Steuerung von abstimmbaren weißen LEDs für ergonomische Beleuchtung

Im Mittelpunkt der ergonomischen Beleuchtung (Human-Centric Lighting, HCL) stehen die abstimmbaren weißen LEDs. Für die Implementierung von HCL ist es wesentlich Schaltungen zu entwickeln, die die weißen LEDs dimmen, die Farbtemperatur erkennen und regeln und dabei stets die erforderliche Helligkeit liefern. Dieser Beitrag beschreibt die Möglichkeiten des Beleuchtungsmoduls XMC1202-RGB von Infineon zum schnellen Prototyping mit abstimmbaren weißen LEDs.

Die Wirkung von Beleuchtung

Bild 1: Für die Regelung einer weißen LED sind zwei Kanäle notwendig: warmes und kaltes Weiß. Infineon

HCL beruht darauf, dass die Veränderung des natürlichen Lichts im Lauf des Tages durch abstimmbare Hochleistungs-LEDs und Mikrocontroller imitiert wird. Morgens hat das Licht eine rötliche Farbtemperatur von etwa 3000 K; gegen Mittag liegt diese bei etwa 6500 K. Beim Menschen bewirkt diese Änderung der Farbtemperatur die Produktion verschiedener Hormone wie Melatonin, die eine wichtige Rolle für den menschlichen Schlafzyklus spielen.

Die Melatoninkonzentration ist nachts höher und am Tage geringer. Das menschliche Auge nimmt ebenfalls Lichtinformationen auf, vor allem den blauen Anteil des Umgebungslichts. Insbesondere die lichtempfindlichen Ganglienzellen der Netzhaut sind für einen schmalen Bereich des blauen Lichts der Wellenlänge um 480 nm empfindlich. Studien haben gezeigt, dass Licht mit einer hohen Blaukomponente im Spektrum die menschliche Leistung und Konzentration aktivieren und steigern kann. Wenn der Anteil dieser Blaukomponente sinkt, ruht sich der Körper aus und geht in einen ruhigeren und weniger produktiven Modus über.

In der Vergangenheit lag die Farbtemperatur nach Auswahl einer Glüh- oder Fluoreszenzlampe fest. Eine herkömmliche 3500-K-Lampe konnte eben auch nur eine Farbtemperatur von 3500 K liefern. LEDs sind dagegen in der Lage, ein breites Spektrum sichtbaren Lichts zu liefern, sodass sie auf künstliche Weise die Änderungen des natürlichen Lichts produzieren können. Dies gelingt mit regelbaren weißen LEDs, Treibern, Lichtsystemen und Steuerkanälen, mit denen sich die Farbtemperatur des ursprünglich weißen Lichts des Beleuchtungskörpers regeln lässt.

Eine abstimmbare weiße LED besteht in der Grundform aus zwei LED-Kanälen: einem kaltweißen und einem warmweißen Kanal (Bild 1). Die Steuerparameter sind dabei Helligkeit und Farbtemperatur. Diese sind typischerweise über einen Dimmschalter steuerbar, bei dem die Dimminformation im Spannungsverlauf und in der Ausgangsstromstärke besteht. Dieser einfache Ansatz verfügt noch nicht über die Auflösung und Stufenlosigkeit eines Regelungssystems auf Grundlage des Dali- oder DMX-Protokolls.

Wie sich die Steuerung von weißen LEDs von warm nach kalt nahezu stufenlos umsetzen lässt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Weißes Licht – Variable Farbtemperatur

Bild 2: Das LED-Modul XMC1202-RGB vereinfacht die Entwicklung und Evaluierung von Beleuchtungskörpern mit abstimmbaren weißen LEDs. Infineon

Für die Ingenieure besteht die Herausforderung bei der Entwicklung von HCL unter anderem darin, dass die korrelierte Farbtemperatur (CCT) von Halbleiterleuchten (SSL) stark spannungsabhängig ist. Daher wurden Dimm-Techniken auf der Grundlage der Pulsweitenmodulation (PWM) entwickelt. Diese sind beliebt, da die LED während der On-Phase des Pulszyklus mit der spezifizierten Durchlassspannung betrieben wird und die CCT daher konstant bleibt. Gleichzeitig lässt sich die mittlere Stromstärke durch Änderung des Taktzyklus so ändern, dass die Helligkeit der LED steigt oder sinkt.

Ein weiterer Faktor bei HCL ist der, dass die Farbtemperatur auch vom Wirkungsgrad der LED abhängt und warmweiße und kaltweiße LEDs unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen können. Darüber hinaus sind unterschiedliche Farbtemperaturen auf mechanische Faktoren wie Wärmeleitung, Gehäuse, Auslegung von PC-Platinen und Kühlkörper zurückführbar. Dies ist zwar kompliziert, aber selbst nicht für SSL geschulte Ingenieure können HCL-Systeme ohne große Schwierigkeiten mit Entwicklungswerkzeugen wie dem LED-Beleuchtungsmodul XMC1202-RGB von Infineon entwickeln (Bild 2).

Im Modul befindet sich die ARM-Cortex-M-basierende 32-Bit-Industrie-MCU XMC1202 mit eingebetteter Steuereinheit für Helligkeit und Farbe (Brightness Color Control Unit, BCCU). Sie wurde zur Erprobung von stufenlosem, augenfreundlichen Dimmen und zur Mischung von Farben für verschiedene Topologien entwickelt. Die BCCU ist leicht konfigurierbar und für das schnelle Prototyping mit verschiedenen LED-Lichtsystemen und -Lampen kombinierbar.

Für die Stromversorgung der LEDs kommt eine DC/DC-Abwärtswandler-Topologie zum Einsatz, mit der bis zu drei LED-Kanäle mit konstanter Stromstärke ansteuerbar sind. Zehn grundlegende I²C-Befehlssätze lassen sich zur Regelung der angeschlossenen LED-Lampe für verschiedene Beleuchtungseffekte an das Modul senden. Die BCCU steuert die Farbe mit einer Genauigkeit von 12 Bit. Farbübergänge lassen sich mithilfe eines linearen Walk scharf oder weich gestalten: Ein sogenannter Linear Walker im LED-Kanal ändert die Intensität als Funktion der Zeit linear und bietet konfigurierbare Farbübergangszeiten. Damit Farben weich ineinander übergehen, muss die Zeit für den Linear Walk in allen Kanälen gleich sein und die Walks müssen auf allen Kanälen gleichzeitig starten.

Von warm nach kalt in 4095 Schritten

Bild 3: Die eingebettete Steuereinheit für Helligkeit und Farbe BCCU kann bis zu neun unabhängige LED-Kanäle dimmen. Infineon

Das Modul kommuniziert über das I²C-Protokoll als Slave mit einer Arduino-Master-Platine. Mit der Kombination von Arduino-Platine und Code auf dem XMC1202 lässt sich eine Lampe in 4095 Einzelschritten von warmem Weiß mit einer Farbtemperatur von 2700 K auf kaltes Weiß regeln. Auch die Helligkeit kann in 4095 Einzelschritten flackerfrei und in hoher Qualität auf 0,5 Prozent der ursprünglichen Helligkeit heruntergedimmt werden.

Im Modul konvertiert ein Sigma-Delta-Modulator 12-Bit-Helligkeitswerte in einen Bitstrom als PDM-Signal (Pulsdichtemodulation). Durch lineare Änderung der Intensität erscheinen Helligkeits- und Farbänderungen weicher und für das menschliche Auge natürlich. Dazu ändern bestimmte Kanäle für eine voreingestellte Dauer ihre Intensität stetig, wobei die jeweiligen Zielwerte gleichzeitig erreicht werden. Dies führt zu einem geradlinigen Übergang im orthogonalen Farbraum (CIE Lab).

Bild 4: Über einen DC/DC-Abwärtswandler steuert das Modul eine weiße, abstimmbare LED an. Infineon

Die primäre Aufgabe der BCCU besteht darin, an den Anschluss-Pins automatische Dimmsignale für die externe LED-Ansteuerung zu liefen (Bild 3). Zwei Auslösesignale starten die Analog-Digital-Wandlung, die für rauschfreie Messungen auf den LED-Kanälen erforderlich ist (TRIG). Die Dimmsignale lassen sich auch an CCU4 oder CCU8 weiterleiten, von wo aus die Stromstärkesteuerung der LED direkt ansteuerbar ist (OUT).

Ein Defektzustand (Trap State) tritt auf, wenn ein externer Notfall, beispielsweise ein Kurzschluss, auftritt. Diese Information wird direkt an die BCCU weitergeleitet. Während eines TRAP gehen die Ausgänge der BCCU unmittelbar auf einen vordefinierten, sicheren und passiven Pegel über. Der Ausgang der analogen Komparatoren lässt sich als asynchrones Gatesignal für BCCU-Kanäle für schnelle Steuerschleifen verwenden (IN). Zwei der drei verfügbaren MOSFET-Gatetreiber-Ausgänge kommen zur Ansteuerung einer regelbaren weißen LED-Lampe zum Einsatz (Bild 4).

Auf der nächsten Seite stellt der Beitrag die Schnittstellen und Programmierhilfen des Moduls vor und erklärt, wie sich HCL implementieren lässt.

Schnittstellen und Programmierhilfen

Anstelle eines Dimmschalters lässt sich zur Steuerung der abstimmbaren weißen LEDs eine DMX512-Schnittstelle verwenden, die zur Steuerung von Bühnenbeleuchtungen und Theatereffekten weit verbreitet und der aktuelle Standard ist. Das DMX512-Signal ist ein Satz von 512 einzelnen, ständig aktualisierten Helligkeitsstufen (Kanälen), auch als Universe bekannt. Typische Theaterkonsolen haben mehrere Universe-Ausgänge. XMC1000-Produkte wie der XMC1202 können ebenfalls als Slave einer digital adressierbaren Beleuchtungsschnittstelle (Digital Addressable Lighting Interface, Dali) fungieren.

Dali ist ein nicht proprietärer, bidirektionaler Zweidraht-Schnittstellenstandard für dimmbare elektronische Steuerungen. Es ist in hohem Grade flexibel und kann entweder einzeln oder im Broadcast-Modus bis zu 16 Gruppen ohne Relais steuern. Schalt- und Dimmvorgänge erfolgen über die Steuerleitung, wichtige Informationen wie der Lampenstatus lassen sich speichern und stehen für den Controller zur Verfügung. Dali ist in der Lage, über die einzelnen Zweidraht-Schnittstellen bis zu 64 LED-Einheiten zu adressieren.

Selbst wenn verschiedene Beleuchtungssysteme auf verschiedenen Dimmstufen beginnen oder verschiedene Lampentypen miteinander kombiniert sind, synchronisiert Dali die Änderungen von einer Beleuchtungsszene zur anderen. Dies bedeutet, dass sämtliche Lichtquellen den neuen Beleuchtungswert gleichzeitig erreichen und so eine konsistente Beleuchtung für HCL-Systeme bieten. Als Entwicklungsplattform steht Version 4 von Dave für XMC-MCUs von Infineon zur Verfügung.

Implementierung von HCL

Bild 5: Die Verbindung des SMC1202 mit Potenziometern zur Regelung von Helligkeit und Farbtemperatur. Infineon

Das Arduino-Modul und der XMC1202 lassen sich zusammen mit Regelungspotenziometern zur Implementierung eines HCL-Systems verwenden. Diese Anwendung nutzt fünf Leitungen der Platine und zwei der drei verfügbaren MOSFET-Gatetreiberausgänge. Damit ergibt sich eine einfache und kostengünstige Evaluierungslösung für regelbare LEDs.

Verwendet werden zwei Potenziometer: eines zur Helligkeitsregelung und ein weiteres zur Farbtemperaturregelung. Dafür sind die zwei Analog-Digital-Wandler-Kanäle (ADC) P2.10 und P2.11 notwendig (Bild 5), die früher für die I²C-Kommunikation (SDA beziehungsweise SCL) reserviert waren. Um ein Übersprechen zu verhindern, sind die an die SCL- und SDA-Pins angeschlossenen Pull-up-Widerstände zu entfernen.

(na)