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Im Takt des Lichts

03.11.2017

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 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‘.


LED Modul mit GaN-Treiber und Spannungskonverter für adaptive Beleuchtung

Fraunhofer IAF

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.

Intelligente LED-Steuerung stellt den Mensch in den Fokus

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 auch als »Human Centric Lighting« (kurz HCL)[1]. Diese intelligente Steuerung des Lichts soll berücksichtigen, welche Lichteinflüsse uns Menschen zu welchen Tageszeiten nachweislich gut tun und welche uns auf Dauer schaden.

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[2], 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 Experten des Fraunhofer IAF 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.

Sparsame und langlebige LEDs mit robuster Treiberelektronik

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 Dr. Michael Kunzer vom Fraunhofer IAF.

»Bisher konnten wir ein LED-Modul mit bis zu 189 lm/W sowie einen Galliumnitrid-basierten LED-Treiber mit über 90% Wandlungseffizienz umsetzen«, erläutert Kunzer. Die beiden Entwicklungen sind kommerziellen Lösungen in punkto Sparsamkeit überlegen.

[1] LED-Leuchte mit aktiver Farbortregelung für die biologisch wirksame Beleuchtung.
[2] Quelle: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/medien/newsarchiv/led-lampen-fuer-den-alltag.ht...

Weitere Informationen:

https://www.iaf.fraunhofer.de/de/medien/pressemitteilungen/LED-Wirkung-suslight....
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/leistungsangebot/halbleiterlaser/suslight.html
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/medien/newsarchiv/led-lampen-fuer-den-alltag.ht...

Laura Hau | Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

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