seine Konfiguration in der WebUI der CCU2
Bild 3: Montagebeispiel für den Homematic UP-Dimmer und seine Konfiguration in der WebUI der CCU2
So kann man z. B. ein Treppenhauslicht einstellen, das nach einer bestimmten Zeit vorwarnt, dass es sich gleich abschaltet, falls man nicht erneut einschaltet. In Programmverknüpfungen eröffnen sich damit vielzählige Möglichkeiten, so auch zeitlich gesteuerte Szenarien.

Dimmverfahren mit Gleichspannung

Im Gegensatz zum Dimmen von 230-V-LEDs stellt das Dimmen im Gleichspannungsbereich ein stabiles und sicheres Verfahren dar. Grundsätzlich lässt sich jedes Niedervolt-LED-Leuchtmittel durch eine Pulsweitenmodulation dimmen.

Pulsweitenmodulation

Bild 4: Signalverlauf bei der Pulsweitenmodulation. Quelle: [3]
Bild 4: Signalverlauf bei der Pulsweitenmodulation. Quelle: [3]
Bei der Pulsweitenmodulation (Bild 4) wird die Gleichspannung in kurze Impulse „zerhackt”, das heißt, die Spannung wird mehr oder weniger lange ein- und ausgeschaltet. Je nach Weite dieser Gleichspannungs- Impulse kann man beispielsweise die Helligkeit von LEDs einstellen – je kürzer die Einschaltzeit, desto geringer ist die Helligkeit. Besonders häufige Verwendung findet diese Modulationsart in der modernen Elektronik, da nahezu alle Mikrocontroller ohnehin über einen PWM-Steuerport verfügen. So zeigt das Bild 4 ein Beispiel aus einem Tutorial für den Arduino. Dieses Verfahren eignet sich, um Gleichspannungsmotoren zu steuern und Glühlampen und LEDs zu dimmen.

Dimmen mit Homematic

In der Folge wollen wir die Anwendung des PWM-Dimmverfahrens anhand von Homematic Geräten näher betrachten.

Homematic PWM-Dimmer (HM-LC-Dim1PWM-CV)

Dieser flache Funk-Dimmer ermöglicht das Dimmen von 12- und 24-VDC-LED-Anordnungen per PWM. Die Ansteuerung kann von allen Sendern und Zentralen des Homematic Systems sowie über eine Taste am Gerät selbst erfolgen. Bei der Ansteuerung über die Zentrale CCU2 kann hier als Komfortmerkmal die PWM-Frequenz zwischen 200 und 1000 Hz eingestellt werden, um, je nach LED, ein unerwünschtes Flimmern, das besonders an den Bereichsgrenzen auftreten kann, zu unterdrücken. Bild 5 zeigt den Dimmer und das zugehörige Konfigurationsmenü in der WebUI der CCU2.
Bild 5: Der Homematic Dimmer HM-LC-Dim1PWM-CV: Hier kann zur Vermeidung von Flackererscheinungen die PWM-Frequenz eingestellt werden.
Bild 5: Der Homematic Dimmer HM-LC-Dim1PWM-CV: Hier kann zur Vermeidung von Flackererscheinungen die PWM-Frequenz eingestellt werden.
Mögliche Einsatzbereiche dieses Dimmers sind z. B. Aquaristik/Terraristik (über ein CCU-Programm realisierbare Sonnen-Auf/Untergangssteuerung), Deko-Beleuchtungen oder Deckenbeleuchtungen für 12-V-Einbauspots.

Homematic RGBW-Controller (HM-LC-RGBW-WM)

Dieser komfortable 4-Kanal-Dimmer (Bild 6) macht das Ansteuern der beliebten RGBW-Stripes ganz nach Wunsch möglich.
Bild 6: Der RGBW-Controller HM-LC-RGBW-WM erlaubt umfangreiche Einstellungen, hier die Auswahl der Leuchtfarbe.
Bild 6: Der RGBW-Controller HM-LC-RGBW-WM erlaubt umfangreiche Einstellungen, hier die Auswahl der Leuchtfarbe.
Die Besonderheit ist hier die getrennt mögliche Ansteuerung der weißen LEDs einer RGBW-LED-Anordnung. So kann man echtes, angenehmes Weiß einstellen statt des früher üblichen Weiß-Mischlichts bei einer reinen RGB-Anordnung, das meist als unecht und unangenhem empfunden wird.
Bild 7: Anschlussbeispiel für den RGBW-Controller
Bild 7: Anschlussbeispiel für den RGBW-Controller
Das verlustarme PWM-Verfahren macht es möglich, einen solchen 4-Kanal-Dimmer mit einem Ausgangsstrom bis 1,4 A je Kanal (12/24 VDC) in einem sehr kompakten Gehäuse unterzubringen. Bild 7 zeigt exemplarisch die Beschaltung. Bereits am Gerät selbst kann man die Helligkeit, die Lichtfarbe inklusive Weiß und einige automatisch ablaufende Programme wie Farbverlauf, Lagerfeuereffekt, Wasserfalleffekt oder TV-Simulation wählen. Diese Effekte und Einstellungen stehen auch bei einer direkten Verknüpfung, z. B. mit einer Handfernbedienung zur Verfügung.
Noch komfortabler und mit umfangreicheren Möglichkeiten geht es natürlich wieder über die WebUI der CCU2, wie in Bild 6 und Bild 8 zu sehen. Neben den bekannten Kanaleinstellungen sind hier in der Profilauswahl (Bild 8) automatisch ablaufende Profile wählbar.
Bild 8: In der Profilauswahl des RGBW-Controllers eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten.
Bild 8: In der Profilauswahl des RGBW-Controllers eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten.
So kann man den Dimmer quasi in beliebige Lichtszenarien einbinden, etwa für Dekorationsbeleuchtungen, die Heimkino-Beleuchtung, Szenen wie Einschlaflicht, Treppenhaus-/Flurlicht usw. Im Expertenmodus sind schließlich noch detailliertere und ausgefeiltere Dimm-Modi programmierbar.

Homematic Funk-Controller für Dual-White-LEDs (HM-LC-DW-WM)

Bild 9: LEDs decken einen weiten Farbtemperaturbereich ab.
Bild 9: LEDs decken einen weiten Farbtemperaturbereich ab.
Dieser Aktor löst eine weitere Aufgabe, die sich bei weißen LED-Beleuchtungen stellt – sie sind jeweils für eine ganz bestimmte Farbtemperatur gefertigt, die im Bereich von ca. 2700 K (Warmweiß) über 5000 K (Kaltweiß) bis 7000 K (Tageslicht-/Kaltweiß) liegt (Bild 9 zeigt diese unterschiedlichen Farbtemperaturen). Damit deckt man zwar die gesamte Palette der üblichen Farbtemperaturen ab, aber wir wissen, dass nicht jede Lichtfarbe in jeder Situation angenehm ist. So vermittelt Warmweiß eher ein behagliches, erholsames, sanftes Licht, Kaltweiß hingegen dient eher zur hellen Beleuchtung und Konzentration beim Arbeiten. Viele Menschen bevorzugen je nach Situation auch ein Mischlicht aus beiden Farben, und genau hier setzt dieser Dimmer an. Näheres dazu finden Sie übrigens im Artikel zu diesem Dimmer in diesem ELV Journal („Tunable White – Homematic Funk-Controller für Dual-White-LEDs”). Der Dimmer vermag die Weißwerte von Dual-White-LEDs sowie unterschiedlichen Weiß-LED-Streifen zu vermischen – so kann man eine Wunsch-Farbtemperatur konfigurieren. Zusammen mit via CCU2 ablaufenden Szenensteuerungen kann man so z. B. je nach Tageszeit und Bedarf unterschiedliche Lichtfarben, einzeln oder gemischt gesteuert, einstellen lassen und diese stufenlos mischen. Mögliche Anwendungsbereiche ergeben sich zahlreich: Ambientebeleuchtung, Raumbeleuchtung, Aquaristik/Terraristik, Schreibtischbeleuchtung, Einschlaf-/Aufwachlicht ...

Der Dual-White Controller in der Praxis

In unserem Anwendungsbeispiel zeigen wir eine mit dem Homematic Funk-Controller für Dual-White-LEDs realisierte, tageszeitabhängige Warm- bzw. Kaltweiß-Lichtsteuerung für ein Terrarium (Bild 10).
Bild 10: Mit dem Homematic Funk-Controller für Dual-White-LEDs lässt sich ganz einfach der Tageslichtlauf in einem Terrarium simulieren.
Bild 10: Mit dem Homematic Funk-Controller für Dual-White-LEDs lässt sich ganz einfach der Tageslichtlauf in einem Terrarium simulieren.
Durch den Funk-Controller wird morgens ein warmweißer Sonnenaufgang simuliert, welcher zur Mittagzeit die volle Helligkeit mit einer Lichtfarbe von ca. 4000 K erreicht. Um die Nachmittagszeit wird das kältere neutralweiße Licht wieder warmweiß und senkt sich in der Helligkeit bis zum Abend ab. Hierzu wird der Funk-Controller für Dual-White-LEDs elektrisch entsprechend seiner Bedienungsanleitung angeschlossen und an die CCU2 angelernt. Nachdem der Anlernmodus in der CCU2 gestartet wurde, muss für 4 Sekunden die Taste des Kanals 1 gedrückt werden, um auch diesen in den Anlernmodus zu versetzen (Bild 11).
Bild 11: Posteingang mit umbenannten Kanälen
Bild 11: Posteingang mit umbenannten Kanälen
Im Posteingang der CCU2 können das Gerät sowie die Gerätekanäle benannt werden: In Kanal 1 werden die Helligkeitseinstellungen vorgenommen (Bild 11a), in Kanal 2 die Einstellungen für die Lichtfarbe (Bild 11b).
Bild 11a: Einstellungen für den Helligkeitskanal
Bild 11a: Einstellungen für den Helligkeitskanal
Bild 11b: Einstellungen für den Farbkanal
Bild 11b: Einstellungen für den Farbkanal
Danach wird unter den Geräteeinstellungen (Einstellungen ž Geräte ž Einstellen) der Dual-White Controller konfiguriert. Jetzt ist es wichtig, eine direkte Verknüpfung zwischen einer virtuellen Gerätetaste der CCU2 und dem Dual-White Controller zu erstellen. Hierzu klickt man auf: „Programme und Verknüpfungen ž Direkte Verknüpfungen“ und auf den Button „Erstellen“ (Bild 12).
Bild 12: Die Auswahl des zu verknüpfenden Aktors
Bild 12: Die Auswahl des zu verknüpfenden Aktors
Hier muss der Farbkanal ausgewählt werden. Als zweiten Verknüpfungspartner für den Farbkanal ist ein virtueller Kanal der CCU2 zu wählen (Bild 13).
Bild 13: Die Wahl des zweiten Verknüpfungspartners – hier des virtuellen Kanals 1 der CCU2
Bild 13: Die Wahl des zweiten Verknüpfungspartners – hier des virtuellen Kanals 1 der CCU2
In unserem Beispiel haben wir uns für den Kanal 1 entschieden. Wichtig: Um die virtuellen Aktorkanäle einzublenden, ist es erforderlich, den Button „Virtuelle Kanäle anzeigen“ anzuklicken. Jetzt muss die Verknüpfung noch bearbeitet werden. Das erreicht man durch Klicken auf den Button „Erstellen und bearbeiten“ (Bild 14).
Bild 14: Das Erstellen der direkten Verknüpfung
Bild 14: Das Erstellen der direkten Verknüpfung
Hier wird die Rampenzeit, welche in diesem Beispiel drei Stunden betragen soll, eingestellt (Bild 15).
Bild 15: In der Profileinstellung werden die Rampenzeiten eingestellt.
Bild 15: In der Profileinstellung werden die Rampenzeiten eingestellt.
Wichtig ist hierbei, dass sowohl die „Rampenzeit beim Wechsel zu ‚Hoch‘“ als auch die „Rampenzeit beim Wechsel zu ‚Niedrig‘“ festgelegt wird. Um das Anwendungsvorhaben realisieren zu können, muss der Helligkeitskanal des Dual-White Controllers auf 100 % gesetzt werden. Das lässt sich im einfachsten Fall über die Bedienung unter „Status und Bedienung“ realisieren (Bild 16).
Bild 16: Der Funk-Controller für Dual-White-LEDs unter „Status und Bedienung“
Bild 16: Der Funk-Controller für Dual-White-LEDs unter „Status und Bedienung“
Ab jetzt kann ein Zentralenprogramm erstellt werden. In diesem Zentralenprogramm setzt man in der „Wenn-Bedingung“ zwei Zeitmodule. Eines löst zum Zeitpunkt 9:00 Uhr aus, ein weiteres, oder verknüpftes um 15:00 Uhr. Bild 17 zeigt diese Einstellungen.
Bild 17: Das Zeitmodul im Zentralenprogramm
Bild 17: Das Zeitmodul im Zentralenprogramm
In der „Dann-Bedingung“ wird die vorher festgelegte virtuelle Gerätetaste ausgewählt und hinzugefügt. Auch hier ist es wieder erforderlich, die virtuellen Kanäle anzeigen zu lassen (Bild 18)
Bild 18: Beim Setzen der Bedingungen ist wieder die Auswahl des virtuellen Kanals erforderlich.
Bild 18: Beim Setzen der Bedingungen ist wieder die Auswahl des virtuellen Kanals erforderlich.
Bild 19 zeigt schließlich das fertige Zentralenprogramm.
Bild 19: Das fertige Zentralenprogramm
Bild 19: Das fertige Zentralenprogramm
Diese beispielhafte Darstellung eines Zentralenprogramms mit dem Funk-Controller für Dual-White-LEDs kann nach Belieben angepasst und erweitert werden. Somit ist es recht schnell und einfach möglich, komplexe Lichtsteuerungen für Heimkinos oder Ambientebeleuchtungen umzusetzen.

Quellen:

[1] RP Energie-Lexikon, Dr. Rüdiger Paschotta https://www.energielexikon.info
[2] ELV Shop https://www.elv.de
[3] PWM-Tutorial Arduino Foundation, Timothy Hirzel https://www.arduino.cc/en/Tutorial/PWM

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