Farbton-Kontrolle von LED-Licht

Licht hat einen enormen Einfluss auf unser Wohl­befinden und unseren Tag-Nacht-Rhythmus. Ob zum Synchro­nisieren unserer inneren Uhr oder zum Einschätzen von Gefahren­situationen – das Licht hat seit Urzeiten Auswir­kungen auf unser Handeln und wird seitdem auch von uns Menschen erforscht. Moderne Arbeits­umgebungen entwerfen ganze Licht­konzepte um unseren inneren Takt herum. Seit der Entwicklung der weißen LED ist die effiziente Leuchtdiode fest im Forschungs­kanon des Fraunhofer-Instituts für Ange­wandte Festkörper­physik IAF verwurzelt. Bei dem aktuellen Forschungs­projekt SusLight befassen sich Experten unter anderem damit, wie unter­schiedliche Farbwerte des LED-Lichts auf Betrachter wirken.

Für Ihre Arbeit zur „Inneren Uhr“ haben drei ameri­kanische Forscher den Nobel­preis der Medizin erhalten. Den Nobelpreis­trägern zufolge sind unsere Gene mit verant­wortlich für das Funk­tionieren des inneren Tag-Nacht-Rhythmus‘. Das Tagesl­icht hat dennoch einen hohen Stellen­wert für uns Menschen: Als äußerer Einfluss hilft es beim täglichen Synchroni­sieren der inneren Uhr. Die Inter­aktionen einer ganzen Reihe von Hormonen, vom Licht aktiviert, sorgen dafür, dass wir abends müde und am Morgen wieder aktiv werden. Sind wir zu lange von den „falschen“ Licht­signalen umgeben, kann das unsere innere Uhr aus dem Takt bringen oder uns sogar krank machen.

Eine adaptive LED-Beleuchtung macht es möglich, Licht bedarfs­gerecht in unter­schiedlicher Hellig­keit und Farb­temperatur zu erzeugen und es der Umgebung anzupassen. Bei dem Projekt „SusLight“ arbeiten Forscher des Fraunhofer IAF gemeinsam mit Kollegen von der Albert-Ludwigs-Universität und der Hahn-Schickard Gesell­schaft in Freiburg daran, die Effizienz, Akzeptanz und Nachhal­tigkeit der LED-Beleuch­tung zu verbessern. Das Projekt befasst sich unter anderem damit, wie der Farbton des LED-Lichts exakt eingestellt werden kann, welche Farb­temperatur von Nutzern gut akzep­tiert werden und welche Produkt­attribute für den Nutzer relevant sind. Neben verlust­armen LED-Treibern entwickeln die Experten lang­lebige LED-Module mit hoher Farb­qualität und Licht­ausbeute.

Im Rahmen des Projektes wird eine intel­ligente Sensorik für Smart-Home-Anwen­dungen verwirk­licht, die das Licht der Umgebung mit einer aktiven Farbton­regelung speziell an mensch­liche Bedürf­nisse und Verhaltens­weisen anpassen kann. Experten bezeichnen dieses Verfahren als „Human Centric Lighting“. Diese intel­ligente Steuerung des Lichts soll berück­sichtigen, welche Licht­einflüsse uns Menschen zu welchen Tages­zeiten nach­weislich gut tun und welche uns auf Dauer schaden. Denn die Farbwerte des Lichts haben nachweis­lich verschiedene emotionale und bio­logische Auswir­kungen auf den mensch­lichen Orga­nismus.

Strahlt eine Lampe mit 3000 Kelvin, also einer niedrigen Farb­temperatur, empfinden wir die Strahlung als „warmes“ Licht, was als entspannend gilt. Ab 5000 Kelvin hat Licht für uns einen „kalten“ Farbton, der anregend wirkt, sich aber negativ auf das Einschlaf­verhalten auswirken kann. Zwischen den beiden Werten variiert die Akzeptanz und Empfindung des Lichts stark je nach Betrachter und Tageszeit. Um die mensch­zentrierte Beleuchtung umzu­setzen, arbeiten Fraun­hofer-Experten zusammen mit Kollegen der Hahn-Schickard-Gesell­schaft daran, Sensoren in ein Beleuchtungs­system zu implemen­tieren. Erfasst werden Daten zur Anwesenheit von Personen, der benötigten Beleuchtungs­stärke sowie der Farb­temperatur. Ein System gibt die Werte der Sensoren anschließend an eine Regelung weiter, welche die LED-Module gesondert ansteuern kann. Jede LED-System­leuchte stellt dabei eine eigen­ständige Einheit innerhalb eines ZigBee-Netz­werkes dar. Die intelligente Farbton­regelung kann daher leicht in Smart-Home-Lösungen integriert werden.

Eine der Heraus­forderungen moderner LEDs liegt in ihrer Betriebs­elektronik: „Viele aktuelle LEDs können ihre theo­retischen, extrem hohen Lebens­dauern gar nicht erreichen, da ihre Treiber­elektronik deutlich früher ausfällt. Eines der Projekt­ziele war es daher, die Lebens­dauer des Treibers zu erhöhen“, erklärt Projekt­leiter Michael Kunzer. „Bisher konnten wir ein LED-Modul mit bis zu 189 Lumen pro Watt sowie einen Gallium­nitrid-basierten LED-Treiber mit über neunzig Prozent Wandlungs­effizienz umsetzen“, erläutert Kunzer. Die beiden Entwick­lungen sind kommer­ziellen Lösungen in punkto Spar­samkeit überlegen.

Fh.-IAF / JOL