Neue High-Power LEDs Smartes Licht richtig gestalten

Abbildung 1: Human-Centric Lighting (HCL) kann den Verlauf 
des natürlichen Tageslicht simulieren und dadurch die Melatoninproduktion senken, was zur Steigerung der Aufmerksamkeit führt.
Abbildung 1: Human-Centric Lighting (HCL) kann den Verlauf des natürlichen Tageslicht simulieren und dadurch die Melatoninproduktion senken, was zur Steigerung der Aufmerksamkeit führt.

Das smarte Beleuchtungssystem Human-Centric Lighting (HCL) von EBV Elektronik setzt zur Simulation von natürlichem Tageslicht auf mit Mikrocontrollern steuerbare High-Power-LEDs.

Es nutzt das RGB Arduino Shield von Infineon und steuert Duris-S2-Hochleistungs-LEDs von Osram. Bedienbar ist das System über drahtlose Schnittstellen: Der Anwender kann die Beleuchtung beispielsweise per Smartphone konfigurieren und steuern.

Das Ziel von HCL ist die Simulation von natürlichem Tageslicht – von warmen 3000 K Farbtemperatur am Morgen bis hin zu kalten 5500 K bis 6500 K am Mittag (vgl. Abbildung 1). Anders als bei monotoner Bürobeleuchtung (mit nur einer Farbtemperatur) wird durch eine solche Simulation die Produktion des Schlafhormons Melatonin unterdrückt. Das Ergebnis: HCL steigert die Konzentration und erhöht die Aufmerksamkeit.

Auf den ersten Blick scheint eine veränderte Farbtemperatur nur eine kleine Veränderung zu sein. Die meisten Menschen verbringen aber bis zu 90 Prozent ihres Arbeitstages in geschlossenen Räumen und sind dadurch viele Stunden einer statischen Bürobeleuchtung ausgesetzt. Untersuchungen mit Studenten, bei denen konventionelle Leuchtkörper durch HCL-Systeme ersetzt wurden, zeigten eine Leistungssteigerung von bis zu 30 Prozent. Wird die Lichttemperatur gegen Abend wieder auf entspannende 3000 K heruntergefahren, hilft HCL sogar, Schlafstörungen vorzubeugen.

Eine solche Lösung wurde jüngst verfügbar gemacht. Sie kombiniert kostengünstige und regelbare LED-Matrizen verschiedener Farbtemperaturen mit einem günstigen, aber  leistungsstarken Mikrocontroller und einer drahtlosen Verbindung zur externen Steuerung. Das bietet Beleuchtungssysteme-Entwicklern nicht nur eine effektive und flexible HCL-Lösung für den Arbeitsplatz und Zuhause, sondern auch viele weitere neue Möglichkeiten: Anstelle einer standardisierten, einfarbigen Realisierung auf Leuchtstoff- oder Halogenbasis kann das Beleuchtungssystem nicht nur den Tageslichtverlauf simulieren, sondern auch nach den Wünschen der Nutzer eingestellt oder verändert werden. Das bringt zusätzliche Mehrwerte und bietet die Grundlage zur Entwicklung intelligenter, IoT-angebundener Beleuchtungssysteme für das Smart Home und Smart Office sowie viele weitere Smart Facilities.

Um diesen Mehrwert zu demonstrieren, hat EBV Elektronik ein Licht-Panel für Büroumgebungen entwickelt. Mit diesem Panel kann man sowohl die Farbtemperatur justieren als auch Mobiltelefone zur Fernsteuerung anbinden. Das Panel integriert hierfür die weit verbreitete Arduino-Plattform, die modular aufgebaut ist und ein Basiscontrollerboard bietet, sowie mehrere Peripheriebaugruppen, sogenannte Shields, für zusätzliche Funktionen.

Das Licht-Panel besteht aus vier parallelen Modulen, die sowohl kaltweiße (6500 K) als auch warmweiße (3000 K) Osram-Duris-S2-LEDs im Chip Scale Package (CSP) verwenden (vgl. Abbildung 2). Die LED-Bänder werden über zwei Kanäle mit dem von Infineon Technologies entwickelten RGB Arduino Shield angesteuert, welches einen XMC1202-Mikrocontroller mit 16 kB Flash nutzt, um einen PWM-kontrollierten, beständigen Ausgangsstrom zu liefern. Das Arduino Shield empfängt Daten von einer Bluetooth-Baugruppe. Wird diese mit einem Smartphone oder Tablet verbunden, kann das Licht-Panel via HCL-App gesteuert werden.

Der ARM-Cortex-M0-basierte XMC1202-Mikrocontroller ist Teil der XMC1000-Familie, die sich bestens für die Stromversorgung von LED-Beleuchtungssystemen eignet. Er bietet eine integrierte Helligkeits- und Farbkontrolleinheit (BCCU), die ein flimmerfreies, weiches Dimmen und eine angenehme Farbsteuerung ermöglicht und damit eine Kerneigenschaft des HCL-Systems sicherstellt. Für schnelles Prototyping und die Evaluierung der LED-Beleuchtungsapplikation hat Infineon das RGB Arduino Shield so entworfen, dass es leicht konfigurierbar ist und verschiedene LED-Lampen und -Module kombinieren kann. Es verwendet einen DC-DC-Abwärtswandler, um bis zu drei LED-Kanäle mit bis zu 700 mA Dauerstrom zu versorgen.

LED Licht-Panel mit Osram-Duris-S2-LEDs und Infineon-Steuereinheit

Zudem nutzt das Arduino Shield von Infineon den XMC1202 auch dazu, Potentiometer zur integrieren, mit denen man HCL-Systeme kontrollieren kann. Zur einfachen und kostengünstigen Evaluierung steuerbarer LEDs können diese bis zu fünf Leitungen des Boards und zwei von drei belegbaren MOSFET-Ansteuerungsausgängen nutzen. Für diesen Anwendungsfall steht bereits Applikationscode für Everlights CHI3030-Chip-on-Board-LEDs zur Verfügung. Dieser nutzt sowohl für warme als auch für kalte Farbtemperaturen ein Vorwärtsspannung von 25,5 V bei 500 mA und ist auch problemlos für andere LED-Module mit ähnlichen Eigenschaften einsetzbar. Mit diesem Code steuert das Arduino Board mit XMC1202-Prozessor das LED-Panel von warmweißem Licht mit einer Farbtemperatur von 2700 K bis hin zu kaltweißem Licht mit einer Farbtemperatur von 5700 K in 4095 diskreten Stufen. Auch die Lichtintensität kann in diesen 4095 diskreten Stufen gedimmt werden, und das mit flimmerfreier Lichtqualität bis zu einer minimalen Helligkeit von 0,5 Prozent.