LED Drivers and Dimming LED Lights

Ninety nine times out of a hundred, when someone replaces a low voltage halogen with an LED bulb then wonders why it doesn’t work the answer is to be found in the dimmer switch and/or transformer. Personally I long ago decided that choosing between mains and low voltage LED lights is a no brainer – follow the link to find out why.

Low voltage 12v LED lights need a specialist transformer commonly called an LED driver. These are guaranteed to provide a constant voltage (i.e. 12 volts plus or minus a small variation) since LED light bulbs are susceptible to damage due to too high and/or fluctuating voltage.

The problem with using the regular 12v transformers associated with low voltage halogen lights is that these expect quite a heavy load, typically in excess of 30w, and will output rather more than 12 volts if the load is too small.

If you have a large bank of LED spotlights (say 8 or more) then connecting them all to just one of the existing 12v transformers but leaving a single halogen in-situ is a reasonable compromise for many. This simply increases the load on the transformer sufficiently to prevent it increasing it’s voltage output and thereby damaging any LEDs in the circuit. It’s not the best way to go though since you still have an inefficient halogen lamp burning up the electricity bill.

So, if dimming 12v LED lights is not an issue (we’ll get to that next) then either artificially increase the load as described above, or more simply and preferably, install a constant voltage LED driver.

You don’t need one per lamp as is common with regular halogen low voltage transformers – a single driver can run a dozen or more LED spots. You could in principle also share a single driver across different areas if the layout of your house permits – have a single master switch to control power to the driver then feed the driver outputs via individual lighting switches to the lights. In practice LED drivers aren’t all that expensive and it’s much better to buy as many as makes the wiring easier.

Using LED lighting with a dimmer switch can be an issue for the reason that they are so low wattage. Conventional dimmer switches invariably require quite large loads (high wattages) otherwise they buzz, hum and generally don’t work.

Clearly the tiny wattages associated with low energy LED lamps are nowhere near enough to drive these beasts, and so in general people either opt to install energy saving LED lights for applications where dimming is not required or purchase LED dimmer units designed for this purpose.

Good options include this regular looking rotary LED dimmer switch (the one in the photo), or if you want to keep an existing baseplate but replace the interior dimmer module so that it can handle very low load LED lights then this rather cute LED dimmer moduleis a neat solution (note that this is only suitable for upgrading older style rotary dimmer switches). For more specialist applications then you can even get this diminutive LED strip light dimmer which even comes with a remote control.

The approved method for low voltage 12v LED lights is simply to install a dimmable LED driver plus a suitable dimmer switch (these are usually labeled by output voltage (i.e. 1 to 10v) rather than by maximum wattage). Alternatively, if using mains powered GU10 LED spots rather than low voltage MR16, an analog (not electronic) dimmer rated to cope with the very low load will also work.

Where dimmer switches and transformers are concerned, the first issue to understand is “loads”: a straightforward incandescent lamp is a “resistive” load; a traditional wire-wound transformer (as used to step down the voltage for low voltage lamps) is an electromagnetic or “inductive” load; a modern electronic transformer is a “capacitive” load (these last two both being forms of reactance or a “reactive” load).

Many people assume (reasonably enough) that dimming a light will save money since the light bulb uses less electricity. The truth is that it depends on the type of dimmer being used. Old fashioned dimmer switches simply used resistors (also called rheostats) to decrease the voltage passed to the load; this dissipates power as heat from the dimmer unit (rather than the light bulb) so it’s not actually saving anything much at all.

The heat loss in a resistive dimmer is proportional to the voltage across it multiplied by the current passing through it. But since small drops in voltage result in a much more noticeable drop in illumination for an incandescent lamp (the current is also quite low – about 250mA for a 60W bulb), the actual heat generated is not that great. Note also that the dimmer circuitry absorbs some power, even at full brightness, so there is always overhead involved regardless.

Nearly all modern dimmers however (typically TRIAC or Triode for Alternating Current) work by rapidly switching the electricity off and on as the mains alternating current changes polarity which results in reduced power being sent to the load and hence the appearance of reduced brightness. Normal mains electricity uses an alternating current (AC) that cycles (or switches) at the rate of about 50 times per second. A solid state electronic transformer simply chops the number of “on” states and thus less electricity gets sent to the light which causes it to dim. It also saves some money since power is not simply diverted into heat.

But it’s not quite that simple… there are two ways to achieve this switching effect, known as leading edge and trailing edge dimming. Without going into detail the general rule of thumb is that a leading edge dimmer will work with wire-wound or toroidal transformers (i.e. old style) but not electronic ones and a trailing edge dimmer is suitable for modern electronic transformers but not wire-wound ones. Except where otherwise stated. This site has a great section all about transformers if you want to really get into this subject.

Confused? If you can afford it there is always the option of an adaptive dimmer that as the name suggests dynamically adapts to work with resistive, inductive and capacitive loads. Now you know why so many low voltage light fittings with built-in transformers (ones that use G4 halogen bulbs are a prime example) state “non-dimmable”. They’re just covering their backsides – they often can be dimmed, but you need to establish what type of transformer it is using and purchase a type of dimmer suitable for that transformer.

Finally, be aware that whereas dimming an incandescent lamp will cause its color to shift more towards the red/yellow part of the spectrum, dimming an LED will simply reduce the light intensity without altering the color one iota (it has to be said that dimmable CFLs also behave the much same way and stay the same color but reduce in brightness).

LEDs emit light at a particular wavelength according to the energy band gap between the two sides of the diode. A dimmed LED simply emits fewer photons but still at the same wavelength (and hence color). This particular characteristic foxes many people because it’s not what they’re used to. It used to be a particular bug bear of mine but having now got used to lights that stay white but less bright when dimmed I actually prefer this new effect to the old color changing one.

That said… Dutch based manufacturer Ledzworld has products that incorporate a patented dimming system called Color Temperature Adjusted (CTA) Dimming that fades in an orange LED as the white is faded out and replicates the effect we’ve all come to know and really rather like when dimming incandescent lamps. Sometimes the answer is simplicity itself.

But don’t make this mistake! If you want to test a low load dimmable lamp such as an LED to find out how it performs, then if it is the only bulb being attached to the dimmer make certain to use a low load dimmer. And if the switch controls a number of lights do NOT simply replace one of them with the new LED. The dimmer switch will react to the primary load (all the other regular lights in the circuit) and your LED will behave very strangely indeed, possibly leading you to believe that it doesn’t work very well. Either ensure you have a full set of LEDs all attached to the same dimmer or follow the single bulb procedure just mentioned.

Major lighting manufacturer Sharp provide this extremely interesting and informative LED Catalogue that show very clearly how a major lighting manufacturer sees the future panning out. It also explains issues such as why you actually do need a constant voltage LED driver and the differences between wiring in series and parallel.