Trotz der vielfältigen Möglichkeiten und Vorteile weißer LEDs gegenüber konventionellen Beleuchtungsmitteln – die gewünschten Lichtverhältnisse sowohl veränderbar als auch langzeitig stabil und konsistent zu gewährleisten, verursacht zusätzlichen Aufwand. Eine aktive Regelung kann hier Abhilfe schaffen.

Neben Langzeitänderungen wie dem Helligkeitsverlust einer LED über die Lebensdauer oder dem Alterungsprozess der Konvertermasse in weißen LEDs mit daraus resultierender Drift der Farbtemperatur nahe der Schwarzkörperkurve soll die Regelung auch auf schnelle Ereignisse wie die Veränderung optischer Parameter mit der Temperatur, dem Ausfall einzelner LEDs im LED-Cluster, aber auch auf Änderungen des Arbeitspunktes (Helligkeit EV, Farbtemperatur CCT) durch den Endnutzer reagieren und diese ausregeln. Eine derartige Regelung ist nur mit einem optischen Sensor umzusetzen.

Lichtsensoren regeln Helligkeit und Farbtemperatur

Neben dem Einsatz einfacher Ambient-Light-Sensoren wie TEMD5510FX01 oder TEMT6200X01 zum Regulieren der Helligkeit mithilfe der Messung des analogen Fotostromes korrespondierend zur Augenempfindlichkeit kommen vor allem RGB-Sensoren wie der auf dem CIE1931/DIN5033-Standard basierende VEML6040 zum Einsatz . Dieser CMOS-Chip enthält neben Verstärker sowie analogen und digitalen Schaltungsteilen auch vier Photodioden mit Bandpassfilter für rote, grüne, blaue und weiße Spektralanteile.

Über den I²C-Bus kann ein Mikroprozessor die RGBW-Informationen abrufen und ermöglicht so einen Regelkreis für Helligkeit und Farbtemperatur in Mischszenarien mit warm- und kaltweißen LEDs. Auch eine Regelung von rein farbigen RGB-Beleuchtungsmitteln oder heterogenen Bestückungen aus RGB und weißen LEDs ist denkbar.

Bild 1: Relative spektrale Empfindlichkeiten der RGB-Kanäle beim RGB-Sensor VEML6040 in Anlehnung an die Augenempfindlichkeit nach CIE1931.

Bild 1: Relative spektrale Empfindlichkeiten der RGB-Kanäle beim RGB-Sensor VEML6040 in Anlehnung an die Augenempfindlichkeit nach CIE1931. Vishay Semiconductor

Patentierter Farbfilter gewährleistet Empfindlichkeit

Der Farbfilter des Sensors ist in patentierter Filtron-Technologie mit guter Annäherung der Filtercharakteristiken an die standardisierten Empfindlichkeitskurven der CIE1931 ausgeführt und erlaubt präzise und temperaturstabile Regelungen (Bild 1). Diese Technologie kommt nicht nur beim VEML6040 zum Einsatz, sondern auch bei weiteren Sensoren von Vishay Semiconductor wie beispielsweise dem digitalen UVA/B-Sensor VEML6075 oder Proximity- und Ambient-Light-Sensoren (VCNL4040), um dort die notwendige spektrale Empfindlichkeit zu erreichen.

Beim Berücksichtigen der Temperatur im Regelkreis ist zwingenderweise von zwei unterschiedlichen Temperaturmechanismen auszugehen. Zum einen ändert sich die spektrale Charakteristik weißer LEDs aufgrund ambienter Temperaturänderungen (typisch 20 bis 85°C), zum anderen tritt im Betrieb eine Eigenerwärmung der LEDs auf, die je nach Helligkeit (Strom) und LED-Technologie auch die Farbtemperatur beeinflusst.

Lichtparameter aktiv regeln

Aktuelle Regelungssysteme verwenden oft vorab gemessene Kennlinienfelder für Helligkeit und Farbtemperatur, unter optimalen thermischen Verhältnissen ermittelt und gerne per EEPROM bereitgestellt. Derartige Lösungsansätze ermöglichen zwar flotte Wechsel von Helligkeit und/oder Farbtemperatur, sind aber aufgrund mangelnder realer optischer Messgrößen sehr unflexibel. Eine Regelerweiterung durch zusätzliches Messen der Temperatur im Bereich des LED-Kühlkörpers kann idealerweise den thermischen Drift des digitalisierten Kennlinienfeldes herausregeln, eine Berücksichtigung der Alterung der Leuchtmittel ist jedoch quasi ausgeschlossen.

Bild 2: Aktive Regelung von Helligkeit EV und Farbtemperatur CCT mit Mikrocontroller und RGB-Sensor. Die Berechnung erfolgt mithilfe von Konvertierungsmatrizen.

Bild 2: Aktive Regelung von Helligkeit EV und Farbtemperatur CCT mit Mikrocontroller und RGB-Sensor. Die Berechnung erfolgt mithilfe von Konvertierungsmatrizen. Vishay Semiconductor

Bild 2 demonstriert den Einsatz des RGB-Sensors VEML6040 in einer aktiven Feedback-Regelung für Mischbeleuchtung aus warm- und kaltweißen LED-Clustern basierend auf einem Mikrocontroller und Konstantstromquellen mit analogem Regeleingang (0 bis 10 V) oder digitalem Steuereingang (Dali, DMX). Die Berechnung der Helligkeit EV und Farbtemperatur CCT aus den gemessenen RGB-Werten des Sensors erfolgt mithilfe von Konvertierungsmatrizen, die für das Beleuchtungssystem einmalig ermittelt und in einem EEPROM abgelegt werden müssen.

Ströme für LED-Cluster berechnen

Die optionale Ablage eines Kennlinienfeldes (CCT, EV als Funktion der LED-Ströme) ist nützlich, um beim Umschalten von Helligkeit und Farbtemperatur durch den Benutzer schnell den ersten Arbeitspunkt einzustellen, von dem aus der Regelkreis den finalen Arbeitspunkt gemäß der Sollvorgaben ausregelt. Mit einer als Default eingestellten Integrationszeit des Sensors von 80 ms für einen Satz R,G,B-Werte ist ein Einregeln innerhalb von 400 bis 600 ms möglich.

Zum Verifizieren des Regelkreises und der Performance des RGB-Sensors dient ein Beleuchtungssystem mit zwei LED-Cluster (12 W, Ra >90, max. 350 mA) in warmweiß (CCT=3050K) und kaltweiß (CCT=6700K). Neben dem RGB-Sensor werden die optischen Parameter mithilfe von professioneller Lichtmesstechnik und Spektralphotometer vermessen und kontrolliert.

Erster Arbeitsschritt ist die Ermittlung der RGB-Werte des Sensors für die Lichtszenarien 100 % warmweiß, 100 % kaltweiß sowie je 50 % warm und kalt. Dann werden ergänzend die Tristimulus-XYZ-Werte mit einem Spektralphotometer erfasst und daraus die Transfermatrix R,G,B -> X,Y,Z definiert. Mithilfe dieser Matrix lassen sich die aktuellen optischen Größen Helligkeit und Farbtemperatur in der Regelung errechnen, die neuen Ströme für den warmweißen und den kaltweißen LED-Cluster berechnen und an die Power Supplies weitergegeben. Der Regelkreis schließt sich damit.

Eckdaten

Während bei konventionellen Beleuchtungsmitteln Helligkeit und Farbwirkung bereits bei Installation festgelegt sind, reagieren Produkte mit aktiver Regelung flexibel auf Langzeitveränderungen wie den Helligkeitsverlust einer LED über die Lebensdauer ebenso wie auf schnelle Ereignisse wie Änderungen der optischen Parameter oder den Ausfall einzelner LEDs. Zum Einsatz kommen dabei optische Sensoren wie der RGB-Sensor VEML6040 von Vishay. Kunden erhalten ein autonomes System und benötigen keine Kenntnisse über Regelung oder optische Parameter.

Farbtemperatur und Helligkeit

Nach Ermittlung der Matrix lassen sich beliebige Mischszenarien aus warmweiß und kaltweiß berechnen und regeln. Als Maßstab der Güte der Regelung wird der Fehler zwischen Target und Istwert für Farbtemperatur und Helligkeit analysiert. Zum Visualisieren der gemessenen Farbtemperaturen ist in Bild 3 der relevante Ausschnitt des x/y-Farbraumes aus CIE1931 für den Mischbereich der LED-Anordnung wiedergegeben. Zusätzlich zu den drei Kalibrierwerten sind einige Mischszenarien eingetragen, deren Farbtemperatur der RGB-Sensor ermittelt hat. Der jeweils eingetragene Fehler beschreibt die Differenz zwischen RGB-Sensor und einer professionellen Messreferenz.

Bild 3: Regelbereich für Farbtemperatur CCT im x/y-Farbraum nach CIE1391.  Beliebige Mischszenarien aus warmweiß und kaltweiß lassen sich berechnen und regeln.

Bild 3: Regelbereich für Farbtemperatur CCT im x/y-Farbraum nach CIE1391. Beliebige Mischszenarien aus warmweiß und kaltweiß lassen sich berechnen und regeln. Vishay Semiconductor

Die Regelgenauigkeit des Gesamtsystems ist maßgeblich durch die Genauigkeit des RGB-Sensors und durch den Regelalgorithmus beeinflusst. Während mit einem einfachen Algorithmus zum Berechnen der LED-Ströme bereits Wiederholgenauigkeiten für CCT und EV im gesamten Parameterraum (LED-Strom 0 bis 350 mA) von weniger als 0,5 % Abweichung erreichbar sind, lässt sich beim RGB-Sensor eine Messungenauigkeit von weniger als 2,5 % über den erreichbaren Mischfarbraum der verwendeten weißen LED-Cluster bestimmen. Für die komplette Regelung mit dem RGB-Sensor VEML6040 kann für CCT eine Regelgenauigkeit von besser als 4 % und für die Helligkeit von besser als 5 % erreicht werden. Diese Ungenauigkeiten sind für eine Lichtregelung im Indoor-Bereich ausreichend.

Die Messungen zeigen, dass eine aktive Regelung der zwei wichtigsten optischen Parameter für den Innenraumbereich mittels RGB-Sensor einfach umzusetzen ist – um langzeitstabile Verhältnisse zu schaffen, aber auch um auf schnelle Änderungen präzise zu reagieren.