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Alles grün: Mit ausreichend MCU-Performance wird die DALI-Lichtsteuerung einfach und effizient.
Dimmer und Lichtsteuerung sind in diesem Aufbau per DALI verbunden.

Es werde Licht – oder auch nicht: Wenn es um das Schalten und Dimmen von Lampen und Leuchten in Wohnungen und Industriegebäuden geht, etabliert sich derzeit mit DALI ein neuer Standard. Das Digital Addressable Lighting Interface legt dabei ein Protokoll fest, also quasi die Sprache, mit der ein Controller die elektronischen Vorschaltgeräte in den Lampen steuert. DALI soll dabei keinesfalls die klassischen Heim‑ und Gebäudeautomationssysteme ersetzen: KNX, LON und andere sind für das Ansteuern aller Sensoren und Aktoren in einem Gebäude vorgesehen. DALI ergänzt diese Systeme und fügt sich nahtlos ein. Wenn es um das Steuern einer überschaubaren Anzahl intelligenter Leuchten geht, ist DALI der ideale Kandidat.

Auf einen Blick

Mit dem DALI-Protokoll steht ein Standard fürs Dimmen und Schalten von Leuchtquellen bereit. Wer nun ein DALI-konformes Vorschaltgerät entwickeln will, hat die Wahl zwischen vielen Implementierungsdetails. Eine besonders übersichtliche und dennoch sparsame Architektur ist mit Cortex-M0-Mikrocontrollern möglich.

In elektrischer Hinsicht ist DALI ein leitungsgebundenes Protokoll mit geringer Übertragungsrate (1,2 kBit/s) und niedriger Spannung (16 V gepulste Gleichspannung), das keine besonderen Kabel und keine Abschlusswiderstände benötigt. Bis zu 64 Knoten lassen sich einzeln, gemeinsam oder in Gruppen ansprechen, um rasch wechselnde Lichtszenerien zu erzeugen – beispielsweise in Ladengeschäften mit häufig wechselnder Ware. Auch Konferenzräume können schnell auf neue Lichteffekte umgestellt werden.

Sparsamer Bus

Zu den Hauptvorteilen des DALI-Busses gehören die Energieersparnis, die aus der Skalierbarkeit des Systems resultierende Kosteneffizienz und die Interoperabilität zwischen Produkten von verschiedenen Anbietern. NXP bietet hier Lösungen an, mit denen sich Stromverbrauch und Systemkosten nach Herstellerangaben weiter reduzieren lassen als mit anderen gegenwärtig verfügbaren Lösungen.

Bisherige DALI-Systeme basierten auf 8-Bit-Mikrocontrollern, von denen je Vorschaltgerät bis zu zwei verbaut wurden: einer übernahm das Decodieren der DALI-Meldungen, während der andere die PWM-Signale zum Ansteuern der Beleuchtungs-ICs erzeugte. Das war billiger als mit einem einzelnen, leistungsfähigeren Mikrocontroller die Systemkomplexität zu senken. Mit dem 32-Bit-ARM-Core Cortex-M0 steht seit 2009 aber eine Architektur zur Verfügung, die preislich mit den 8-Bit-Lösungen mithalten kann und dem Entwickler viel Komplexität abnimmt.

Alles mit einem

Bild 1: Ein einzelner Mikrocontroller genügt im Idealfall, um das DALI-Protokoll auszuwerten und gleichzeitig die Lichtquelle zu steuern.

Bild 1: Ein einzelner Mikrocontroller genügt im Idealfall, um das DALI-Protokoll auszuwerten und gleichzeitig die Lichtquelle zu steuern.NXP

Der LPC1100 mit bis zu 50 MHz Taktfrequenz und 45 DMIPS übertrifft die Performance typischer 8-Bit-Mikrocontroller. Er besitzt genügend Leistungsreserven, um die verschiedenen Funktionen eines DALI-Systems in einem Baustein zusammenzufassen (Bild 1), und gleichzeitig Anwender-Applikationen auszuführen. Das Decodieren der DALI-Messages und das Generieren der PWM-Signale lassen sich in einer kostengünstigen Single-Chip-Lösung implementieren: der LPC1100 ist in 10.000er-Stückzahlen unter 0,50 US-Dollar erhältlich.

Auch die Entwicklung gestaltet sich weniger komplex, denn die gesamte Software kann in C geschrieben werden. Hierfür stehen zahlreichen IDEs zur Verfügung sowie die Entwicklungs-Plattform LPCXpresso an, die die ARM-basierten LPC-Mikrocontroller von NXP unterstützt. Die Plattform besteht aus einer vereinfachten Eclipse-basierten IDE und Target-Boards mit eingebautem Jtag-Debugger.

Überall Strom sparen

Bild 2: Der LPC1100L enthält alle Peripherieblöcke, die eine Lichtsteuerung benötigt, und begnügt sich mit 130 µA/MHz.

Bild 2: Der LPC1100L enthält alle Peripherieblöcke, die eine Lichtsteuerung benötigt, und begnügt sich mit 130 µA/MHz.NXP

Niedriger Stromverbrauch gehört zu den gängigen Anforderungen, die an DALI-Systeme gestellt werden, denn die zahlreichen vernetzten Betriebsgeräte werden direkt aus dem Bus mit Strom versorgt. Der LPC1100L (Bild 2) begnügt sich mit einer aktiven Stromaufnahme von 130 µA/MHz. Etliche Power-Profile erlauben es dem Anwender, während des Betriebs die jeweils beste Kombination aus Verlustleistung und Performance zu wählen.

Die API-getriebenen Power-Profile geben den Anwendern sofort einsetzbare Power-Management-Vorlagen in die Hand. Da sich die Power-Profile außerdem für beliebige Low-Power-Applikationen anpassen lassen, können Designer mit minimalen Eingriffen in die eigentliche Applikation das jeweils ideale Verlustleistungsniveau erzielen. Die drei Power-Profile sind mit Blick auf CPU-Performance, CPU-Effizienz oder geringstmögliche aktive Stromaufnahme optimiert und ermöglichen eine maximale Taktfrequenz im gesamten Spannungsbereich von 1,8 V bis 3,6 V, ohne Abstriche an Geschwindigkeit oder Funktionalität.

  • Im CPU-Performance-Modus wird der Mikrocontroller für einen höheren CPU-Durchsatz konfiguriert und der Applikation mehr Verarbeitungsfähigkeit zur Verfügung gestellt. Coremark-Benchmarktests zeigen, dass der Durchsatz bis zu 35 % höher liegt als im regulären Betrieb.
  • Der CPU-Efficiency-Modus wiederum ist so konzipiert, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Performance und aktiver Stromaufnahme entsteht.
  • Der Modus für die geringste aktive Stromaufnahme ist für jene Anwendungen gedacht, in denen die Priorität auf einem minimalen Stromverbrauch liegt, während die Verarbeitungsfähigkeiten der CPU bedarfsentsprechend erhalten bleiben. Coremark-Benchmarks haben ergeben, dass sich die Leistungsaufnahme in dieser Betriebsart um 20 bis 30 % reduziert.

DALI nur mit EEPROM

Zusätzlich zu den Werkseinstellungen müssen DALI-Betriebsgeräte auch zur Laufzeit mehrere Parameter in nichtflüchtigen Speichern ablegen. Bestimmte Lichtszenarien (mit unterschiedlichen Dimmungs-Leveln bei den unterschiedlichen Betriebsgeräten) lassen sich vorab konfigurieren und später mit einem einzigen Befehl abrufen, auf den hin alle Betriebsgeräte die erforderliche Dimmung einstellen. Diese DALI-Funktion setzt die Ausrüstung des Systems mit EEPROM-Speicher voraus, der in den künftigen Bausteinen des Typs LPC11E 00 vorhanden sein wird. Zurzeit dient dagegen eine intelligente Software zur EEPROM-Emulation im Flash-Speicher.

Das Dimmen der Vorschaltgeräte erfolgt in der Regel mit PWM-Signalen. Der LPC1100 verfügt über vier Timer (zwei 16-Bit‑ und zwei 32-Bit-Timer), die bis zu elf PWM-Signale erzeugen. Der LPC1100L kann sogar die Dimmungs-Performance verbessern, indem der Chip durch Interpolation weiche Übergänge zwischen den DALI-Power-Levels berechnet.

Bei DALI geht es jedoch nicht nur um die Kommunikation. Die zweite Aufgabe eines DALI-Endknotens ist das Ansteuern der Beleuchtungsstufe. Die Green-Chip-Lösungen von NXP für Stromversorgung und Beleuchtung sind dafür ausgelegt, die Energieeffizienz zu verbessern und den CO2-Ausstoß zu verringern. Diese Technologie ist in die zentralen Elemente der Stromversorgungs‑ und Beleuchtungs-ICs von NXP eingebunden. Green-Chip-Produkte eignen sich für alle am Wechselstromnetz betriebenen Geräte und bieten zahlreiche Vorteile, die von einer niedrigen Standby-Leistungsaufnahme (10 mW) bis zur Fähigkeit zum Dimmen von CFL-Leuchtmitteln reichen.

Komplettes Demo-Kit

Bild 3: Das Starterkit auf Basis des Sperrwandler-Bausteins SSL4101 enthält neben der MCU auch die Stromversorgungen für Controller und LEDs.

Bild 3: Das Starterkit auf Basis des Sperrwandler-Bausteins SSL4101 enthält neben der MCU auch die Stromversorgungen für Controller und LEDs.NXP

Für die SSL-Technik (Solid-State Lighting) hat NXP ein Demo-Kit zusammengestellt. Es besteht aus dem DALI-Mikrocontroller LPC1114, der von einer Sperrwandler-Stromversorgung auf Basis des 5 W Green-Chip-IC TEA1721 versorgt wird, und dimmt ein LED-Array mithilfe eines PWM-Signals, das von einem DC/DC-Buck-Wandler vom Typ UBA3070 generiert wird. Diese echte Stromquelle wird aus einem 150-W-Netzteil versorgt, das auf dem Sperrwandler-Baustein SSL4101 beruht (Bild 3). Dieser ist hier zusammen mit einem PFC-Controller (Leistungsfaktor-Korrektur) zu einem Multi-Chip-Modul (MCM) kombiniert. Hinzu kommt auf der Sekundärseite eine Synchrongleichrichter-Schaltung auf Basis des Controller-IC TEA1761.

Die integrierten umweltfreundlichen Funktionen des SSL4101 sorgen unabhängig von der Ausgangsleistung für einen hohen Wirkungsgrad. Dies gilt für den Quasiresonanz-Betrieb bei hoher Leistung, den Quasiresonanz-Betrieb mit Valley-Skipping und für den Betrieb mit reduzierter Frequenz bei niedriger Ausgangsleistung. Die PFC-Stufe wird bei niedriger Leistung deaktiviert. Das 150-W/48-V-Netzteil aus SSL4101 und TEA1761 kommt bei voller Leistung an 277 VAC auf folgende Werte:

  • 94 % Wirkungsgrad
  • Leistungsfaktor > 0,99
  • THD 9 %
  • Leerlauf-Stromaufnahme

Die Standby-Leistungsaufnahme kann mit dem zusätzlichen IC TEA1703 auf unter 50 mA reduziert werden. Der verwendete Buck-Wandler UBA3070 fungiert als echte Stromquelle und kommt im Boundary Conduction Mode auf einen Treiberwirkungsgrad von > 95 %. Er kann LED-Ketten mit einer String-Spannung bis zu 600 V ansteuern.

Zur Versorgung des Mikrocontroller-Boards wird der neue Sperrwandler-Controller TEA1721 verwendet. Dank der primärseitigen Abtastung ist kein Optokoppler nötig, so dass sich die Kosten der Gesamtlösung entsprechend verringern. Mit dem Baustein lässt sich die Leistungsaufnahme ohne Last auf unter 10 mW drücken. Der Chip enthält einen Hochvolt-Leistungs-Mosfet (700 V) für den Netzbetrieb auf der ganzen Welt und kommt bei 5 W auf einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von >76 %.

Rundum sparen

Mit DALI sparen, könnte man sagen: Dank intelligenter Lichtsteuerung lassen sich Stromkosten weiter senken. Dabei ist es nur konsequent, auch die Controller energieeffizient auszulegen. Wenn auf der MCU noch ausreichend Reserven bleiben, um zusätzliche Applikationen zu starten, dann steht dem intelligenten Lichtmanagement nichts mehr im Weg.