Tageslichtsensible Systeme Beleuchtungsstärke bleibt immer konstant

Übliche Lichtinstallationen können die Beleuchtungsstärke nicht konstant halten, wenn sich andere Lichtquellen – namentlich das Tageslicht – ändern. Auch laufen Lichtinstallationen oft von morgens bis abends durch und verschwenden so Energie und Geld. Eine mögliche Lösung heißt »Cognitive Lighting«.

Der durchschnittliche Büromensch neigt dazu, morgens im Büro als Erstes einmal das Deckenlicht anzuschalten – und das bleibt dann so über den Tag. Aus diesem Grund hat man in vielen Büros schon seit langem den einfachen Ein/Aus-Schalter durch einen Anwesenheitsschalter ersetzt. Der löst aber nur einen Teil des Problems (Licht an, wenn jemand im Raum ist), ein anderer Teil bleibt ungelöst, nämlich die Frage, wieviel Licht der Anwender braucht oder haben möchte. Manche Leute erledigen diese Frage für sich, indem sie die Deckenbeleuchtung ausschalten und eigene Lampen betreiben, etwa eine Schreibtischleuchte. Diese mögen ihnen persönlich zwar das gewünschte Licht liefern, bieten aber keine Antwort für den Fall, dass sie den Raum verlassen. So oder so erfüllen also übliche Lichtinstallationen die wirklichen Bedürfnisse nicht. Denn weder liefern sie eine vom Nutzer bestimmte Menge Licht – aber nur dann, wenn der Büroraum tatsächlich genutzt wird –, noch halten sie diese Beleuchtungsstärke konstant, wenn andere Lichtquellen, vor allem das Tageslicht, sich ändern.

Eine Lösung, die ams zu diesem Zweck entwickelt hat, lautet »Cognitive Lighting« – ein Lichtsystem, das »denken« kann. Es hält automatisch die Beleuchtungsstärke konstant, die der Nutzer bevorzugt und bei der er am besten arbeiten kann. Dabei reagiert es selbstständig, wenn sich das Tageslicht ändert.

Zwar versuchen einige moderne Lichtsysteme bereits, auf Tageslicht zu reagieren es oder es gar in größerem Maßstab zu »ernten«, aber erst das Aufkommen von flexibler steuerbaren Leuchtkörpern hat die Tür zu einer genaueren Steuerung aufgestoßen, die letztlich erheblich Energie einsparen (Bild 1) und gleichzeitig den Komfort und die Produktivität der Nutzer erhöhen kann.

Bei der Projektierung und Umsetzung eines tageslichtsensiblen Lichtsystems sind etliche wichtige Faktoren zu berücksichtigen. Die Dinge werden gleich sehr viel einfacher, wenn man mit Cognitive-Lighting bei den einzelnen Leuchten anfängt, statt man die Reaktion auf das Tageslicht auf Gebäudeniveau umzusetzen. Wenn man jeden einzelnen Leuchtkörper so konstruiert, dass er das im Raum vorhandene Licht korrekt erfasst und nur den jeweils fehlenden Lichtstrom ergänzt, vereinfacht das die Aufgabe des Gebäudelichtmanagements ganz entscheidend.

Zur Umsetzung von Cognitive-Lighting sind drei grundlegende Bausteine nötig (Bild 2): 

  • ein dimmbarer Leuchtkörper (etwa eine Leuchtstoffröhre oder eine LED-Lösung mit passenden optischen Eigenschaften, Treiberschaltung und Wärmemanagement), 
  • präzise, speziell für Tageslicht optimierte Umgebungslichtsensoren, etwa der Tageslichtsensor »TSL4531« von ams und 
  • eine mit einem Mikrocontroller ausgestattete »intelligente« Lichtsteuerung (ILC, Intelligent Lighting Controller), welche die Entscheidungen trifft. 

Damit das Konzept den Vorstellungen des Nutzers entgegenkommt, muss zunächst definiert werden, wie sich das System aus Sicht des Nutzers verhalten soll und auch wie es sich nicht verhalten soll. Die im Moment gängigen anwesenheitsgesteuerten Systeme sind schlichte Ein/Aus-Schalter, welche die volle Beleuchtung einschalten, wenn die Anwesenheit einer Person erkannt wird, und alles komplett abschalten, wenn nach einer vordefinierten Wartezeit erkannt wird, dass keine Person mehr anwesend ist. Zudem brauchen vorhandene Systeme, speziell die häufig installierten Systeme auf Leuchtstoffröhrenbasis, lange Nachlaufzeiten, weil häufiges Ein- und Ausschalten die Lebensdauer der Lampen massiv verkürzt. Die übliche Lebensdauererwartung einer Leuchtstoffröhre fußt auf der Annahme von maximal acht Schaltzyklen in 24 Stunden.

Bei den meisten vorhandenen Systemen bekommt der Anwender also bestenfalls ein »Alles An« oder »Alles Aus«, und das steht im krassen Gegensatz zu einem optimalen Anwendererlebnis. Automatisches Dimmen bietet zumindest eine Teillösung, sowohl für die Lebensdauer der Lampen als auch für die Vorstellungen des Nutzers. Teurere dimmbare Leuchtstoffröhrensysteme könnte der Anwender grundsätzlich auf eine geringere Lichtstärke einstellen, was dann die Normaleinstellung werden könnte. Der Normalnutzer aber dürfte sein Licht standardmäßig auf die höchste Stufe einstellen, die er für eine bestimmte Aufgabe braucht und die Einstellung danach nie wieder nachregeln.

Viele Anwender hätten gern, dass das Licht im Raum auf ein bestimmtes Niveau eingestellt ist, das die Leuchtkörper dann aufrechterhalten, solange jemand im Raum ist. Außer dann, wenn sie manuell das Licht einstellen wollen, möchten sie von Einstellvorgängen am liebsten überhaupt nichts mitbekommen. Daher sollte man den Dimmer nicht etwa als Gerät sehen, mit dem man die Lichtabgabe (eigentlich ja die Leistungsaufnahme) einer Leuchte einstellt, sondern eher als Gerät, mit dem man das allgemeine Lichtniveau des ganzen Raumes einstellt.

Wie die Regelung arbeitet

Definiert man für den Dimmer die Stellgröße »Beleuchtungsstärke der Umgebung«, ergibt sich für den Leuchtkörper daraus eine naheliegende Aufgabe: Der Dimmer hat die Beleuchtungsstärke des Raums konstant zu halten. Um diese Aufgabe zu erfüllen, braucht er einen hochqualitativen Umgebungslichtsensor, der die Beleuchtungsstärke in diesem Raum integrativ erfassen kann, und steuert dann den Lichtstrom des Leuchtkörpers so, dass der Sollwert eingehalten wird.

Die Begriffe »Lichtstrom« und »Beleuchtungsstärke« sind hierbei näher zu beleuchten: Das von einem Leuchtkörper (etwa einer Glühlampe) abgegebene Licht bezeichnet man als seinen Lichtstrom und misst ihn in der Maßeinheit Lumen (lm). In Lux (lx) misst man die Beleuchtungsstärke, also den Lichtstrom, der auf eine bestimmte Fläche auftrifft oder durch sie hindurchgeht. Eine Lichtstrommessung in Lumen berücksichtigt die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges für unterschiedliche Farben, also Wellenlängen. Beispielsweise empfindet ein Mensch grünes Licht als heller als gleich starkes blaues Licht. Moderne weiße LEDs erzeugen typischerweise ein Lichtspektrum, das etwa der Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasst ist, mit einem relativ starken Blauanteil und weniger Grün. Somit ergibt sich eine Lichtfarbe, die wir Menschen als Weiß empfinden.

Angenommen, unsere Referenzlichtquelle wäre eine Taschenlampe, die einen typisch konischen Lichtkegel mit einem Gesamtlichtstrom von 100 lm durch ihre Frontlinse abstrahlt. Diese präzise hergestellte Linse beleuchtet eine große flache Fläche von 1 m². Auf dieser Fläche entsteht somit eine Beleuchtungsstärke von 100 lm/m² oder 100 lx. Vergrößert man den Abstand zwischen Lichtquelle und beleuchteter Fläche, sodass sich die gleichen 100 lm nun auf 2 m² verteilen, hat man immer noch die gleichen 100 lm, aber sie verteilen sich auf die doppelte Fläche, sodass die Beleuchtungsstärke nun nur noch 50 lx beträgt. In den meisten Fällen (gleiche Wellenlängenverteilung, also gleiche Lichtqualität vorausgesetzt) geht es uns in Rahmen der Beleuchtung um die Beleuchtungsstärke in Lux. In englischsprachigen Ländern wurde die Beleuchtungsstärke jahrzehntelang in »footcandle« gemessen; die Einheit ist ähnlich definiert, 1 ft cd entspricht etwa 10,764 lx. Tabelle 1 stellt die Lichtausbeute einiger verbreiteter Lichtquellen gegenüber.

Lichtquelle Leistungsaufnahme in W Lichtausbeute (typ.) in lm/W 
Kerze 50 0,1 
Glühlampe 6012,0
12-V-Halogenlampe5527,5
230-V-Halogenlampe10016,7
Kompaktleuchtstofflampe1156,5
Halogenmetalldampflampe35 bis 100094
Leuchtdiode weißbis 565
LED-Lampe 230 V warmweiß7 bis 1264
LED-Chip warmweiß (blau + Leuchtstoff)0,05 bis 5050,5
thermischer Strahler, 6600 K 95 (theoretisch)
grün, 550 nm 683 (theoretisch)
Tabelle 1: Lichtausbeute verschiedener Lichtquellen (Quelle Wikipedia)

Aufgabe des Tageslichtsensors

Ein Leuchtkörper des Cognitive-Lighting-Systems hat nun die Aufgabe, die Beleuchtungsstärke des Lichtes zu messen, das auf ihn von einem bestimmten Punkt zurückgeworfen wird. Das erledigt der Umgebungslichtsensor (ALS, Ambient Light Sensor), der speziell für Tageslichtanwendung konstruiert sein sollte. Es ist wichtig, dass der Umgebungslichtsensor die Beleuchtungsstärke so aufnimmt, wie ein Mensch im betreffenden Raum, der Verlauf seiner spektralen Empfindlichkeit muss daher dem des menschlichen Auges entsprechen. Der Lichtsensor »TSL4531« ist speziell auf Tageslicht ausgelegt und erfüllt laut Hersteller ams diese Voraussetzung. Außer einer geeigneten spektralen Empfindlichkeit muss der Lichtsensor auch hinreichend träg sein, sodass er nur auf den Durchschnittswert der Beleuchtungsstärke reagiert und nicht etwa auf das Flackern einer älteren Leuchtstoffröhre im Flur.

Der Lichtsensor misst reflektiertes Licht, daher könnte es je nach Oberflächenbeschaffenheit der reflektierten Oberflächen Unterschiede bei den Messwerten geben. Ein polierter Konferenztisch beispielsweise reflektiert erheblich mehr Licht als der Teppichboden. In der Praxis, in der die Decke minimal 2,50 m hoch ist, in modernen Gebäuden eher 3 m bis 3,50 m, helfen Streueffekte bei der Durchschnittsbildung. Wichtiger für die Beleuchtung ist, ob der Raum von Tischflächen oder von offenem Fußboden dominiert wird, was unabhängig von der Art der Leuchtkörper die Beleuchtung des Raumes generell beeinflusst.

Bild 3 zeigt, wie Cognitive-Lighting-basierte Leuchtkörper in einem Büro funktionieren: In diesem Fall agiert jeder Leuchtkörper unabhängig auf Basis des Sollwerts der Beleuchtungsstärke, welche die Anwender eingestellt haben. Fällt Tageslicht in den Raum regelt jeder Leuchtkörper mittels Lichtsensor seinen Lichtstrom, wird minimal dunkler oder heller, und zwar so, dass der Sollwert eingehalten wird. Die Erkennung der Anwesenheit hingegen bleibt ein schwieriges Problem. In der Zeichnung ist der entsprechende Sensor an der Wand eingebaut (vermutlich in einem gemeinsamen Gerät zusammen mit dem Lichtsteller). Man könnte Anwesenheitssensoren auch in die einzelnen Leuchtkörper einbauen.

Systemintegration

Ein Cognitive-Lighting-basierter Leuchtkörper ist naheliegend aufgebaut; die Eigenintelligenz und Kommunikationsfähigkeit moderner Komponenten unterstützen das Konzept. Im Beispiel ist der Umgebungslichtsensor so positioniert, dass er eine ungestörte Sicht auf sein Zielfeld hat. Über einen seriellen Standardbus (etwa I²C) ist er mit der Lichtsteuerung verbunden, an die außerdem der Anwesenheitssensor und der Lichtsteller angeschlossen sind (Bild 2). Diese würden typischerweise mit 0-10-V-Steuersignalen angebunden. Das Steuergerät gibt ein 0-10-V-Steuersignal aus, etwa an ein elektronisches Vorschaltgerät oder eine LED-Leuchte, die einen entsprechenden Dimmer-Eingang aufweisen.

Die Lichtsteuerung vergleicht die Umgebungsbeleuchtungsstärke, die der Lichtsensor liefert, mit dem Sollwert des Lichtstellers und bestimmt so den entsprechenden 0-10-V-Ausgangswert, der dann das elektronische Vorschaltgerät oder die LED-Steuerung treibt. Den Lichtsteller kann man natürlich auch durch ein voreingestelltes Potentiometer ersetzen, etwa in einer Umgebung wie einem Lager, in der es nicht erforderlich ist, dass der Anwender die Lichtstärke selbst einstellen kann.

Wenn Tageslicht in den Raum einfällt, erkennt der Lichtsensor den Anstieg der Beleuchtungsstärke und verringert sein Ausgangssignal so, dass die Gesamtbeleuchtungsstärke konstant auf dem Sollwert bleibt. Der Dimmer fährt Veränderungen auf einer nichtlinearen Kurve ab, die so optimiert ist, dass der Dimmvorgang möglichst glatt erscheint. Das ist für das menschliche Auge angenehmer. Man erreicht das über programmierbare Rampenzeiten und anpassbare Sollwerte für die Beleuchtungsstärke.

In der Betriebsart »Tageslichtnutzung« sollte der Lichtcontroller abrupte Änderungen der Beleuchtung minimieren, die aus kurzzeitigen Änderungen in den Umgebungslichtbedingungen resultieren. Mit passenden Filtern kann man Störsignale der Umgebung unterdrücken, etwa kann die Lichtsteuerung nach einer Wartezeit nochmals die Beleuchtungsstärke messen und erst dann eine Änderung des Ausgangssignals erwirken, wenn die zweite Messung die Tendenz der ersten Messung bestätigt.

Wird der Anwesenheitssensor ausgelöst, startet er einen voreingestellten Timer in der Lichtsteuerung, der bei seinem Ablauf das Licht ausschaltet. So ist sichergestellt, dass die Tageslichtsteuerung nur arbeitet, wenn der Raum besetzt ist.

Über den Autor:

Sajol Ghoshal ist Director der Sensor Driven Lighting Business Unit bei ams.