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Tailored smart lighting systems with energy-efficient electronics

Lohaus, Lukas Josef Maria^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Lukas Josef Maria Lohaus

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Gemmeke, Tobias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-02459
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/842440/files/842440.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik (616110)

Projekte

1. ENLIGHT - Energy Efficient and Intelligent Lighting Systems (270707) (270707)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Digital Load-Side Transmission (DLT) (frei) ; Efficient LED driver (frei) ; Power Line Communication (frei) ; color control algorithm (frei) ; dynamic headroom regulation (frei) ; human centric lighting (frei) ; smart lighting system (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Energieeffizienz gilt als der entscheidende Treiber für zukünftige Beleuchtungssysteme. Durch die Kombination von LEDs mit intelligenten Steuerfunktionen und aktiven Sensorknoten kann der Energieverbrauch signifikant reduziert werden. In Verbindung mit der Technologie der Festkörperbeleuchtung ermöglicht dieser Ansatz zudem komplett neue Funktionen, die weit über eine Verbesserung der Energieeffizienz hinausgehen. In diesem Zusammenhang hat sich kürzlich das sogenannte „Human Centric Lighting“ (HCL) als neuer Forschungsbereich entwickelt und etabliert. Künstliche Lichtquellen können dabei im Tagesverlauf dynamisch an den menschlichen Biorhythmus angepasst werden, wobei sie die menschlichen Körperfunktionen und Emotionen sowie das Wohlbefinden und die Wahrnehmung beeinflussen. Darüber hinaus ist eine hohe technische Lichtqualität auch in vielen anderen Anwendungsbereichen erforderlich, wie beispielsweise in der Museumsbeleuchtung, bei industriellen Fertigungsprozessen oder zu medizinischen Zwecken. Diese Dissertation konzentriert sich auf drei wesentliche Kernkomponenten eines intelligenten Beleuchtungssystems, und zwar auf das Kommunikationssystem, den Farbsteueralgorithmus sowie auf eine mehrkanalige LED-Treiberstufe. Für jeden dieser drei funktionalen Blöcke werden in dieser Arbeit neue Kontrolltheorien, Schaltungsarchitekturen und Systemkonzepte entwickelt, um damit den Weg für HCL-Anwendungen zu ebnen. Typische Einschränkungen, wie z.B. das Erreichen einer hohen Energieeffizienz auf Kosten einer schlechten Farbwiedergabe, sollen dabei mit flexibel einsetzbarer Elektronik bewältigt werden. Durch die gleichzeitige Optimierung von Farbgenauigkeit, Effizienz und maßgeschneiderter Systemintelligenz werden in dieser Arbeit Verbesserungen sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene entwickelt. Zunächst werden für das sogenannte „Digital Load-Side Transmission“ (DLT) Verfahren als Kommunikationssystem verschiedene robuste Empfängerarchitekturen entwickelt, die trotz minimalem (Standby-) Stromverbrauch gleichzeitig eine geringe Schaltungskomplexität aufweisen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der monolithischen Integrierbarkeit der erarbeiteten Konzepte, um später ein vollintegriertes „System-On-Chip“ zu ermöglichen. Im zweiten Schritt werden Limitierungen der DLT-Architektur aufgelöst, bzw. reduziert, wie die starken Einschränkungen der Stromversorgung oder die lediglich unidirektionale Kommunikationsfähigkeit. Hierzu werden zwei zweistufige Stromversorgungskonzepte für DLT Steuergeräte konzipiert und für maximale Ausgansleistungen optimiert, so dass trotz der restriktiven Vorgaben hinsichtlich der Stromversorgung ein WLAN-Modul betrieben und damit das DLT-System in ein Funknetzwerk eingebunden werden kann. Zusätzlich wird das bestehende DLT Verfahren um einen Rückkanal erweitert, um eine bidirektionale DLT Kommunikation zu ermöglichen. Die Farbqualität, ausgedrückt als Genauigkeit der Helligkeit, der erzielbaren Farbabweichung und der spektralen Leistungsdichteverteilung wird hauptsächlich vom zugrundeliegenden Farbsteueralgorithmus bestimmt. Bestehende Farbsteueransätze verwenden in der Regel lediglich die minimal notwendige Anzahl von drei LED Primärvalenzen, was jedoch zu einer ungünstigen Spektralverteilung sowie zu einer verminderten Farbqualität führt. Weiterführende Lösungsansätze, die vier- oder fünf verschiedene LED-Kanäle ansteuern können, weisen eine sehr hohe Komplexität auf. Um dieses Problem zu lösen, wird in dieser Arbeit ein LED-Steueralgorithmus entwickelt, der bis zu sechs Primärvalenzen unabhängig voneinander einstellen kann und gleichzeitig den Zielkonflikt zwischen messbarer Farbqualität und erforderlichem Hardwareaufwand ausbalanciert. Durch den zusätzlichen Freiheitsgrad in der Ansteuerung bietet der entworfene Farbsteueralgorithmus die Möglichkeit, das optische Spektrum hinsichtlich des CRIs, der Lichtausbeute oder weiterer Kriterien zu optimieren, während gleichzeitig die wahrnehmbare Farbverschiebung minimiert wird. Obwohl der Farbalgorithmus die stark nichtlinearen Zusammenhänge der menschlichen Farb- und Helligkeitswahrnehmung berücksichtigt, wird die Hardwarekomplexität geringgehalten, so dass der Farbsteueralgorithmus schließlich auf einem einfachen Mikrokontroller implementiert wird und prinzipiell auch in dedizierter Hardware auf einem ASIC realisiert werden kann. Zusätzlich zum Farbsteueralgorithmus wird die erreichbare Farbgenauigkeit von der LED-Treiberstufe signifikant beeinflusst. Um eine starke Stromwelligkeit zu vermeiden und damit eine gute Farbstabilität sicherzustellen, wurde ein digital gesteuertes LED-Treiberkonzept mit adaptiver Spannungsregelung entwickelt, welches gleichzeitig die Gesamteffizienz sowie die Genauigkeit der Stromregelung verbessert. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz eine große Designflexibilität sowie präzise Einstellmöglichkeiten von Regelgeschwindigkeit und -stabilität. Die vorgestellten Konzepte zur DLT Kommunikation und der LED-Treiberstufe werden schließlich in einer vollintegrierten ASIC Lösung implementiert, um die Gesamtperformance des Systems noch weiter zu steigern. Insbesondere die Energieeffizienz und die Farbgenauigkeit profitieren von den damit einhergehenden Synergieeffekten, da es möglich ist, schnellere Schaltgeschwindigkeiten und ein präziseres Abstimmen zwischen den einzelnen Schaltungskomponenten zu erreichen. Zusammenfassend präsentiert diese Dissertation neue Schaltungs- und Kontrollkonzepte für energieeffiziente Elektronik, um in einem ganzheitlichen Ansatz die Qualität von intelligenten Beleuchtungssystemen zu verbessern. Sie erlaubt es, qualitativ anspruchsvolle Beleuchtungssysteme, wie sie bei „Human Centric Lighting“-Anwendungen erforderlich sind maßgeschneidert zu konfektionieren. Mit den verbesserten Kernkomponenten dient sie somit auch als Basis für zukünftige Fortschritte smarter Beleuchtungssysteme.

Energy efficiency is the key driver for future lighting systems. The vast deployment of LEDs in combination with smart control features using intelligent algorithms and active sensor nodes has proven to reduce power consumption significantly. Combining the solid-state lighting technology with smart control systems enables completely new functionality that goes far beyond efficiency improvements. In this context, so-called “human centric lighting” (HCL) has recently risen as an emerging field in future lighting applications. Artificial light sources can thereby be adapted dynamically throughout the course of a day to match the human circadian rhythm, while stimulating human body functions, emotions as well as well-being and perception. Beyond that, multiple other applications require a high technical light quality, such as museum lighting, industrial processes or medical purposes. This thesis focuses on three core components of an intelligent lighting system, which are the communication system, the color control algorithm and a multi-channel LED driving stage. Aiming to pave the way for HCL applications, this thesis proposes new control theories, circuit architectures and system concepts for each of these functional blocks. Typical limitations, such as providing high efficiency at the expense of poor color rendering or vice versa shall be overcome with flexibly deployable electronics. By optimizing color precision, efficiency and tailored system intelligence at the same time, this thesis develops improvements on both, component and system level. Initially, this thesis evaluates the Digital Load-Side Transmission (DLT) approach as an attractive communication method to be further investigated in detail. Targeting minimum (standby) power consumption, robust receiver architectures are developed for this power line communication technology at lowest possible circuit complexity. Special emphasis is set on being monolithically integrable for a system-on-chip. In a second step, this thesis seeks to overcome the unidirectional communication capability and strict power supply limitations of the DLT architecture. Two efficient dual-stage power supply concepts for DLT control devices (CDs) are proposed, implemented and optimized for maximum output power. Thereby, it is possible to power a WiFi module in the CD and thus enable wireless accessibility of the DLT system, while coping with its harsh power supply limitations. Additionally, a bidirectional communication approach is developed that extends the DLT methodology far beyond the existing standard. The proposed concept uses a current flow modulation as the reverse communication channel. Four different receiver architectures are evaluated regarding power consumption, robustness, sensitivity and circuit complexity in 24 h longterm measurements. Balancing power consumption and system intelligence, the applied methods eventually realize a tailored DLT communication interface for smart lighting systems. Achievable color quality regarding brightness accuracy, color deviation and spectral power distribution (SPD) is mainly determined by the underlying color control algorithm. State-of-the-art approaches mostly only use the minimal number of three LED primaries, which however creates adverse SPDs and decreased color quality. Existing solutions of a tetra- or penta-color system on the contrary typically suffer from very high complexity. This thesis closes this scientific gap by developing a six-channel color control algorithm balancing measurable color quality with employed hardware demands. Due to this additional degree of freedom, the color control offers an optimization opportunity of the emitted SPD by selectable criteria, such as CRI or luminous efficacy, while keeping minimal perceivable color shift. Although accounting for the highly nonlinear relationships of human color and brightness perception, hardware complexity is kept low. The color control approach is finally implemented on a microcontroller and could also be realized in dedicated hardware on an application specific integrated circuit (ASIC).In addition to the color control algorithm, the LED driving stage influences color accuracy significantly due to the linear relationship between average LED forward current and emitted luminance. Excessive current ripples must consequently be avoided to ensure good color stability. This thesis therefore improves a dynamic headroom control concept for a high efficiency and precise current regulation by introducing a digitally assisted control methodology. This approach moreover gives maximum design flexibility and enhances control over regulation speed and stability. Finally, the proposed concepts for DLT communication and LED driving stage are implemented in an ASIC solution to further improve overall system performance. Particularly energy efficiency and color precision benefit from the synergy effects of the integration because it is possible to realize faster switching speeds and more precise matching between the individual circuit components. In conclusion, this thesis presents novel circuit and control concepts for energy-efficient electronics to holistically improve the quality of smart lighting systems. Thereby, sophisticated, high-quality lighting systems as needed in human centric lighting applications can be tailored comprehensively. Proposing the improved core components this thesis hence provides a basis for future enhancements in smart lighting systems.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT021282018

Interne Identnummern
RWTH-2022-02459
Datensatz-ID: 842440

Beteiligte Länder
Germany