Das Ziel von HCL (Human-Centric Lighting) ist es, den Wechsel von natürlichem Tageslicht nachzubilden, von einem warmen, rötlichen Ton von etwa 3000 K am Morgen bis hin zum Maximum von 5500 bis 6500 K am Mittag (siehe Bild 1). Dieser allmähliche Farbtemperaturwechsel zu kaltweißem Licht hemmt beim Menschen die Produktion des Hormons Melatonin, das unser Schlafbedürfnis steigert. Anders ausgedrückt: Ein niedriger Melatoninspiegel lässt uns aufmerksamer und konzentrierter werden. Dies steht im Kontrast zum recht harschen Bürolicht, welches sich den ganzen Tag über nicht ändert.

Bild 1: Human-centric Lighting (HCL) versucht, den natürlichen Wechsel des Tageslichts nachzuahmen, damit auch die Melatonin-Produktion des Menschen dem natürlichen Rhythmus folgen kann.

Bild 1: Human-centric Lighting (HCL) versucht, den natürlichen Wechsel des Tageslichts nachzuahmen, damit auch die Melatonin-Produktion des Menschen dem natürlichen Rhythmus folgen kann. EBV Elektronik

Licht für draußen

Die meisten Menschen verbringen bis zu 90 % ihres Arbeitstages im Inneren und sind dabei diesem statischen Licht ausgesetzt. Untersuchungen mit Studenten zeigen bis zu 30 % Leistungssteigerung, wenn die statische Beleuchtung im Büro gegen HCL-Systeme ausgetauscht wird. Wenn dann die Lichttemperatur gegen Abend auf entspannende 3000 K zurückgeht, hilft das, einen positiven und natürlichen Rhythmus zu bewahren, um Schlafstörungen vorzubeugen.
Die Kombination einer Matrix kostengünstiger und steuerbarer Leuchtdioden ermöglicht jetzt die Entwicklung neuer HCL-Systeme. Diese LED-Systeme ermöglichen verschiedene Farbtöne und verfügen über günstige aber leistungsstarke Mikrocontroller sowie drahtlose Verbindungen zur externen Steuerung, etwa mit Hilfe eines Smartphones.

Human-Centric Lighting

Während dies für den Arbeitsplatz und Zuhause eine effektive und flexible HCL-Lösung bietet, präsentieren sich auch neue Möglichkeiten für Designer von Lichtsystemen. Im Gegensatz zu einer Standardbeleuchtung mit einfarbigen, fluoreszierenden oder Halogenlicht-Quellen kann sich ein HCL-Lichtsystem automatisch justieren. Dies ist abhängig von der Tageszeit oder entsprechend den Aktivitäten und Wünschen des Benutzers. Das hat einen Mehrwert für den Entwickler, und das Lichtsystem kann direkt in den Markt für Smart-Homes und das IoT (Internet der Dinge) platziert werden.

Bild 2: EBV Elektronik hat ein System entworfen um Human-Centric Lighting (HCL) zu demonstrieren. Hierbei kommt ein Arduino Shield von Infineon Technologies mit steuerbaren Hochleistungs-LEDs von Osram zum Einsatz.

Bild 2: EBV Elektronik hat ein System entworfen um Human-Centric Lighting (HCL) zu demonstrieren. Hierbei kommt ein Arduino Shield von Infineon Technologies mit steuerbaren Hochleistungs-LEDs von Osram zum Einsatz. EBV Elektronik

Eckdaten

EBV Elektronik hat mit Infineon Technologies und Varep ein LED-Lichtpanel entwickelt, mit dem der Farbtemperaturverlauf des natürlichen Tageslichts nachgestellt wird. Diese Art der Beleuchtung wird als ­Human-Centric Lighting (HCL) bezeichnet. Untersuchungen zeigen, dass diese Art der Beleuchtung beispielsweise in Büros zu einer Leistungssteigerung von 30 % führen im Vergleich zu statischen Beleuchtungen. Die beschriebene HCL-Beleuchtung baut auf neueste steuerbare High-Power-LEDs und Mikrocontroller auf.

Technischer Aufbau des LED-Lichtpanels

Um den besonderen Nutzen von HCL-Systemen zu demonstrieren, hat EBV Elektronik ein Lichtpanel (Bild 1) aufgebaut, das sowohl die Einstellung der Farbtemperatur ermöglicht als auch die Fernsteuerung per Smartphone erlaubt. Das Panel basiert auf einem Arduino-Bord, bestehend aus einem Controller-Basisboard mit zusätzlichen Peripherieelementen (Shields genannt), die weitere Features ergänzen.
Das Lichtpanel besteht aus vier parallelen Modulen mit kaltweißen (6500 K) und warmweißen (3000 K) Duris-S2-LEDs von Osram im Chip-Scale-Package (CSP). Die Ansteuerung der LED-Streifen erfolgt über zwei Kanäle mit Hilfe der von Infineon Technologies entwickelten RGB-Arduino-Shields. Das Shield nutzt den Mikrocontroller XMC1202, um einen PWM-gesteuerten konstanten Ausgangsstrom zu liefern. Das Arduino-Shield empfängt zudem Daten von einem Bluetooth-Board, das wiederum mit einem Smartphone oder Tablet gekoppelt ist, sodass Anwender das Lichtpanel via App steuern und regeln können.

Arduino-Shield

Der Mikrocontroller XMC1202 stammt aus der XMC1000-MCU-Familie von Infineon auf Basis des ARM-Cores Cortex-M0. Mit seiner BCCU (Brightness and Color Control Unit) ermöglicht er flimmer- und flackerfreies Dimmen sowie eine Farbsteuerung. Infineon hat das Arduino-Shield so entworfen, dass es leicht zu konfigurieren ist, um verschiedene LED-Lichtsysteme und Lampen zu kombinieren. Dies ermöglicht ein zügiges Prototyping und Evaluieren von LED-Lighting-Anwendungen. Das Shield enthält auch einen DC/DC-Buck-Converter, um bis zu drei LED-Kanäle mit einem Konstantstrom von maximal 700 mA zu versorgen. Herzstück des Shields ist ein XMC1202, welcher die BCCU im Chip integriert hat. Dieser lichtspezifische Hardwareblock steht im Mittelpunkt eines HCL-Entwurfs, um das weiche, augenfreundliche Dimmen und Farbmischen zu implementieren.

Bild 3: Das Digital Addressable Lighting-Interface (DALI) kann bis zu 64 LED-Einheiten auf einer einzigen Zweileiter-Schnittstelle speisen.

Bild 3: Das Digital Addressable Lighting-Interface (DALI) kann bis zu 64 LED-Einheiten auf einer einzigen Zweileiter-Schnittstelle speisen. EBV Elektronik

Unabhängig davon hat Infineon das Arduino-Shield und den XMC1202 auch für ähnliche Applikationen genutzt. Der Hersteller verwendet fünf Leitungen des Boards und zwei (von drei) der zur Verfügung stehenden MOSFET-Gate-Treiber. In diesem Fall entwickelte das Team den Applikationscode passend zu einer Keramik-Multichip-LED CHI3030 von Everlight Electronics. Bei beiden Kanälen – warm und kalt – beträgt der Strom 500 mA bei einer Vorwärtsspannung von 25,5 V; der Code lässt sich auch bei anderen Licht-Engines mit ähnlichen Eigenschaften direkt nutzen.
Die Kombination aus Arduino-Board und dem Code auf dem XMC1202 steuert das Licht von warmem Weiß (mit einer Farbtemperatur von 2700 K) bis zu kaltem Weiß (mit einer Farbtemperatur von 5700 K) in 4095 Schritten – auch beim Dimmen mit einer flimmerfreien Qualität von bis zu 0,5 % Abblendunsgrad.

Lichtsteuerung mit DALI

Das Digital Addressable Lighting Interface, DALI genannt, ist eine Möglichkeit zur Erweiterung des Systems (Bild 3). DALI ist eine nicht-proprietäre bidirektionale Standard-Zweileiter-Schnittstelle für dimmbare elektronische Steuerungen, die ein Maximum von 64 ECGs (Electronic Control Gears, beispielsweise ein Lichtpanel) unterstützt. Diese können individuell oder im Sendemodus mit einem hohen Grad an Flexibilität gesteuert werden: in bis zu 16 Gruppen, ohne dass dafür Relais erforderlich sind. Schalten und Dimmen erfolgen über die Steuerung, und wichtige Informationen sowie der Lampenstatus kann der Benutzer abrufen, weil sie im ECG gespeichert sind.

Bild 4: Das RGB-LED-Arduino-Shield-Board auf einem BLE-Pioneer-Kit-Baseboard von Cypress mit einem Evaluation-Board für die PSoC-BLE-Chip-Lösung von Cypress, um das HCL-System mit Bluetooth zu steuern.

Bild 4: Das RGB-LED-Arduino-Shield-Board auf einem BLE-Pioneer-Kit-Baseboard von Cypress mit einem Evaluation-Board für die PSoC-BLE-Chip-Lösung von Cypress, um das HCL-System mit Bluetooth zu steuern. EBV Elektronik

Die zweipolige Schnittstelle ist leichter zu planen und zu installieren als die auf 1 bis 10 V basierenden Schnittstellen. Wenn diese Schnittstelle für bis zu 64 Geräte zum Einsatz kommt, ist es nicht erforderlich, die Lichtgruppen schon bei der Planung zuzuordnen; sie lassen sich vielmehr auch später durch den Mikrocontroller und die drahtlose Verbindung anlegen. Das heißt auch, dass das Planen der Steuerung völlig separat von der Planung der Stromversorgung stattfinden kann. Die zweipolige Steuerung ist gegen Verpolung geschützt und lässt sich mit der Stromversorgung koppeln, zum Beispiel in einemfünfpoligen NYM-Kabel. Die Steuerung muss nur auf die Netzspannung ausgelegt sein, damit sie keine spezielle Verkabelung benötigt. Das macht das Installieren in großen Büroräumen einfacher, speziell weil keine Relais für die Umschaltung der Vorrichtungen notwendig sind.
Ein zentrales Feature von DALI ist, dass die Lichtgruppen nicht fest verdrahtet sind. Der Controller teilt die individuellen LED-Baugruppen einfach in Gruppen ein, und diese Gruppen können lassen sich jederzeit verändern. Selbst wenn verschiedene Lichtsysteme oder Beleuchtungskörper auf verschiedenen Abblendstufen starten oder gar eine Kombination verschiedener Lichtquellen-Typen erfolgt, kann DALI den Wechsel von einer Lichtszene zur Nächsten synchronisieren, sodass alle Lichtquellen den neuen Lichtwert zur gleichen Zeit erreichen – und das ermöglicht eine konstante Beleuchtung der HCL-Systeme.

Bluetooth als Steuerungsverbindung

Bild 5: Mobile App von Cypress zur Steuerung der LED-Beleuchtung.

Bild 5: Mobile App von Cypress zur Steuerung der LED-Beleuchtung. EBV Elektronik

Ein Hauptmerkmal von HCL und anderen Smart-Lighting-Systemen ist die Möglichkeit, das Lichtsystem mit einem Smartphone oder einem automatisierten Heimsystem zu verbinden, was oftmals über eine drahtlose Verbindung wie Bluetooth Low Energy (BLE) erfolgt. Das Arduino-Demonstration-System von EBV koppelt sich mit dem BLE-Kit (CY8CKIT-042-BLE) von Cypress für drahtlose Kommunikation von einem iOS- oder Android-Mobiltelefon zum Panel (Bild 1). Der Blue­tooth-Smart-Firmware-Stack und die Anwendungssoftware zur Vernetzung mit dem Infineon-LED-Shield läuft auf einem PSoC4-BLE-Entwicklungsmodul von Cypress, während die Ansteuerung des XMC1202-Controllers von Infineon auf dem Arduino Shield über die serielle I2C-Schnittstelle erfolgt.
Die Mobile-App Cysmart von Cypress steht für iPhone- und Android-Geräte zur Verfügung und lässt sich über BLE, je nach Umweltbedingungen mit einer Reichweite von bis zu 30 m, direkt mit dem Shield Board des LED-Panels verbinden.
Sobald es mit dem LED-Service verbunden ist, bietet die grafische Schnittstelle ein Farbfeld zur RGB-Steuerung und einen Regler zur Helligkeitsabstimmung des LED-Panels. Für diese Human-Centric-Lighting-Anwendung ist bei der Farbtemperaturregelung der rote Kanal auf warmweiße und der blaue Kanal auf kaltweiße LEDs abgestimmt. (dw/av)