LED-Dimmen und Szenensteuerung mit DALI

von Dietmar Wenzel

1. Einleitung LED Dimmen mit DALI

Sie planen Ihre Wohnraumbeleuchtung mit neuer LED-Technik zu realisieren und wollen dabei die Helligkeit je nach Stimmung und Nutzung des Raumes bequem steuern?

Die LED-Technik und eine neue Generation von intelligenten Netzteilen mit digitalem Interface eröffnen dafür umfangreiche und komfortable Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Phasenan- und -abschnitts-Dimmern meist gar nicht oder nur mit Einschränkungen erreicht werden können.

Die Idee dabei ist, mit einem intelligenten Netzteil (auch Betriebsgerät oder Ballast genannt) für das LED-Leuchtmittel die gewünschte Spannung beziehungsweise den gewünschten Strom aus der Netzversorgung direkt zu liefern, statt mit einem teuren herkömmlichen Dimmer die Versorgungsspannung des Netzteils zu dimmen.

Genau dafür ist DALI (Digital Addressable Lighting Interface) gedacht. Es ist standardisiert und erlaubt DALI-Steuergeräte und DALI-Betriebsgeräte verschiedener Hersteller zu kombinieren. Der DALI-Bus versorgt dabei die Betriebsgeräte mit digitaler Steuerinformation.

Dadurch ist es möglich, gleichzeitig Informationen an mehrere Betriebsgeräte zu senden und somit mehreren Leuchtmitteln mit nur einem Tastendruck unterschiedliche Helligkeitswerte zuzuweisen, eine sogenannte Szene aufzurufen.

Dieser Beitrag zeigt, wie bereits mit einem kleinen DALI-System eine sehr komfortable und kostengünstige Lösung für einen Raum mit drei unabhängigen dimmbaren LED Lichtquellen realisiert wird. Als Bonus gibt es dazu noch ohne weiteren Aufwand an Komponenten eine Lichtszenensteuerung.

Der Fokus im Weiteren ist neben einer Kurzbeschreibung aller Komponenten die Programmierung und Konfiguration der DALI-Geräte.

2. Systemaufbau

Die Topologie des Systems besteht aus einem zweiteiligen LED Streifen, LED Einbaustrahlern und einer LED Flächenleuchte und ist wie folgt:

Dabei werden diese Komponenten für den Bau und die Programmierung verwendet:

LED-Leuchtmittel

• LED Lichtstreifen für eine indirekte Beleuchtung in abgehängter Decke
  Diese werden mit einer Konstantspannung von 24 V betrieben und haben bei einer Gesamtlänge von 15 m eine maximale Leistung von ca. 140 W.
• LED Downlights für die Effektbeleuchtung
  Diese COB Leuchtmittel haben je eine Leistung 6 W und werden mit einem Konstantstrom von 350 mA betrieben.
  Insgesamt werden neun Leuchten in zwei Gruppen verbaut.
• LED Panel mit 62,5 x 62,5 cm für die Arbeitsbeleuchtung
  Dieses Panel hat eine Leistung von 47W und wird mit einem Konstantstrom vom 1050 mA betrieben.

DALI-Betriebsgeräte zum Dimmen von LED

• Für die LED Streifen:
  Das DALI-Betriebsgerät mit Konstantspannung eldoLED linearDRIVE 210D.
  Es ist geeignet für Lasten bis 200 W. Die Besonderheit der eldoLED Betriebsgeräte ist die flickerfreie Dimmbarkeit herab bis zu einem Helligkeitswert von 0,1%.Das DALI Konstantspannungs-Betriebsgerät benötigt eine 24 V Stromversorgung. Hierfür wird das Netzgerät Meanwell ELG-150-24 verwendet.
• Für die LED COB Downlights und das LED Panel:
  Das DALI-Betriebsgerät mit programmierbarem Konstantstrom eldoLED soloDRIVE 560/A.
  Die Stromversorgung ist im soloDRIVE 560/A bereits integriert. Aufgrund der maximalen Ausgangsspannung von 55 V (SELV) dieser Betriebsgeräte und des Nennstroms von 350 mA der LED COB Leuchtmittel mit 6 W, können maximal drei Downlights in Serie an einen Ausgang angeschlossen werden. Daher werden zwei Betriebsgeräte für die insgesamt neun Downlights benötigt.
  Bestimmte Parameter der DALI-Betriebsgeräte wie Nennwert des Konstantstroms oder die Art der Dimm-Kennlinie – logarithmisch oder linear, müssen im Betriebsgerät programmiert werden. Falls nicht bereits ab Werk mit gewünschter Einstellung bestellt werden kann, ist die Programmierung mit dem FluxTool und der TOOLbox von eldoLED erforderlich, da diese Parameter geräteabhängig und nicht über DALI-Befehle einstellbar sind.
  https://www.eldoled.com/led-drivers/tooling/

DALI-Steuergerät und Stromversorgung

• Für die Spannungsversorgung des DALI-Busses kommt die
  LUNATONE DALI PS2 Stromversorgung für Doseneinbau zum Einsatz. Sie hat einen maximalen Strom von nur 30 mA, reicht damit aber für unser kleines DALI-System gut aus und kann platzsparend und zugänglich in einer Gerätedose verbaut werden. Pro Steuergerät kann man grob mit 6 mA und pro Betriebsgerät mit ca. 2 mA rechnen, also im vorliegenden Fall 1x 6 mA + 4x 2 mA = 14 mA.
• Für die Steuerung und Generierung der DALI-Befehle wird als Herzstück das Multi Control Module DALI MC von LUNATONE verwendet.
  Das Multi Control Module erlaubt den Anschluss von bis zu vier normalen Tastern oder Schaltern, mit denen umfangreiche Funktionen realisiert werden können.

DALI-Programmierung

• Für die Programmierung des Multi Control Modules und der DALI Betriebsgeräte ist das LUNATONE DALI Cockpit erforderlich.
  http://lunatone.at/de/downloads/Lunatone_DALI_Cockpit_StartUp_Guide_V4_EN.pdf

• Für die Verbindung des DALI-Systems mit dem DALI Cockpit auf dem PC ist ein DALI USB Adapter erforderlich. Zum Beispiel der Adapter von Tridonic.

3. Inbetriebnahme

Zuerst werden die DALI-Betriebsgeräte mit Hilfe der TOOLbox und dem FluxTool mit den Parametern für die Leuchtmittel programmiert, an die sie später angeschlossen werden, also Nennstrom und Dimm-Kennlinie.

In unserem Fall werden alle Betriebsgeräte auf logarithmische Dimm-Kennlinie eingestellt, da dies eine wesentlich feinfühligere Regulierung der Helligkeit im unteren Bereich ermöglicht. Der Nennstrom wird für zwei Konstantstrom-Betriebsgeräte auf 350 mA für die Downlights und beim dritten auf 1050 mA für das LED Panel eingestellt.

Danach bietet sich vor dem endgültigen Einbau an, einen Testaufbau zu machen und alle Geräte miteinander gemäß obigem Bild zu verbinden.

Schließlich wird der DALI USB Adapter an die DALI Leitung DA+ und DA- angeschlossen und mit dem PC verbunden, auf dem das DALI Cockpit installiert ist.

4. Konfiguration

Zuerst erfolgt die Adressierung der DALI Komponenten. Dies geschieht automatisch gesteuert durch das Cockpit (Auswahl: neue Installation) und anschließend erscheinen die DALI Geräte in der Geräteliste. Jedes der Geräte kann nun separat über seine Adresse angesprochen und konfiguriert werden.

Zuvor ist aber etwas Planung erforderlich, welche Funktionalität und Bedienmöglichkeiten gewünscht sind. Im vorliegenden Projekt soll folgendes möglich sein:

• Jede der drei LED Lichtquellen soll separat ein-/ausschaltbar und per Tastdimmfunktion dimmbar sein.
• Weiterhin sollen drei verschiedene Szenen gewählt werden können, bei denen also alle drei Lichtquellen gemeinsam gesteuert werden und dabei bestimmte individuelle Helligkeitswerte annehmen, zum Beispiel
  o   eine besonders helle Szene für Arbeiten,
  o   eine Szene mit gedämpftem Licht für ein angenehmes Ambiente und
  o   eine dritte Szene mit geringem indirekten Licht für Fernsehen oder Projektionen mit dem Beamer.
• Drei der insgesamt neun Einbaustrahler sollen separat abschaltbar sein, z. B. weil sich diese zu nah beim Fernseher befinden und blenden können.
• Darüberhinaus sollen alle Lichtquellen gemeinsam ausgeschaltet werden können.
• Obige Funktionen sollen mit maximal vier Tastern bedienbar sein.

5. Festlegung der DALI Gruppen

Ein Grundkonzept von DALI ist, Betriebsgeräte in Gruppen zu organisieren. Die Zugehörigkeit zu einer Gruppe wird im DALI-Betriebsgerät festgelegt. Ein Gerät kann auch zu mehreren Gruppen gehören.

Wir definieren die Guppenzugehörigkeiten:

Gruppe 0: Betriebsgerät 0 für Lichtstreifen (linearDRIVE 210D)

Gruppe 1: Betriebsgerät 1 und 2 für Downlights (zwei soloDRIVE 560/A 350 mA)

Gruppe 2: Betriebsgerät 3 für Panel (soloDRIVE 560/A 1050mA)

6. Festlegung der DALI Szenen

Ein weiteres Grundkonzept von DALI sind die Szenen.  Auch diese werden im DALI-Betriebsgerät hinterlegt. Von den 16 möglichen Szenen nutzen wir sechs mit folgendem Zweck:

Szene 0: Helligkeit beim Einschalten

Szene 1: Arbeiten

Szene 2: Ambiente

Szene 3: Fernsehen

Szene 4: Drei Downlights aus

Szene 5: Alles aus (Helligkeitswert 0)

Für jedes Betriebsgerät kann für jede Szene ein individueller Helligkeitswert programmiert werden.

7. Programmierung des DALI Multi Control Modules

Damit auf dem DALI Bus Befehle gesendet werden können, muss das DALI-Steuergerät – in unserem Fall der DALI MC – programmiert werden. An jeden der Eingänge T1, T2, T3 und T4 ist ein Taster angeschlossen,  der jeweils mit einer Funktion belegt werden kann. Es stehen 15 Funktionen zur Verfügung.

Für die Ein-/Aus- und Dimmfunktion werden die Taster T2, T3 und T4 als Dimmtaster konfiguriert (Funktionskürzel BF6). Kurzes Tippen schaltet die Leuchte ein bzw. aus und langes Drücken dimmt auf bzw. ab. Als Zieladresse wird die jeweilige Gruppe angegeben:

T2: Gruppe 0

T3: Gruppe 1

T4: Gruppe 2

Jetzt muss noch festgelegt werden, welche Befehle die Taster beim Ein- und Ausschalten senden. Eine geschickte Wahl ist ein Aufruf einer bestimmten Szene. Damit wird nicht im Steuergerät ein bestimmter Helligkeitswert fest vorgegeben, sondern dieser ist immer im Betriebsgerät individuell einstellbar. Dementsprechend haben wir bereits die Szenen angelegt.

Als Einschaltbefehl wird einfach „GOTO SCENE 0“  gewählt und als Ausschaltbefehl „GOTO SCENE 5“.

Damit ergibt sich folgende Übersicht:

Dies hat mehrere Vorteile:

• Im Gegensatz zu dem oft verwendeten On Command „Recall Max“ oder „Recall Min“ kann der Helligkeitswert beim Einschalten in der Szene 0 unabhängig vom maximalen und minimalen Dimmwert gewählt werden, z. B. eine mittlere Helligkeit, die man meistens benötigt.
• Alternativ kann man zwar zum Ausschalten den Befehl OFF senden. OFF schaltet jedoch sofort, d. h. ohne Fading Time aus. Ist ein sanftes Herunterdimmen zum Ausschalten gewünscht, dann empfiehlt sich ein Szenenaufruf, da der Übergang zu einer Szene immer mit der Fading Time geschieht. Physikalisch gesehen ist das Senden des Helligkeitswerts 0 und das Senden des Befehls OFF in diesem Fall identisch.
• Da der Taster an eine Gruppe sendet und nicht an eine einzelne Adresse, kann später das Beleuchtungskonzept leicht erweitert werden, ohne dass am Taster eine Umprogrammierung erfolgen braucht. Man fügt lediglich ein weiteres Betriebsgerät dieser Gruppe hinzu.

Bisher haben wir die Funktion des Taster T1 noch nicht festgelegt. Dieser soll für die Steuerung der Szenen und die zentrale Ein-/Ausschaltfunktion verwendet werden.

Hierfür wird der Taster T1 mit der im DALI MC verfügbaren Makro-Funktion „Sequenzieller Szenenaufruf“ konfiguriert.

Die Zieladresse sind alle Steuergeräte bzw. alle Gruppen, also DALI Broadcast, da die Szenen auf alle drei Lichtquellen wirken sollen.

„Sequenzieller Szenenaufruf“ bedeutet, dass mit jedem Drücken des Tasters zur nächsten Szene weitergeschaltet wird. Nach der letzten Szene wird wieder zur ersten gesprungen. Bis zu 16 Szenen und AUS lassen sich so hintereinander „durchschalten“. Das DALI MC erlaubt die Auswahl, welche der maximal 16 Szenen in die zyklische Sequenz aufgenommen werden sollen. In unserem Fall sind dies:

SCENE 1 -> SCENE 2 -> SCENE 3 -> SCENE 4 -> SCENE 5 -> SCENE 1 -> usw.

Die Szenen werden dabei mit der Fading Time überblendet. D. h., jedes Betriebsgerät fährt vom augenblicklichen Helligkeitswert innerhalb der Fading Time auf den neuen Zielhelligkeitswert der aufgerufenen Szene. Wird der Taster vor Ablauf der Fading Time erneut gedrückt, wird ab diesem Zeitpunkt der Zielwert der nächsten Szene angefahren. Die Fading Time startet dabei neu.

Auch hier ist die Programmierung des Tasters völlig unabhängig von der Zahl der Betriebsgeräte oder deren Adressen. Die einzig zu treffende Entscheidung ist, wie viele Szenen man unterscheiden möchte. Alles Andere wird in den Betriebsgeräten festgelegt, auch die Fading Time.

Damit ist die Programmierung des Multi Control Modules abgeschlossen.

8. Programmierung der DALI Szenen

Mit Hilfe der Szenen werden nun noch die restlichen Eigenschaften der gewünschten Konfiguration aus Abschnitt 4 verwirklicht.

Dazu ist das Verständnis hilfreich, wie DALI einen Helligkeitswert überträgt. Es sind  Werte von 0 bis 255 möglich. 0 entspricht OFF bzw. dem Helligkeitswert 0%. 254 entspricht dem Helligkeitswert 100%. Helligkeitswerte dazwischen werden nichtlinear auf die Werte 1 bis 253 abgebildet. So entspricht beispielsweise der Wert 1 0,1% und der Wert 253 97,3%. Damit wird eine sehr feine Abstufung bei geringen Helligkeiten erreicht, was dem Empfinden des menschlichen Auges entgegenkommt. Der Wert 255 (MASK) ist reserviert und bedeutet keine Helligkeitsänderung zum bestehenden Wert.

Mit dem Wert 255 kann man in geschickter Weise beim Aufruf von Szenen vorher eingestellte Helligkeitswerte übernehmen. Dies ist beispielsweise nützlich für das selektive Ausschalten der drei Downlights. Alle Betriebsgeräte behalten ihre Werte bei, nur das eine, das die drei Downlights versorgt, dimmt in Szene 4 zum Helligkeitswert 0%.

Somit ist sogar möglich, wenn man Szene 3 aufgerufen hat, dann mit den einzelnen Tastdimmern jede Lichtquelle individuell zu dimmen und danach zur Szene 4 zu wechseln, um die drei nicht gewünschten Downlights abzuschalten. Die Helligkeit der verbleibenden Downlights ist also auch individuell einstellbar, obwohl dieses Betriebsgerät von keinem Dimmtaster einzeln ansteuerbar ist.

Für die Szenen ergibt sich somit folgender Überblick:

In der Tabelle ist jeweils der DALI Wert und der zugehörige Helligkeitswert in % angegeben. Die Helligkeitswerte hängen vom verwendeten Leuchtmittel, den Einbau- und Raumverhältnissen und natürlich vom gewünschten Ergebnis ab.

9. Festlegen weiterer DALI Parameter

In den Betriebsgeräten sind noch eine Reihe weiterer DALI Parameter festzulegen. Diese sind zwar für jedes Betriebsgerät individuell einstellbar, werden aber im vorliegenden System für alle gleich gewählt.

Den Bereich der gewünschten Dimmbarkeit. Dieser hängt im Allgemeinen vom Leuchtmittel und den örtlichen Gegebenheiten ab. Da neben den wählbaren Szenen einzelne Dimmtaster zur Verfügung stehen und die Einschalthelligkeit getrennt wählbar ist, wird der vollständig mögliche Dimmbereich erlaubt. Gerade auch im unteren Bereich, in dem die besonderen Eigenschaften der gewählten Betriebsgeräte vorteilhaft sind.

Min Level 1: 0,1%

Max Level 254: 100%

Die zeitlichen Parameter sind ausschlaggebend beim Szenenwechsel und beim Dimmen. Diese sollten daher unbedingt identisch in allen Betriebsgeräten sein, um ein synchrones Ansteuern einer neuen Szene zu erlauben. Für ein sanftes Überblenden der Szenen ist die Fading Time ausschlaggebend und für ein feinfühliges Regeln der Helligkeit, besonders im unteren Bereich, die Fading Rate.

Fading Time 3: 1,4 s

Fading Rate 8: 31,6 Schritte/s

Bei einem Fehler am DALI-Bus, z. B. durch Kurzschluss, und nach Wiederkehr der Netzspannung ist das Verhalten festzulegen. Hier ist gewählt, dass die Lichtquellen ausgehen bzw. aus bleiben.

System Failure Level 0: 0%

Power On Level 0: 0%

Damit ist die Programmierung der DALI-Betriebsgeräte abgeschlossen.

10. Zusammenfassung

Mit nur einem DALI-Steuergerät, dem DALI MC, und vier Tastern lässt sich eine umfangreiche Lichtsteuerung für drei einzeln steuerbare Lichtquellen ermöglichen, die neben dem Komfort einer zusätzlichen Szenensteuerung auch weitere technische Vorteile gegenüber herkömmlichen Dimmern bietet. Die gewählten Betriebsgeräte erlauben einen deutlich größeren Dimmbereich nach unten und bieten ein verbessertes Flickerverhalten. Zudem bietet die Lösung einen Kostenvorteil gegenüber konventionellen Lösungen, wo neben den Netzgeräten auch mehrere kostenintensive elektronische Tastdimmer benötigt würden.

Die Programmierung selbst ist sehr übersichtlich. Allerdings sind Investitionskosten für die Programmieradapter nötig, die bei kleineren Projekten die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen können. Umgekehrt ist aber durch den geringeren Verkabelungsaufwand wiederum eine Ersparnis zu erwarten.