Steuerung von abstimmbaren weißen LEDs für ergonomische Beleuchtung | DigiKey

Da LED-Beleuchtungssysteme immer ausgereifter werden, genügt es nicht mehr, nur ausreichende blendungsfreie Helligkeit zu liefern. Da die Forschung zweifelsfrei nachgewiesen hat, dass die Umgebungsbeleuchtung die menschliche Biologie beeinflusst, richtet sich die Aufmerksamkeit nun auf die Regelung der Lichtquelle im Hinblick auf Biorhythmus, Sehschärfe und sogar Produktivität.

Im Mittelpunkt dieser ergonomischen Beleuchtung (Human-Centric Lighting, HCL) steht die abstimmbare weiße LED. Für die Implementierung von HCL ist es wesentlich, Schaltungen zu entwickeln, die die LED dimmen, die Farbtemperatur erkennen und regeln und dabei stets die erforderliche Helligkeit liefern.

In diesem Artikel werden HCL und ihre Anwendungen beschrieben und dann das Arduino-kompatible LED-Beleuchtungsmodul XMC1202 RGB von Infineon Technologies vorgestellt. Dann wird besprochen, wie das Modul zur Evaluierung und für das schnelle Prototyping von Beleuchtungskörpern mit abstimmbaren weißen LEDs eingesetzt werden kann.

Die Wirkung von Beleuchtung

HCL beruht darauf, dass die Veränderung des natürlichen Lichts im Lauf des Tages durch abstimmbare Hochleistungs-LEDs und Mikrocontroller imitiert wird. Morgens hat das Licht eine rötliche Farbtemperatur von etwa 3000 °K. Gegen Mittag liegt diese bei etwa 6500 °K. Beim Menschen bewirkt diese Änderung der Farbtemperatur die Produktion verschiedener Hormone wie Melatonin, die eine wichtige Rolle für den menschlichen Schlafzyklus spielen. Die Melatoninkonzentration ist nachts höher und am Tage geringer.

Die Augen nehmen ebenfalls Lichtinformationen auf, insbesondere den blauen Anteil des Umgebungslichts. Insbesondere die lichtempfindlichen Ganglienzellen der Netzhaut (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs) sind für einen schmalen Bereich des blauen Lichts der Wellenlänge um 480 nm empfindlich. Studien haben gezeigt, dass Licht mit einer hohen Blaukomponente im Spektrum die menschliche Leistung und Konzentration aktivieren und steigern kann. Wenn der Anteil dieser Blaukomponente sinkt, ruht sich der Körper aus und geht in einen ruhigeren und weniger produktiven Modus über.

In der Vergangenheit lag die Farbtemperatur nach Wahl einer Glüh- oder Fluoreszenzlampe fest. Eine herkömmlichen 3500K-Lampe konnte nur eine Farbtemperatur von 3500 K liefern. LEDs können dagegen ein breites Spektrum sichtbaren Lichts liefern, sodass sie auf künstliche Weise die Änderungen des natürlichen Lichts produzieren können. Dies gelingt mit regelbaren weißen LEDs, Treibern, Lichtsystemen und Steuerkanälen, mit denen die Farbtemperatur des ursprünglich weißen Lichts des Beleuchtungskörpers geregelt werden kann.

Eine abstimmbare weiße LED besteht in ihrer Grundform aus zwei LED-Kanälen, einem kaltweißen und einem warmweißen Kanal (Abbildung 1). Die Steuerparameter sind Helligkeit und Farbtemperatur. Diese werden typischerweise über einen Dimmschalter gesteuert, bei dem die Dimminformation im Spannungsverlauf und in der Ausgangsstromstärke besteht. Dieser einfache Ansatz verfügt noch nicht über die Auflösung und Stufenlosigkeit eines Regelungssystems auf Grundlage des DALI- oder DMX-Protokolls. Diese werden später behandelt.

Abbildung 1: Für die Regelung einer weißen LED sind zwei Kanäle nötig: warmes Weiß und kaltes Weiß. Die Steuerparameter sind Helligkeit und Farbtemperatur. Diese werden typischerweise über einen Dimmschalter oder ein einfaches Potentiometer geregelt. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Die Herausforderung, weißes Licht mit variabler Farbtemperatur zu liefern

Für die Ingenieure besteht die Herausforderung bei der Entwicklung von HCL unter anderem darin, dass die korrelierte Farbtemperatur (CCT) von Halbleiterleuchten (SSL) stark spannungsabhängig ist. Daher wurden Dimm-Techniken auf der Grundlage der Pulsweitenmodulation (PWM) entwickelt. Diese sind beliebt, da die LED während der „Ein“-Phase des Pulszyklus mit der spezifizierten Durchlassspannung betrieben wird und die CCT daher konstant bleibt. Gleichzeitig kann die mittlere Stromstärke durch Änderung des Taktzyklus so geändert werden, dass die Helligkeit der LED steigt oder sinkt.

Ein erschwerender Faktor bei HCL ist der, dass die Farbtemperatur auch vom Wirkungsgrad der LED abhängt und warmweiße und kaltweiße LEDs unterschiedliche Wirkungsgrade haben können. Darüber hinaus können unterschiedliche Farbtemperaturen auf mechanische Faktoren wie Wärmeleitung, Gehäuse, Auslegung von PC-Platinen und Kühlkörper zurückgeführt werden.

Dies ist zwar kompliziert, aber selbst nicht für SSL geschulte Ingenieure können HCL-Systeme ohne große Schwierigkeiten mit Entwicklungswerkzeugen wie dem LED-Beleuchtungsmodul XMC1202 RGB von Infineon entwickeln (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das LED-Modul XMC1202 RGB vereinfacht die Entwicklung und Evaluierung von abstimmbaren weißen LED-Beleuchtungskörpern. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Im Modul befindet sich eine ARM®-Cortex®-M-basierte 32-Bit-Industrie-MCU XMC1202 mit eingebetteter Steuereinheit für Helligkeit und Farbe (Brightness Color Control Unit, BCCU). Sie wurde zur Erprobung von stufenlosem, augenfreundlichen Dimmen und zur Mischung von Farben für verschiedene Topologien entwickelt. Sie ist leicht konfigurierbar und für das schnelle Prototyping mit verschiedenen LED-Lichtsystemen und Lampen kombinierbar.

Für die Stromversorgung der LEDs wird eine DC/DC-Abwärtswandler-Topologie eingesetzt, mit der bis zu drei LED-Kanäle mit konstanter Stromstärke angesteuert werden können. 10 grundlegende I²C-Befehlssätze können zur Regelung der angeschlossenen LED-Lampe für verschiedene Beleuchtungseffekte an das Modul gesendet werden.

Die BCCU steuert die Farbe mit einer Genauigkeit von 12 Bit. Farbübergänge können mittels eines linearen „Walk“ scharf oder weich gestaltet werden. Ein so genannter „Linear Walker“ im LED-Kanal ändert die Intensität als Funktion der Zeit linear und bietet konfigurierbare Farbübergangszeiten. Damit Farben weich ineinander übergehen, muss die Zeit für den Linear Walk in allen Kanälen gleich sein, und die Linear Walks müssen auf allen Kanälen gleichzeitig gestartet werden.

Das Modul kommuniziert über das I²C-Protokoll als Slave mit einer Master-Platine. Als Master-Platine kann ein Arduino Uno R3 oder das Boot-Kit XMC1100 von Infineon verwendet werden.

Mit der Kombination von Arduino-Platine und Code auf dem XMC1202 kann eine Lampe in 4095 Einzelschritten von warmem Weiß mit einer Farbtemperatur von 2700 K auf kaltes Weiß geregelt werden. Auch die Helligkeit kann in 4095 Einzelschritten flackerfrei und in hoher Qualität auf 0,5 % der ursprünglichen Helligkeit heruntergedimmt werden.

Im Modul konvertiert ein Sigma-Delta-Modulator 12-Bit-Helligkeitswerte in einen Bitstrom als PDM-Signal (Pulsdichtemodulation). Durch lineare Änderung der Intensität erscheinen Helligkeits- und Farbänderungen weicher und für das menschliche Auge natürlich. Dazu ändern bestimmte Kanäle für eine voreingestellte Dauer ihre Intensität stetig, wobei die jeweiligen Zielwerte gleichzeitig erreicht werden. Dies führt zu einem geradlinigen Übergang im orthogonalen (CIE Lab) Farbraum.

Die primäre Aufgabe der BCCU besteht darin, an den Anschluss-Pins automatische Dimmsignale für die externe LED-Ansteuerung zu liefen (Abbildung 3).

Die BCCU von Infineon kann bis zu 9 unabhängige LED-Kanäle dimmen, abhängig von MCU Pin-Verfügbarkeit. Sie verfügt über 3 Dimm-Engines (DE), die über eine Verbindungsmatrix miteinander verbunden sind. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Zwei Auslösesignale können die Analog-Digital-Wandlung starten, die für rauschfreie Messungen auf den LED-Kanälen erforderlich sind (TRIG). Die Dimmsignale können auch an CCU4 oder CCU8 geleitet werden, von wo aus die Stromstärkesteuerung der LED direkt angesteuert werden kann (OUT). Ein Defektzustand (Trap State) tritt auf, wenn ein externer Notfall, z. B. ein Kurzschluss, auftritt. Diese Information kann direkt an die BCCU geleitet werden. Während eines TRAP gehen die Ausgänge der BCCU unmittelbar in einen vordefinierten sicheren passiven Pegel über. Der Ausgang der analogen Komparatoren kann als asynchrones Gate-Signal für BCCU-Kanäle für schnelle Steuerschleifen verwendet werden (IN).

Zwei der drei verfügbaren MOSFET-Gate-Treiber-Ausgänge werden zur Ansteuerung einer weißen regelbaren LED-Lampe verwendet (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Infineon-Modul steuert über eine DC/DC-Abwärtswandler-Topologie eine weißeabstimmbare LED an. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Verfügbare Schnittstellen und Programmierhilfen

Anstelle eines Dimmschalters kann zur Steuerung der abstimmbaren weißen LEDs eine DMX512-Schnittstelle verwendet werden. DMX512 ist zur Steuerung von Bühnenbeleuchtungen und Theatereffekten weit verbreitet. DMX512-A ist der aktuelle Standard. Er wird von der ESTA (Entertainment Services and Technology Association) verwaltet. Das DMX512-Signal ist ein Satz von 512 einzelnen Helligkeitsstufen (Kanälen), die ständig aktualisiert werden. Ein DMX-Link von 512 Kanälen wird als „Universe“ bezeichnet. Typische Theaterkonsolen haben mehrere Universe-Ausgänge.

XMC1000-Produkte wie der XMC1202 können ebenfalls als Slave einer digital adressierbaren Beleuchtungsschnittstelle (Digital Addressable Lighting Interface, DALI) verwendet werden. DALI ist ein nicht proprietärer bidirektionaler Zweidraht-Schnittstellenstandard für dimmbare elektronische Steuerungen. Es ist in hohem Grade flexibel und kann entweder einzeln oder im Broadcast-Modus bis zu 16 Gruppen ohne Relais steuern. Schalt- und Dimmvorgänge erfolgen über die Steuerleitung, und wichtige Informationen wie der Lampenstatus werden gespeichert und stehen für den Controller zur Verfügung. DALI kann über die einzelne Zweidraht-Schnittstelle bis zu 64 LED-Einheiten adressieren.

Selbst wenn verschiedene Beleuchtungssysteme auf verschiedenen Dimmstufen beginnen oder verschiedene Lampentypen miteinander kombiniert werden, synchronisiert DALI die Änderungen von einer Beleuchtungsszene zur anderen. Dies bedeutet, dass sämtliche Lichtquellen den neuen Beleuchtungswert gleichzeitig erreichen und so eine konsistente Beleuchtung für HCL-Systeme bieten.

Version 4 von DAVE™, der Entwicklungsplattform für XMC-MCUs von Infineon, ist für Standard-Beleuchtungs-Kommunikationsprotokolle verfügbar. DAVE ist eine kostenlose integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) auf Eclipse-Basis einschließlich GNU C-Compiler, Debugger, einer umfangreichen Code-Bibliothek, Hardware-Ressourcen-Verwaltung und Codegenerierungs-Plug-in. Es steht ein vollständiges Download-Paket einschließlich APPs, Beispielen und DAVE SDK zur Verfügung. Mit DAVE können das Farbänderungssystem für LEDs, der Takt der Peripheriebausteine sowie die globalen Einstellungen der BCCU, die Kanäle und die Dimm-Engine konfiguriert werden.

Implementierung von HCL

Das Arduino-Modul und der XMC1202 können zusammen mit Regelungspotenziometern zur Implementierung eines HCL-Systems verwendet werden. Bei dieser Anwendung werden fünf Leitungen der Platine und zwei der drei verfügbaren MOSFET-Gate-Treiberausgänge genutzt. Damit ergibt sich eine einfache und kostengünstige Evaluierungslösung für regelbare LEDs.

Es werden zwei Potenziometer verwendet: eines zur Helligkeitsregelung und ein weiteres zur Farbtemperaturregelung. Dafür werden die zwei Analog-Digital-Wandler-(ADC)-Kanäle P2.10 und P2.11 benötigt (Abbildung 5). Diese waren früher für die I²C-Kommunikation (SDA bzw. SCL) reserviert. Die an die SCL- und SDA-Pins angeschlossenen Pull-up-Widerstände müssen entfernt werden, um Übersprechen zu verhindern.

Abbildung 5: Darstellung der Verbindung des XMC1202 mit Potenziometern zur Regelung von Helligkeit und Farbtemperatur. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Zur Verbindung mit Potenziometern werden fünf ganz oben rechts auf der Platine befindliche Pins der Arduino-Platine genutzt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Potenziometer werden an fünf Pins oben links auf der Arduino-Platine angeschlossen: SCL, SDA, 5 Volt DC und zweimal Erde. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Fazit

HCL zur Regelung der Beleuchtungsstärke und der Farbe zur Berücksichtigung der Bedürfnisse von Menschen stellt die nächste Stufe in der Evolution der Konstruktion von Beleuchtung und Beleuchtungskörpern dar. Im Zentrum steht die abstimmbare weiße LED. Für die Implementierung von HCL ist die Entwicklung von Schaltungen wesentlich, die nicht nur dimmen, sondern auch die Farbtemperatur erkennen und ändern und dabei die erforderliche Lichtleistung liefern.