Wie sich mit Sensoren die Farbtemperatur von LEDs steuern lässt

Typische Einbauleuchten für ein Büro beispielsweise kosten zwischen 150 und 300 Euro. Der darin verbaute LED-Streifen erscheint normalerweise mit weniger als vier Euro in der Stückliste. Dieser Unterschied zwischen den Kosten des wesentlichen Bauelements und dem Endverkaufspreis eröffnet dem Hersteller Spielraum, zusätzliche Funktionen einzubauen und bietet ihm die Möglichkeit sich von seinen Wettbewerbern im Low-Cost-Bereich abzusetzen.

Ein solches Leistungsmerkmal ist die Einstellung der Farbtemperatur. Hersteller können so Teilbereiche des Human Centric Lightings (HCL) abdecken, wobei sich das Licht an die Bedürfnisse des Nutzers anpasst. HCL zielt darauf ab, die Farbtemperatur nach dem tageszeitlichen Rhythmus des menschlichen Körpers zu steuern.

Beispielsweise reicht bei Anwendungen wie einer Büroleuchte, der Bereich der Farbtemperatur von 6500 K und sehr kaltem Weiß bis 2200 K und sehr warmen Weiß. Für einen normalen Weißlicht-Leuchtkörper für das Büro bietet sich diese breite Spanne allerdings nicht an, vielmehr eignet sich hier ein Bereich zwischen 2700 K und 5000 K, der der Farbtemperatur einer Glühlampe ähnelt. Für die Einbauleuchte in diesem Fall bräuchte man somit zwei LED-Streifen von ≤2700 K und ≥5000 K sowie eine ausgefeilte Steuerlogik.

Mit einem regelbaren weißen Lichtsystem könnte die Beleuchtung beispielsweise mitten am Tag eher blau leuchten, mit fortschreitender Stunde kann die Farbtemperatur aber in ein wärmeres, gelbliches Licht übergehen. So lässt sich möglicherweise der nachteilige Effekt blauen Lichts auf den Nachtschlaf mindern (Bild 1). Studien zeigen, dass eine solche Steuerung der Farbtemperatur von künstlichem Licht im menschlichen Körper eine hormonelle Antwort hervorruft, die untertags Wachheit und Produktivität fördert, am Abend jedoch Entspannung und Schlaf.

HCL-Leuchten verbessern demnach potenziell den Komfort der Nutzer sowie die Produktivität und bieten zudem gesundheitsfördernde Effekte verglichen mit Leuchtstoffröhren oder anderen Leuchten, bei denen die Farbtemperatur nicht steuerbar ist kann. Für die Beleuchtungsbranche stellt sich somit nicht die Frage, ob sie eine Einstellung der Farbtemperatur implementiert, sondern wie.

Drei Methoden zur Farbtemperatursteuerung

Bild 1:HCL-Systeme verändern gegen Abend die Farbtemperatur von kälteren zu wärmeren Werten. AMS

Die einfachste, aber auch ungenaueste Methode zur Steuerung der Farbtemperatur ist die Steuerung der kalt-weißen und warm-weißen LED-Streifen der Leuchte über einen Mikrocontroller, der über eine Wertetabelle die Steuerströme der beiden LED-Streifen ändert. Wenn Entwickler die LEDs sorgfältig auswählen, charakterisieren und genaue LED-Treiber verwenden, kann man mit diesem Verfahren unter Laborbedingungen ein ordentliches Ergebnis erreichen. Sobald eine solche Leuchte aber in der Wirklichkeit zum Einsatz kommt, gerät dieser Ansatz rasch an seine Grenzen angesichts der vielfältigen Umgebungsbedingungen und der Tatsache, dass sich die Eigenschaften von LEDs über die Zeit verändern.

Die Farbtemperatur einer LED und ihr Lichtstrom ändern sich, wenn sie gedimmt wird oder wenn die Umgebungstemperatur von den Datenblattwerten abweicht. Diese Variationsbreite kann die Genauigkeit der Farbtemperatursteuerung erheblich beeinträchtigen. Da das menschliche Auge bereits wenige Promille Unterschied zwischen zwei Lichtquellen unterscheiden kann, erkennt es diese Abweichungen meistens unmittelbar. Unterschiede dieser Art nehmen mit der Alterung der LEDs zu, wenn deren tatsächliche Leistung sich immer weiter von den Datenblattwerten entfernt.

Die zweite Methode zur Steuerung der Farbtemperatur arbeitet mit einer verfeinerten Wertetabelle. Hierbei implementieren Entwickler Änderungen des LED-Verhaltens, die durch die Betriebstemperatur und Alterung entstehen, in eine komplexere Wertetabelle. Gemeinsam mit einer verfeinerten LED-Stromsteuerung, die über einen Regelkreis Unterschiede bei den LED-Treibern kompensiert, liefert diese Methode genauere Ergebnisse als die erste, vor allem auch über längere Zeiträume. Bei sauberer Implementation kalibriert der Hersteller bereits in der Produktion die Farbtemperatur, sodass kleine Farbtonunterschiede zwischen einzelnen Leuchten schon im Zuge der Herstellung eliminiert werden.

Diese Methode ist zwar deutlich besser als die erste, sie hat dennoch einige Nachteile:

• Erhöhte Bauteilkosten für Temperatur- und Stromkompensation
• Präzise Mehrkanal-LED-Treiber erforderlich
• Hohe Abhängigkeit von der anfänglichen LED-Charakterisierung und den Alterungs­prognosen
• Bindung an die ursprünglich gewählten LEDs

Wie die Messung mit dem Sensor funktioniert, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Die Sensormethode

Bild 2: Der kompakte AS7221 kann leicht in Deckeneinbauleuchten und andere Designs mit wenig Einbauraum integriert werden. AMS

Methode Nr. 3 arbeitet mit kontinuierlicher Messung des Mischlichtes über einen kalibrierten Farbsensor innerhalb der Leuchte. Der eingebaute Mikrocontroller steuert anhand der Messwerte des Sensors die beiden LED-Ketten ständig so nach, dass das resultierende Mischlicht den Zielwert der Farbtemperatur einhält. Das Lichtsystem kompensieren so kontinuierlich Änderungen der Farbtemperatur, die sich durch Änderungen der Umgebungstemperatur, Alterung oder Dimmung ergeben.

Ein solches Feedback-System muss nichts über die LEDs wissen, die es steuert. Es kommt ohne Vorhersagemodelle über das Alterungs- und Temperaturverhalten der LEDs aus und braucht keine sorgfältig selektierten LEDs oder engtolerierten Chargen mit exakter Farbtemperatur. Sollte der Sensor vorkalibriert sein, wird auch keine weitere Leuchtenkalibrierung in der Produktion benötigt. Der Leuchtenhersteller kann stattdessen bezüglich Farbtemperatur und Temperaturverhalten weniger eng tolerierte LEDs wählen und auch die LED-Zusammenstellung im Lauf der Produktionszeit ändern.

Diese dritte Methode der Farbtemperatursteuerung bringt bereits bei neuem Leuchtkörper bessere Ergebnisse als die beiden vorher beschriebenen Methoden, da sie das erzeugte Licht unter realen Umgebungsbedingungen tatsächlich misst und sich nicht darauf verlässt, wie das erzeugte Licht theoretisch unter angenommenen Bedingungen effektiv sein sollte. Sie passt sich somit der Wirklichkeit an und arbeitet nicht mit Voraussagen.

Ein integrierter Ansatz für die Sensorlösung

Es ist durchaus möglich, eine Sensorlösung für weißes Licht mit einstellbarer Farbtemperatur selbst zu entwickeln. Es braucht dazu nur wenige Bauteile: einen hochwertigen Farbsensor, einen Mikro­controller und einige selbstentwickelte Algorithmen für die Steuerung der LED-Ströme entsprechend der Sensormessungen.

Dennoch ist die Entwicklung einer solchen Software komplex. Fachkenntnis in verschiedenen Bereichen ist dafür notwendig. Wie so oft im Elektronikdesign spart eine fertige, integrierte Lösung (SoC = System on Chip) für die Sensorfarbtemperatursteuerung Platz und Geld. Für den Systemdesigner ist sie schneller und einfacher zu realisieren.

AMS ist Anbieter von Hochleistungsfarbsensoren für die Smartphone- und Messgerätebranche und liefert eine solche integrierte Lösung für die Farbtemperatureinstellung in zwei Varianten: als Smart Lighting Manager und als Smart Lighting Director. Ein Smart Lighting Manager, etwa der AS7221, ist eine vollständige Lösung für die Farbtemperatureinstellung. Er enthält einen XYZ-Farbsensor und einen kleinen Prozessorkern in einem Gehäuse von 4, 5mm × 4,7 mm × 2,5 mm (siehe Abb. 2). Ein XYZ-Sensor weist eine Farbempfindlichkeitskurve auf, die der des menschlichen Auges entspricht. Seine robusten Interferenzfilter sind auf dem Chip integriert. Sie werden im Zuge des CMOS-Prozesses erzeugt und sind extrem stabil über Temperatur und Zeit.

In seiner preisgünstigsten Ausführung hat ein Smart Lighting Manager einen mehrkanaligen Ausgang, der entweder eine Standard-0-10-V-Signal oder ein PWM-Signal an den LED-Treiber liefert und dort die generelle Lichtstärke bestimmt. Zwei weitere PWM-Kanäle steuern Schalt­transistoren am Ende der warm-weißen und kalt-weißen LED-Ketten und regeln den Strom komplementär so, dass die beiden LED-Ketten die Zielfarbtemperatur erzeugen.

Auch ein Smart Lighting Director wie etwa der AS7225 verfügt über einen eingebauten Hochleistungs-XYZ-Farbsensor und eine Logik, die kontinuierlich berechnet, in welchem Verhältnis die beiden LED-Ketten Licht für die gewünschte Farbtemperatur abgeben müssen. Die Ergebnisse dieser ständigen Berechnung werden dann aber an einen Applikationsprozessor im Leuchtkörper weitergeleitet, der diese Anweisung anschließend umsetzt und auch DALI oder andere Netzwerksignale bedient.

Bild 3: Ein Lichtleiter führt das Mischlicht vom Rand des Reflektors einer Deckeneinbauleuchte zum Farbsensor auf der LED-Leiterplatte. AMS

Der Einsatz eines Smart Lighting Managers bietet einen direkten Weg, ein Sensorregelsystem zu implementieren. Dafür sind keine weiteren Sensorelemente nötig. Der Smart Lighting Manager bietet weiterhin native Unterstützung für einige Zusatzsensoren, etwa einen Umgebungslichtsensor und weitere Umweltsensoren etwa für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und VOC-basierte Luftqualität (VOC = Volatile Organic Components).

Hingegen eignet sich ein Smart Lighting Director für Designs smarter Leuchtkörper, die bereits mit einem Mikrocontroller ausgestattet sind. Er gibt dem Leuchtenhersteller mehr Flexibilität und die Möglichkeit, andere Sensoren an den Mikrocontroller anzuschließen.

Überlegungen zum optischen Design

In einem Sensorregelsystem benötigt der Sensor zwingend eine repräsentative Sicht auf das Mischlicht beider LED-Ketten. Hierzu können Hersteller den Sensor auch auf der LED-Leiterplatte anordnen und im Rand des Reflektors oder Gehäuses des Leuchtkörpers einen Lichtleiter anbringen, der das Mischlicht zum Lichtsensor weiterleitet (Bild 3). Die AMS-Sensoren haben einen Blickwinkel von 45°. Man kann sie an verschiedene Blickfelder oder Charakteristiken der Mischkammer flexibel anpassen.

Fazit

Der Einbau einer Sensorlösung in eine LED-Leuchte führt direkt zu Ersparnissen bei den Bauteilkosten und in der Produktion, und zwar sowohl bei direkt in der Farbtemperatur einstellbaren Lichtsystemen wie auch bei denen, die eine Sensorregelung dazu benutzen, einen bestimmten Wert für Lichtfluss oder Farbtemperatur über die Lebensdauer des Leuchtkörpers konstant zu halten. Der Einsatz der Sensorlösung erlaubt die Verwendung weniger eng spezifizierter Bauteile und erzielt dennoch eine genauere Einstellung der Farbtemperatur.

(prm)