Photonik: Biologisch wirksames Licht

Hintergrund

Weisse LEDs weisen heutzutage hervorragende Lichteffizienz und Betriebsstundenzahlen auf und werden deshalb für Beleuchtungszwecke stark eingesetzt. Andererseits besitzen weisse LEDs kein homogenes Emissionsspektrum und strahlen vor allem eine signifikante Energiemenge im Violett- und Blaubereich. Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass Abendlicht mit einem grossen Anteil von Energie im Violett- und Blaubereich einen grossen Einfluss auf den Metabolismus des Menschen hat und im negativen Sinne unter anderem Schlafstörungen und Konzentrationsschwierigkeiten verursachen kann. Die in diesem KTI-Projekt entwickelte Photonik-Lösung ermöglicht es, mit einer geeigneten Kombination von LED-Farben - je unabhängig gesteuert -, verschiedene Lichtspektra zu erzeugen und diese im Tagesverlauf so zu ändern, dass das resultierende Licht positive Einflüsse auf den Circadian-Rhythmus der Menschen aufweist.

Anforderungen

In der ersten konzeptionellen Phase ist ein Simulationswerkzeug entwickelt worden, um die Lichtmischung der verschiedenen Lichtfarben simulieren zu können. Dieser Farbsimulator ermöglicht es, die von einem Spektrometer gemessenen Lichtspektra mit einem einstellbaren Gewicht zusammenzumischen und davon wichtige Lichtparameter (z.B. CRI, Lichtstärke, CIE Koord.) zu berechnen. Die grösste Herausforderung bei der Implementierung lag in der Auslegung einer kostengünstigen Lösung, um jeden Farbkanal einzeln zu steuern. Um die Kosten zu minimieren, wurde auf fertige Treiberregler verzichtet und ein neuer Leistungselektronikanteil entwickelt. Dieser wurde mittels eines MCUs und einer Bang-Bang Regelungsstrategie realisiert. Dank dieser Lösung konnten die Kosten dieser Platine um 60% reduziert werden. Weiteres wurde eine Farbtemperaturregelung durch eine optische Rückkopplung eingesetzt. Die RGB-Lichtanteile werden mittels eines RGB-Sensors ausgelesen und mittels eines vom Institut ESA entwickelten Regelungsalgorithmus mit einem Mikrokontroller verarbeitet, sodass der Strom in 6 unterschiedlichen farbigen LEDs geregelt werden kann.

Ergebnisse

Eine funktionsfähige Plattform wurde entwickelt. Die Ansteuerung kann über eine UART-Schnittstelle oder über eine Einheit, die die Abhängigkeit der Uhrzeit berücksichtigt, erreicht werden.