Wie eine konstante Farbe bei LEDs erreicht wird

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Farbkonstanz durch komplette Beseitigung der Störfaktoren

Ein System zwischen Lichtquelle und Objekt, welches einmal abgestimmt wurde, soll über die Anwendung hinweg und unabhängig von externen Störimpulsen möglichst konstant bleiben. Für den Betrachter darf es nicht zu sichtbaren Veränderungen führen. Da kein System oder keine Technologie von Haus aus toleranz- und driftfrei ist und zumeist von extern gestört wird, kann die Konstanz nur mit Kompensation aller Störfaktoren erfolgen. Das erreicht man über den jeweiligen Parameter mit Drift (Temperaturkompensation mit indirekter Stromregelung am LED-Treiber) oder unabhängig der Parameter an der Wirkung, indem das Licht mit einer sensor-basierten Regelung verändert wird.

Einzelnen Störungen wird nicht entgegengesteuert. Dabei wird das aktuelle Licht mit Störungen sensortechnisch erfasst, anschließend mit Soll-Vorgaben verglichen und entsprechend der Differenz nachgeregelt. Das ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Somit ist das System völlig unabhängig von mehr oder weniger einzelnen Störungen und kann durch Standardkomponenten ohne Kompensationsfunktionen im Closed-Loop realisiert werden. Einfache LED-Treiber lassen sich ohne Temperaturkompensation einsetzen, solange ein für die Regelung notwendiger Arbeitsbereich zur Verfügung steht.

Werden LEDs als Retrofit-Lampen angeboten, so sind diverse Drifts und Abweichungen nicht unbedingt ein großer Nachteil. Als Standard- oder Weißlichtquelle erfolgen farbliche Differenzen oder Änderung der Helligkeit über die Zeit in kleinen und nicht direkt wahrnehmbaren Schritten. Das gleiche gilt für LED-Mischsysteme, solange das Auge keinen unmittelbaren Vergleich hat. Das ist bei Multi-LED-Systemen mit unmittelbar benachbarten Lichtquellen der Fall oder wenn in bestehenden Lichtsystemen aus mehreren Lichtquellen Diverse ersetzt/ergänzt werden sollen. In dem Fall werden Drifts und Abweichungen als Änderungen der Farbe und Intensität sofort sichtbar und wirken auf den Betrachter zumeist störend.

Ursachen für Drifts und Abweichungen bei LEDs

Drifts und Abweichungen der LEDs sind begründet durch Alterungserscheinungen über die Zeit und Toleranzen sowie durch spektrale Auswirkungen des Durchlassstromes und Temperaturverhaltens im Betrieb. Diese Parameter wirken unterschiedlich und unabhängig voneinander. An einer LED entstehen bereits im Betrieb Temperaturveränderungen. Beim Einschalten erwärmt sie sich bis auf Betriebstemperatur. Abhängige Faktoren sind Kühlelemente, Dimming oder Umgebungsbedingungen. Das betrifft insbesondere Anwendungen mit hoher Dynamik oder wechselndem Einsatzort.

Zwar ist die Wärmeentwicklung von LEDs gegenüber anderen Lichtquellen relativ gering, anderseits deren spektrale Abhängigkeit sehr hoch. Mechanische Maßnahmen, wie Wärmeabfuhr mittels Kühlkörper oder Lüfter, können die Erwärmung von LEDs nur mit sehr hohem Aufwand in groben Grenzen halten. Die sichtbaren Auswirkungen lassen sich aufgrund der Trägheit nicht verhindern. Gleiches gilt für aktive Kühlelemente, welche wiederum einen sehr hohen Aufwand generieren.

Neben der Temperatur spielen die Alterung und der Durchlass-Strom für Farbänderungen eine entscheidende Rolle. Je nach Binning kann die Helligkeit von LEDs aus derselben Charge um 20% variieren und die dominanten Wellenlängen von LEDs desselben Typs um ±8 nm streuen. Selbst nach einem Binning in Wellenlängengruppen beträgt die Streuung noch ±3 nm. Um Farbänderungen von RGBx-LEDs nachzuregeln, werden je nach Genauigkeitsanforderung diverse Methoden zum Ausgleich von Drifterscheinungen eingesetzt.

Für eine Regelung, die dem Anspruch des menschlichen Auges entsprechen sollen, sind nachweislich XYZ-Sensoren erforderlich. Damit lassen sich Genauigkeitsforderungen von Delta u'v' < 0,003 und Delta L <1% in LED-Regelungen umsetzen. XYZ-Sensoren besitzen die in der CIE1931 Normspektralwertfunktion (DIN 5033) definierten spektralen Kennwerte für Farbmessung: „Sehen wie das menschliche Auge“.

Von der Lichtsteuerung zu einer echten Regelung

Die Eigenschaften einer optimal eingestellten Beleuchtung unter allen Arbeitsbedingungen und über die Lebenszeit zu erhalten, erfordert den Übergang von der Lichtsteuerung zu einer echten Regelung. LED-Beleuchtungseinheiten werden sinnvollerweise mit einer Closed-Loop auf Basis von XYZ-Sensoren ausgestattet. Der Sensor erfasst das Spektrum des emittierten Lichtes der LED-Leuchte, vergleicht es mit dem Sollwert und korrigiert durch Rückmeldung an den LED-Controller die Farbwerte. Aus dem Farbabstand werden anschließend neue Stellgrößen für die LEDs ermittelt, um die vorhandene Abweichung auszuregeln.

Damit lassen sich in der Beleuchtungstechnik gezielt Tageslicht oder persönliche Lichtstimmungen und andere visuelle Effekte, wie näherungsweise die Normlichtarten und Farbtemperaturen, nachbilden und über eine definierte Zeit konstant halten. Durch Variation der Lichtfarbe oder -temperatur können spezifische Teilmerkmale und/oder Umgebungs- und Hintergrundeffekte hervorgehoben bzw. unterdrückt werden. Das betrifft punktuelle und Multi-Lichtsysteme, die geregelt keinerlei sichtbare Differenzen aufweisen.

* * Frank Krumbein ist Produktmanager für die Farb- und Spektralsensorik und Thomas Nimz ist Applikationsingenieur für die Farbsensorik. Beide arbeiten bei MAZeT in Jena.

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