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.

ECKDATEN

Die Beleuchtungsbranche hat erkannt, dass die Einstellung der Farbtemperatur einen Mehrwert für die Bedürfnisse der Menschen bringt. Aktuell sind drei Methoden zur Regelung der Farbtemperatur gängig, die sich sehr stark unterscheiden. Der vorliegende Artikel beschreibt sie und zeigt, warum eine Methode – nämlich die Sensorregelung – in Leistung und Kosten günstiger ist als die anderen beiden. Er beschreibt weiterhin Überlegungen zum optischen Design, die man berücksichtigen muss, wenn man solche Sensoren in eine Leuchte einbauen will.

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.

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.

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