Smart-Home: LED-Technik wird kompakter und smarter

Die Leuchtdiode (LED) hat die Innenbeleuchtung in vielerlei Hinsicht revolutioniert. Die Lichtausbeute heutiger LED-Leuchten ist früheren Generationen von Glüh-, Halogen- und Leuchtstofflampen weit überlegen. Durch die längere Lebensdauer der LEDs müssen die Lampen auch seltener ausgetauscht werden. Und die einfachere Steuerung ihrer Lichtleistung macht sie auch ästhetisch ansprechender. 

Da die Beleuchtung eine wichtige Rolle bei der Innenraumgestaltung und dem Wohnkomfort spielt, entscheiden sich Verbraucher oft für LED-Beleuchtung, wenn sie mit der Einrichtung ihres Smart Homes beginnen. Über Funk lässt sich die Lichtintensität und Farbe von LED-Leuchten steuern, um unterschiedliche Stimmungen und Komfortstufen zu schaffen. 

Beleuchtungslösungen als Einstieg ins Smart Home

Der Kauf und die Installation funkgesteuerter LED-Lampen fördern das Wachstum des Smart-Home-Marktes. Diese Form der Beleuchtung ist ein guter Einstieg in den Aufbau eines Mesh-Netzwerks, das auch andere Smart-Home-Geräte nutzen können. Lampen finden sich in praktisch jedem Raum des Hauses und bieten aufgrund ihrer Installationshöhe eine hervorragende Sichtverbindung zu anderen Geräten im selben Raum. 

Gesichtserkennungssysteme: Effektiver Schutz vor Täuschungsversuchen

Biometrische Gesichtserkennungssysteme stehen zunehmend im Fokus gezielter Täuschungsversuche. Durch Presentation Attack Detection lassen sich Angriffe mit gefälschten Bildern oder Masken erkennen – bei gleichzeitig hoher Nutzerfreundlichkeit.

LED-Lampen unterstützen einfachste Heimnetzwerke, bei denen ein Smartphone oder ein ähnliches Gerät als Host fungiert. Es muss kein separater Netzwerk-Hub installiert werden. Derzeit sind jedoch nur etwa 10 Prozent der installierten LED-Lampen vernetzt. Dies bietet Anbietern große Wachstumschancen in einem Markt, in dem der Absatz von LED-Beleuchtung jährlich um 20 Prozent steigt. Entscheidend ist, die Produktions- und Montagekosten zu minimieren und so den Verbrauchern niedrigere Preise zu bieten. 

Anforderungen an Beleuchtungslösungen

Diese Kostensenkung darf jedoch nicht zu Lasten der Qualität oder Zuverlässigkeit gehen, um das Versprechen von LED-Beleuchtung – längere Lebensdauer und Betriebssicherheit – zu erfüllen. Bei der Entwicklung von LED-Beleuchtungen gibt es mehrere wesentliche Einschränkungen. In den meisten Fällen müssen diese Komponenten in eine streng definierte und kompakte Form passen. Auch die Betriebsbedingungen sind aus Sicht der HF-/Funkansteuerung anspruchsvoll. Das Design muss die Reichweite der Funkübertragung und des Empfangs maximieren, Wände durchdringen und Störungen durch WLAN und andere Netzwerke, die denselben Frequenzbereich nutzen, unterbinden. Gleichzeitig sind die strengen Emissionsgrenzwerte außerhalb des Zielspektrums einzuhalten. 

Die HF- und Steuerungsschaltungen müssen über einen weiten Temperaturbereich in einem Gehäuse neben wärmeerzeugenden LED- und Stromversorgungskomponenten zuverlässig funktionieren. Ein sicherer Betrieb ist dabei eine Grundvoraussetzung. Die Stromversorgung der LED-Arrays und aller Steuerungsschaltungen erfolgt direkt über eine Hochspannungsquelle. 

Diesen Anforderungen steht die Notwendigkeit niedriger Kosten gegenüber, die nicht nur auf die Stückliste (BoM), sondern auch die Art der Leiterplatte, auf der sie montiert werden, abzielt. Ältere LED-Lampen, die keine Funksteuerung und Anbindung bieten, verfügen über zwei Leiterplatten. Die Hochleistungs-LEDs sitzen auf einer Metallleiterplatte, während die Treiberelektronik auf einer separaten herkömmlichen FR4-Platine untergebracht ist. Ein solches Dual-Board-Design erhöht die BoM- und Montagekosten, weshalb Hersteller auf integrierte Treiber (Driver-on-Board) übergehen, um eine einzige kombinierte Leiterplatte zu verbauen. 

HMI-Technologien am Wendepunkt: Was kommt als Nächstes?

Die HMI-Technologie befindet sich in einem radikalen Wandel. Interaktive, intelligente Systeme ersetzen klassische Interfaces und transformieren die Industrie! Wer nicht mitzieht, verpasst die Chance auf Effizienz und Kontrolle.

In Smart-Bulb-Designs ist nun eine ähnliche Entwicklung zu beobachten. Heutige leistungsstarke vernetzte LED-Lampen weisen eine Metallleiterplatte für die LED-Elemente und eine separate Steuerplatine mit einem zusätzlichen AC/DC-Wandler auf, der das Funkmodul für die Datenanbindung mit Strom versorgt. Solche Module vereinfachen das Design, da sie Antennen integrieren und mit der erforderlichen Vorzertifizierung für die Funkschaltung geliefert werden. Dies ist jedoch mit Kosten verbunden, die sich mit einem integrierten Treiber vermeiden lassen. 

Entwicklung hochintegrierter LED- und Funkmodule

Silicon Labs hat untersucht, wie sich ein hochintegriertes LED- und Funkmodul entwickeln lässt, das die mit integrierten Treibern verbundenen niedrigen Kosten bietet. Ein wichtiger erster Schritt ist die Verwendung eines System-on-Chip (SoC) mit einem Mikrocontroller-/MCU-Core, der die Systemfunktionen als auch die Funkanbindung übernimmt. Eine geeignete Wahl ist der EFR32MG24 von Silicon Labs (Bild 1). Der Baustein unterstützt die Funkanbindung und steuert eine lineare LED-Treiberschaltung, was einen dedizierten LED-Treiber-IC erübrigt. 

Damit bleiben nur noch die LEDs, die Treibertransistoren und die Leistungswandlung, um den Rest der BoM zu vervollständigen. Hinsichtlich des Platzbedarfs ist eine einzelne Leiterplatte eine praktikable Option.

Simulation als Schlüssel für ein erfolgreiches HF-Design

Entscheidend für den Erfolg eines solchen Designs sind elektromagnetische Simulationstools, um ein HF-Design zu erstellen, das mit der LED-Schaltung und einer einlagigen Metallleiterplatte kompatibel ist. Wie der Name schon sagt, besteht der Kern dieser Leiterplatte aus Aluminium oder Kupfer und nicht aus dem Glasfaserlaminat herkömmlicher FR4-Platinen. Über dem Metallkern befindet sich eine dünne, nur 0,1 mm dicke dielektrische Schicht. Die Verbindungen zwischen den Bauteilen werden auf einer einzigen Signalschicht auf diesem Dielektrikum realisiert. Zwar ist es möglich, Durchkontaktierungen (Vias) zur Unterseite zu bilden, doch dies erhöht die Kosten, weshalb diese Verbindungen nach Möglichkeit minimiert werden sollten. Mit nur einer Signalschicht ist ein kompaktes Routing schwierig, was ein Grund dafür ist, dass viele Designs mehr als eine Leiterplatte benötigen. 

Ein auf sorgfältiger Simulation und Experimenten basierender Entwicklungsansatz ermöglicht jedoch die Nutzung einer Trägertechnologie, die keine direkte Masseverbindung zu den darüber liegenden Schaltkreisen herstellen kann und zudem eine hohe parasitäre Kapazität mit sich bringt. Auch wichtig bei Metallleiterplatten für komplexere Elektronik ist die sorgfältige Auswahl der Bauelemente. Während bei einem herkömmlichen Leiterplattenlayout nur Vias verwendet werden, um Signalleitungen zu kreuzen, ist eine wenig beachtete Option der Einsatz passiver Bauelemente wie SMD-Widerstände. Ein 0402-Gehäuse beispielsweise verfügt über die erforderliche externe Isolierung und Größe, um Leiterbahnen auf einer einlagigen Leiterplatte effektiv zu überbrücken.

Das leisten aktuelle Metallkern-Leiterplatten

Bypass-Kondensatoren ermöglichen die Filterung bestimmter Frequenzen. An kritischen Punkten platziert, sind die Kondensatoren Teil von Resonanzfiltern, die Störungen bei harmonischen Frequenzen unterdrücken, die entweder durch Simulation oder Nahfeldabtastung eines Prototyps ermittelt wurden.

Der SoC selbst kann das elektrische Verhalten der Leiterplatte steuern. Ungenutzte Universal-I/O-Pins können zusammen mit einem freiliegenden Massepad kurzgeschlossen werden. Dieses Pad bildet das Zentrum eines sternförmig verlegten Netzwerks, das die Bildung von Masseschleifen reduziert und die Störunterdrückung verbessert. 

Da keine dedizierte niederohmige Masseschicht vorhanden ist, erfordert das Layout einen niederohmigen Rückweg für hochfrequente Masseströme. Die einzige Option ist dabei die äußere Schicht. Kupferfüllungen und breite Leiterbahnen können die erforderlichen niederohmigen Pfade bereitstellen und die Erdung des Metallkerns unterstützen. 

So gelingen die ersten Schritte mit Matter

Mit der Einführung von Matter konnte die Verwirrung rund um die Entwicklung von Smart Homes deutlich verringert werden. Die ersten Schritte gelingen mit dieser Einführung in Matter-kompatible Geräte und Entwicklungskits.

Die Erdung des Metallkerns beeinflusst das Antennendesign. Der Metallkern hat den Vorteil, dass er die effektive Massefläche vergrößert, was zu einer größeren Antennenfläche und damit zu mehr Leistungsfähigkeit führt. Der Rest der Antenne muss über der Leiterplatte angeordnet sein, damit der Metallkern nicht als Abschirmung wirkt. Eine Leiterbahn-/PCB-Antenne funktioniert daher nicht. Einige kostengünstige Optionen für die erhöhte Antenne sind eine Helixantenne mit Spiralfeder, eine gestanzte Metallstruktur oder ein in das Gehäuse integrierter Draht (Bild 4).

Parasitäre Kapazitäten können ein Problem darstellen, lassen sich jedoch optimieren. Zusammen mit der Antennenimpedanz bildet die parasitäre Kapazität der Verbindung zum Leiterplattenpad einen parallelen RLC-Resonator, der wie ein Bandpassfilter wirkt. Mit den richtigen Bauteilwerten wird eine Zielfrequenz erreicht, die für Heimautomatisierungsnetzwerke in der Regel bei 2,4 GHz liegt.

Abhängigkeiten des Designs von der Leiterplatte und der Antennenstruktur

Aufgrund dieser Abhängigkeiten des Designs von der Leiterplatte und der Antennenstruktur ist die Simulation ein wichtiges Tool. Es hilft beim Abstimmen der Anpassungs-/Filternetzwerke und beim Überprüfen der Stromverteilung für die Leistungsbauteile. Bauteilmodelle müssen entsprechend behandelt werden: Die von den Anbietern bereitgestellten Modelle beziehen sich häufig auf eine Art Massefläche, die in diesem Layout nicht verfügbar ist. Da der Platz in diesen Designs oft sehr begrenzt ist, müssen einige der größeren Leistungsbauelemente (Induktivitäten und Kondensatoren) unter der Leiterplatte platziert werden. Vias können über einen Durchkontaktierungsadapter mit der gegenüberliegenden Signallage verbunden werden. In einigen Bereichen ist der Abstand zwischen Leitungen mit hoher Spannung kleiner als allgemein empfohlen. Daher kann eine konforme Beschichtung oder Vergussmasse erforderlich sein.

Wie entwickelt sich die Technologie weiter?

Mit fortschreitender Technologie trägt der sinkende Stromverbrauch von SoCs dazu bei, den Leistungsbedarf der Stromversorgung zu senken und so den Gesamtplatzbedarf für Komponenten zu reduzieren. Auch die Leiterplattenfertigung schreitet voran, was neue Möglichkeiten für eine kostengünstige Platzierung von Bauteilen eröffnet. 

Da die Nachfrage nach kostengünstiger Hausautomation anhält, helfen neue Designansätze auch den Herstellern von LED-Beleuchtung, von diesem schnell wachsenden Markt zu profitieren. Die Entwicklungsanstrengungen von Zulieferern wie Silicon Labs ebnen den Herstellern dabei den Weg zu verbesserten Lösungen. (na)