Firmware für mehrkanalige HBLED-Systeme

Firmware für mehrkanalige HBLED-Systeme
von Ben Kropf, Applications Engineer, und Shone Tran, Product Marketing Engineer, Cypress Semiconductor Corp.
High-Brightness-LEDs entwickeln sich zusehends zur bevorzugten Lichtquelle sowohl in allgemeinen Anwendungen als auch
für besondere Einsatzgebiete. Technologischen Fortschritten ist es zu verdanken, dass LEDs mittlerweile immer mehr Lumen
pro Watt erzeugen. Hinzu kommen Verbesserungen der Gehäusegröße, der Farb-Optionen, des Farbwiedergabe-Indexes, der
Sortierung und der Temperaturstabilität. LEDs verleihen jeglicher Beleuchtungs-Applikation mehr Flexibilität, Effizienz und
Intelligenz, was ihnen zu rasch wachsender Verbreitung verhilft.
Eine typische Anwendung eines solchen Systems ist eine universelle Beleuchtung im Haushalt, die dem Anwender die
Möglichkeit bietet, mit ein und derselben Leuchte mehrere Abstufungen von weißem oder farbigem Licht zu erzeugen. Derart
flexible Beleuchtungseinrichtungen verbessern die Nutzungserfahrung des Endanwenders, denn nie zuvor hatte der
Konsument solch weitreichenden Einfluss auf das Licht. Die Vielseitigkeit solcher Leuchten wird durch zwei besondere
Merkmale erreicht, nämlich einerseits durch das von der Leuchte unterstützte Farbspektrum sowie andererseits durch die
Vielzahl der Einzelfarben, die die Leuchte generieren kann (auch als Farbauflösung bezeichnet). In bestimmten Anwendungen
verlangen die Anwender nach einem möglichst umfangreichen Farbspektrum, da die Leuchte hierdurch kräftigere Farben
erzeugen kann.
Bild 1 zeigt ein Beispiel dafür, wie Farbspektrum und Farbauflösung bei einem bestimmten System variieren können. Das
schwarze Dreieck und die ‚+‘-Zeichen markieren eine Leuchte mit eingeschränktem Farbspektrum und einem geringeren
Angebot an mischbaren Farben. Der weiße Umriss und die weißen Kreuze geben stattdessen eine attraktivere Lösung mit
größerem Farbspektrum und höherer Farbauflösung wieder.
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Bild 1.
Farbraum-Diagramm mit zwei Farbspektren und zwei Farbauflösungen
Ein weiterer, häufig ebenso bedeutsamer Aspekt im Zusammenhang mit einer Leuchte mit der Lichtfarbe weiß ist ihr
Farbwiedergabe-Index (Color Rendering Index; CRI). Im Prinzip gibt der Farbwiedergabeindex an, wie die Farbe eines
Objektes durch die Beleuchtung mit einer bestimmten Leuchte beeinflusst wird. Der CRI-Wert verbessert sich, wenn eine
Leuchte für eine bestimmte Mischfarbe klarer definierte Wellenlängen erzeugt.
Jeder der drei Aspekte – Farbspektrum, Farbauflösung und CRI – lässt sich durch einen einzigen Designfaktor optimieren,
nämlich durch die Zahl der mit einer bestimmten Farbe leuchtenden LED-Kanäle im System. Das Hinzufügen weiterer LEDFarbkanäle bewirkt mit jedem neuen Kanal eine exponentielle Zunahme der möglichen Farbauflösung und erweitert auch das
Farbspektrum, da die verschiedenen LED-Farben eine größere Fläche des Farbraums abdecken. Schließlich hat die
Verwendung von mehr Wellenlängen zum Mischen der Farben zur Folge, dass sich der Farbwiedergabeindex der Leuchte
erhöht.
Vierkanalige Farbkombinationen bewähren sich in LED-Leuchten zum Mischen von Farben häufig gut. Zwei gängige
Kombinationen sind RGBA (wobei das ‚A’ für ‚amber‘ steht) und RGBW (‚W’ steht für ‚weiß‘). RGBA ergibt ein größeres
Farbspektrum als RGB oder RGBW und liefert in aller Regel Licht mit einem guten CRI-Wert. Die Kombination RGBW
dagegen ergibt kein größeres Farbspektrum, weist jedoch einen guten CRI-Wert auf und erhält einen größeren Anteil der
ohnehin primär gewünschten Mischfarbe weiß. Vier Kanäle sind dennoch keineswegs die Obergrenze: in besonders
leistungsfähigen oder anspruchsvollen Systemen sind gelegentlich LED-Leuchten mit fünf, sechs oder gar sieben Kanälen
erforderlich.
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So offenkundig die Vorteile einer größeren Zahl unabhängige LED-Kanäle auch sind, gibt es doch auch Nachteile wie etwa
den nicht zu übersehenden größeren Hardwareaufwand (LEDs und Treiber) sowie die Tatsache, dass ein EmbeddedMikrocontroller mit komplexerer Firmware benötigt wird. In einem System dieser Art muss der Controller fortlaufend den
passenden Dimmungs-Pegel für jeden LED-Farbkanal berechnen. Es versteht sich, dass das Ausgangssignal für jeden Kanal
präzise eingestellt werden muss, um die richtige Farbe zu erhalten. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild eines mehrkanaligen
Systems. Über ein Datennetzwerk oder eine andere Schnittstelle wird am Prozessor des Embedded-Mikrocontrollers eine
bestimmte Mischfarbe abgerufen, woraufhin der Prozessor die nötigen Dimmwerte für die einzelnen Kanäle ermittelt. Der
hierfür nötige Berechnungsprozess sollte nur so komplex wie unbedingt nötig sein, um den Prozessor nicht unnötig zu
belasten.
Bild 2.
Blockschaltbild eines mehrkanaligen High-Brightness-LED-Systems
Welcher Berechnungsprozess benötigt wird, hängt von den System-Anforderungen ab. Eine wichtige Frage muss jedoch
schon an dieser Stelle beantwortet werden: Wie viele Einzelfarben muss die Leuchte erzeugen können? Soll jeder beliebige
Farbort im Spektrum aufgerufen werden können oder nur eine kleine Teilmenge? Zum Beispiel kann es sein, dass eine
Leuchte nur unterschiedliche Weiß-Varianten generieren muss und deshalb mit ungefähr 100 Einzelfarben zwischen
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warmweiß und kaltweiß auskommt. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, die Firmware des Mikrocontrollers so zu
konzipieren, dass die Dimmwerte mit einer Wertetabelle (Look-Up-Table; LUT) generiert werden. Für jede Mischfarbe wird
hierzu eine vorgegebene Kombination von Dimmwerten definiert und im Flash-Speicher abgelegt. Wird nun am Prozessor
eine bestimmte Mischfarbe abgerufen, holt er die entsprechenden Werte aus der Wertetabelle – eine ebenso einfache wie
schnelle Methode. Komplexe Berechnungen lassen sich vorab erledigen und müssen somit vom Mikrocontroller nicht
unmittelbar vor Ort ausgeführt werden.
Dieses LUT-Verfahren schneidet in der Regel am besten ab, sofern es in Frage kommt. Es scheidet allerdings aus, sobald
eine große Zahl nicht vorhersehbarer bestimmter Mischfarben benötigt wird. Zur Verdeutlichung: ein Farbmischsystem mit vier
LED-Kanälen und einer Dimmungs-Auflösung von 8 Bit je Kanal kann mehr als 4 Mrd. Einzelfarben generieren. Für jede
dieser Einzelfarben müsste in der Wertetabelle ein 8-Bit-Wert je Farbkanal abgelegt werden, was mehr als 16 GB
Speicherplatz erfordern würde. Wenn in einer Leuchte also Firmware zum Einsatz kommt, die eine Wertetabelle für die
Farbmischung nutzt, richtet sich die Zahl der unterstützten Einzelfarben nach der vorhandenen Speicherkapazität.
Die Verwendung von Farbmisch-Algorithmen bietet der Firmware die Möglichkeit, eine große Zahl von Einzelfarben zu
erzeugen, ohne dass die Wertetabelle gigantische Ausmaße annimmt. Ein solcher Algorithmus errechnet aus jeder
abgerufenen Farbe die passenden Dimmwerte für die einzelnen Farbkanäle. Ein universeller Algorithmus benötigt keine
übermäßig große Speicherkapazität. Er ist jedoch komplexer zu entwickeln und verlangt dem Prozessor mehr Rechenzeit ab,
um die Dimmwerte zu generieren. Die Details eines komplexen Mehrkanal-Farbmisch-Algorithmus zu beschreiben, würde
allerdings den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Worauf es bei einem Embedded-Farbmischsystem vorrangig ankommt, ist die Wahl des richtigen Mikrocontrollers. Die HighBrightness LED-Controller der EZ-Color-Reihe von Cypress Semiconductor warten mit einer Reihe von Features auf, die für
LED-Farbmischsysteme von Vorteil sind. Die Controller unterstützen eine große Zahl flexibler Dimmungs-Modulations-Kanäle.
Ein einziger Baustein kann ohne weiteres bis zu acht Kanäle unterstützen. Darüber hinaus bietet die von Cypress angebotene
Designsoftware für EZ-Color-Controller eine umfangreiche Palette von automatisch generiertem Code, der Hilfestellung beim
Design komplexer Firmware für High-Brightness LED-Systeme leistet.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass ein Farbmischsystem besser mit mehr LED-Kanälen ausgestattet wird, wenn es auf die
Lichtqualität oder die Flexibilität ankommt. Abhängig von den Anforderungen an die Leuchte sollte beim Design der Firmware
für ein solches System auf eine Wertetabelle oder auf einen Algorithmus zur Berechnung der Dimmwerte gesetzt werden.
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