Die Farbtemperatur einer LED mit einem Sensor steuern

| Autor / Redakteur: Tom Griffiths * / Hendrik Härter

Verschiedene Farbtemperaturen: Mit Human Centric Lighting passt sich das Licht den Tagesrhythmus an. Warme Farbtemperaturen (links) kommen gegen Abend zum Einsatz, während tagsüber eher blaue Farben dominieren (rechts).
Verschiedene Farbtemperaturen: Mit Human Centric Lighting passt sich das Licht den Tagesrhythmus an. Warme Farbtemperaturen (links) kommen gegen Abend zum Einsatz, während tagsüber eher blaue Farben dominieren (rechts). (Bild: ams)

Die Farbtemperatur einer LED-Leuchte lässt sich unterschiedlich regeln. Warum es für den Entwickler interessant sein kann, auf einen Sensor mit Mikrocontroller zurückzugreifen, zeigt der Beitrag.

Bei LED-Leuchten im gehobenen kommerziellen und privaten Umfeld spielt die Regelung der Farbtemperatur eine entscheidende Rolle. So kann eine typische Einbauleuchte im Büro beispielsweise zwischen 150 und 300 Euro kosten. Der verbaute LED-Streifen wird vermutlich weniger als vier Euro in der Stückliste kosten. Dieser Spielraum bei der Preisgestaltung gibt dem Hersteller die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen einzubauen und sich von anderen Herstellern, vor allem aus dem unteren Preisbereich, abzugrenzen.

Hier ist ein besonders attraktives Leistungsmerkmal die Möglichkeit, die Farbtemperatur einzustellen. Die Spanne reicht von 6500 K mit einem sehr kaltem Weiß bis 2200 K und einem sehr warmen Weiß. Allerdings würde man für eine herkömmliche Büroleuchte nicht so eine weite Spanne der Farbtemperatur wählen. Für eine typische Einbauleuchte genügt eine Farbtemperatur zwischen 2700 und 5000 K sowie eine ausgefeilte Steuerelektronik. Der Anwender kann sich die gewünschte Farbtemperatur nach seinen Bedürfnissen einstellen. Stichwort ist hier Human Centric Lighting (HCL), die Farbtemperatur nach dem tageszeitlichen Rhythmus des menschlichen Körpers einzustellen.

Ein einstellbares weißes Lichtsystem könnte beispielsweise mitten am Tag blauer leuchten, mit fortschreitender Stunde jedoch immer wärmer (also gelblicher) werden und so möglicherweise den nachteiligen Effekt des blauen Lichts auf den Nachtschlaf mindern. Studien zeigen, dass eine solche Steuerung der Farbtemperatur von künstlichem Licht im menschlichen Körper eine hormonelle Antwort hervorruft, die tagsüber nicht nur die Produktivität fördert, sondern auch Müdigkeit vorbeugt. Am Abend fördert jedoch Entspannung und Schlaf. Für die Beleuchtungsbranche stellt sich somit nicht die Frage, ob sie eine Einstellung der Farbtemperatur implementiert, sondern wie. Zur Steuerung der Farbtemperatur sind aktuell drei Methoden gängig. Im Mittelpunkt steht die Sensorregelung.

Drei Methoden, um die Farbtemperatur zu regeln

Die einfachste aber auch ungenaueste Methode, um die Farbtemperatur zu steuern, ist die Regelung der kalt-weißen und warm-weißen LED-Streifen über einen Mikrocontroller, der über eine Wertetabelle die Steuerströme ändert. Charakterisiert man die LEDs sorgfältig und setzt einen präzisen LED-Treiber ein, lässt sich ein recht ordentliches Ergebnis erzielen, jedoch mit der Einschränkung, dass es sich um eine neue Leuchte unter Laborbedingungen handelt. Sobald die Leuchte unter realen Bedingungen einsetzt wird, kommt 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 beeinträchtigt die Genauigkeit der Farbtemperatursteuerung. Das menschliche Auge unterscheidet wenige Promille Unterschied zwischen zwei Lichtquellen. Deshalb erkennen wir Abweichungen unmittelbar. Mit der Alterung der LED nehmen die Unterschiede zu, wenn deren tatsächliche Leistung sich immer weiter von den Datenblattwerten entfernt.

Die zweite Methode, um die Farbtemperatur zu steuern, ist mit einer verfeinerten Wertetabelle zu arbeiten. Hierbei werden Änderungen des LED-Verhaltens mit der Betriebstemperatur und durch Alterung in eine deutlich komplexere Wertetabelle eingearbeitet. Gemeinsam mit einer verfeinerten LED-Stromsteuerung, die über einen Regelkreis Unterschiede bei den LED-Treibern kompensiert, liefert die Methode genauere Ergebnisse als die erste Methode, vor allem auch über längere Zeiträume. Bei sauberer Implementation wird bereits in der Produktion die Farbtemperatur kalibriert, 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,
  • Hochgenaue Mehrkanal-LED-Treiber
    erforderlich,
  • Hohe Abhängigkeit von der anfänglichen LED-Charakterisierung und den Alterungsprognosen. Über eine Lebensdauer eines Leuchtkörpers von zehn Jahren wird sich fast jede Prognose von der Wirklichkeit unterscheiden. Weil der LED-Markt sehr dynamisch ist, bezieht sich das Modell möglicherweise auf einen älteren LED-Typ als schließlich tatsächlich verbaut wird, was dann möglicherweise für weitere Abweichungen sorgt. Der Hersteller des Leuchtkörpers ist an die ursprünglich gewählten LEDs gebunden, weil jede Änderung für vergleichbare Ergebnisse eine komplette Neucharakterisierung nach sich ziehen würde.

Farbtemperatur der LED regelt ein Sensor

Die dritte Methode misst kontinuierlich das Mischlicht über einen kalibrierten Farbsensor innerhalb der Leuchte. Der eingebaute Mikrocontroller steuert anhand der Messwerte des Sensors die beiden LED-Ketten ständig so nach. Die Farbtemperatur passt sich den geänderten Umgebungslicht, Alterung oder Dimmung an. Ein solches Feedback-System muss nichts über die LEDs wissen, auch nicht die nominale Farbtemperatur. Es kommt ohne Vorhersagemodelle über das Alterungs- und Temperaturverhalten der LEDs aus. Es braucht keine sorgfältig selektierten LEDs, keine eng-tolerierten Chargen mit exakter Farbtemperatur. Ist der Sensor vorkalibriert, wird keine weitere Leuchtenkalibrierung in der Produktion benötigt.

Die Methode die Farbtemperatur über einen Sensor zu steuern bringt bereits bei neuen Leuchtkörpern bessere Ergebnisse als bei den anderen beiden Methoden. Das Licht passt sich der Wirklichkeit an und arbeitet nicht mit Voraussagen. Mit der Zeit vergrößert sich der Vorsprung dieser Methode sogar noch, weil die Sensormethode während der Lebensdauer des Leuchtkörpers immer gleich gut funktioniert, wohingegen die Leistung der beiden erstgenannten Ansätze über die Zeit unvermeidlich abnimmt. Auch auf der Kostenseite bietet die Sensor-Methode aufgrund der weniger strengen Spezifikation der LEDs und der Stromversorgung Vorteile. Der LED-Leuchtenhersteller kann in einem breiteren Farbtonbereich wählen und ist flexibler, günstigere oder besser verfügbare LEDs einsetzen oder sogar solche, die außerhalb des Zielbereichs der Farbtemperatureinstellung liegen. Ebenfalls vereinfacht wird die Vorratshaltung. Zudem lässt sich Zeit und Geld in der Produktion sparen, da eine Kalibrierung der Leuchte nicht mehr erforderlich ist.

Ein integrierter Ansatz einer Sensorlösung

Man kann eine Sensorlösung für weißes Licht mit einstellbarer Farbtemperatur durchaus selbst entwickeln. Notwendig sind nur wenige Bauteile: ein hochwertiger Farbsensor, ein Mikrocontroller und einige selbstentwickelte Algorithmen für die Steuerung der LED-Ströme entsprechend der Sensormessungen. Und doch ist die Entwicklung einer solchen Software komplex. Notwendig sind verschiedene Fachkenntnisse, etwa in der Methodik des Dimmens für eine kontinuierliche Änderung von Lichtstärke und Farbtemperatur, in der Programmierung eingebetteter Systeme, im optischen Design, in der Charakterisierung optischer Systeme und in der Programmierung von geregelten Systemen, damit man Schwingen oder Synchronisationsfehler vermeidet. Wie so oft im Elektronikdesign spart eine fertige, integrierte Lösung, man spricht von einem SoC = System on Chip, für die Steuerung der Farbtemperatur Platz und Geld. Für den Systemdesigner ist sie schneller und einfacher zu realisieren.

Der österreichische Hersteller ams liefert eine solche integrierte Lösung für die Farbtemperatureinstellung in zwei Varianten: als Smart Lighting Manager und als Smart Lighting Director. Das Modul AS7221. ist ein Smart Lighting Manager und regelt die Farbtemperatur selbstständig. Enthalten ist ein XYZ-Farbsensor und ein kleiner Prozessorkern in einem Gehäuse von 4,5 mm x 4,7 mm x 2,5 mm. 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 günstigen Ausführung hat ein Smart Lighting Manager einen mehrkanaligen Ausgang, der entweder ein 0-10-V- oder ein PWM-Signal an den LED-Treiber liefert. Zwei weitere PWM-Kanäle steuern Schalttransistoren am Ende der warm-weißen und kalt-weißen LED-Ketten und regeln den Strom so, dass die beiden LED-Ketten die Zielfarbtemperatur erzeugen.

Schnell ein Sensor-Regelsystem aufbauen

Bei dem AS7225 handelt es sich um einen sogenannten Smart Lighting Director mit eingebauten Hochleistungs-XYZ-Farbsensor und einer Logik. Das System berechnet kontinuierlich, in welchem Verhältnis die beiden LED-Ketten Licht für die gewünschte Farbtemperatur abgeben müssen. Die Ergebnisse werden an einen Applikationsprozessor im Leuchtkörper weitergeleitet, der diese Anweisung anschließend umsetzt und auch DALI oder andere Netzwerksignale bedient. Der Einsatz eines Smart Lighting Managers ist die schnellste Möglichkeit, ein Sensor-Regelsystem zu implementieren. Man braucht dafür keine weiteren Steuerelemente. 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). Der Einsatz eines Smart Lighting Directors eignet sich für Designs, die bereits mit einem Mikrocontroller ausgestattet sind.

In einem Sensorregelsystem benötigt der Sensor zwingend eine repräsentative Sicht auf das Mischlicht beider LED-Ketten. Hierzu lässt sich der Sensor auf der LED-Leiterplatte anordnen und im Rand des Reflektors oder Gehäuses des Leuchtkörpers einen Lichtleiter vorsehen, der das Mischlicht zum Lichtsensor weiterleitet. Die Sensoren des Herstellers ams bieten einen Blickwinkel von 45°. Man kann sie an verschiedene Blickfelder oder Charakteristiken der Mischkammer flexibel anpassen.

Abschließend lässt sich feststellen, dass der Einbau einer Sensorik in eine LED-Leuchte vor allem Bauteilkosten spart. Zudem sind weniger eng spezifizierte Bauteile notwendig und der Entwickler enthält dennoch eine genauere Einstellung der Farbtemperatur der verwendeten LED.

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* Tom Griffiths ist Senior Marketing Manager für Licht- und Spektralsensoren bei ams in Österreich.

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