16.09.2021 – 10:03

Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Im richtigen Licht – intelligente und nachhaltige LED-Arbeitsbeleuchtung

Erfolgreicher Projektabschluss demonstriert menschzentrierte Industrie- und Office-LED-Beleuchtung: Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat in Kooperation mit der Professur für Mikroelektronik am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg und Hahn-Schickard eine zuverlässige, bedarfsgerechte und ressourcenschonende LED-Beleuchtung für Arbeitsplatz- und Büro-Anwendungen entwickelt. Das Beleuchtungskonzept beinhaltet eine intelligente, energiesparende Licht- und Leuchtensteuerung, die sich an den Bedürfnissen des arbeitenden Menschen orientiert.

Licht ist viel mehr als nur ein Mittel zur Wahrnehmung, es wirkt sich ungesehen auf die Motivation, Konzentration und das Wohlbefinden aus. Insbesondere die Beleuchtung am Arbeitsplatz hat einen enormen Einfluss auf die Gesundheit und Leistungsfähigkeit von Mitarbeitenden. Damit diese jedoch im richtigen Licht sitzen, bedarf es einer ganzheitlichen Betrachtung der Beleuchtung unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen und individuellen Bedürfnissen. All diese Faktoren hat das Forscherteam des Fraunhofer IAF gemeinsam mit ihren Projektpartnern IMTEK und Hahn-Schickard unter Beratung der Herbert Waldmann GmbH & Co. KG in einem Beleuchtungskonzept vereint.

Im erfolgreich abgeschlossenen Kooperationsprojekt »SusLight_works«, kurz für smart and sustainable LED lighting for workplace and office applications, sind zwei vollfunktionale Demonstratoren in Form einer Office-Stehleuchte und einer linearen Arbeitsplatzbeleuchtung entstanden. Die zuverlässigen, bedarfsgerechten und ressourcenschonenden LED-Beleuchtungen besitzen eine intelligente, energiesparende Licht- und Leuchtensteuerung, die sich an den Bedürfnissen des arbeitenden Menschen und seiner Umgebung orientiert. Ein besonderer Fokus lag auf der Nutzung der erweiterten Funktionalitäten von LEDs in Kombination mit innovativer Sensorik und Drahtlossteuerung.

»Die smarte und nachhaltige LED-Beleuchtung von »SusLight_works« kann wesentlich zur Energieeinsparung bei der Gebäudeausleuchtung beitragen und durch ihre Langlebigkeit wertvolle Rohstoffe und Produktionskosten sparen. Gleichzeitig hat sie das Potenzial, den arbeitenden Menschen hinsichtlich Ergonomie und Biorhythmus zu unterstützen, indem sie Licht bedarfsgerecht in unterschiedlicher Helligkeit und Farbtemperatur erzeugt sowie der Tätigkeit und dem Tagesgang angepasst werden kann«, betont Dr. Michael Kunzer, Projektkoordinator am Fraunhofer IAF.

Energiesparpotenzial durch effiziente LED-Technologie

Als effiziente, umweltfreundliche und langlebige Lichtquelle ist die LED schon seit einigen Jahren auf dem Vormarsch. Infolge der zunehmenden Verbreitung zeigen sich allerdings auch eine Reihe von Herausforderungen. »Bei vielen kommerziellen LED-Leuchten erzeugt die Treiberelektronik Energieverluste und vorzeitige Ausfälle«, erklärt Dr. Kunzer.

Um die Nachhaltigkeit der LED-Beleuchtung zu fördern, wurde im Projekt ein hocheffizienter LED-Treiber in ASIC-Bauweise und mit der GaN-on-Si-Leistungselektronik des Fraunhofer IAF entwickelt. Dieser Treiber kommt ohne Elektrolytkondensatoren aus und somit ohne das kritische Element, welches die Lebenserwartung von gängiger Treiberelektronik einschränkt. Zusätzlich erreichen die GaN-basierten LEDs eine Lichtausbeute von bis zu 210 Lumen je Watt (lm/W). Damit bietet die LED-Technologie von »SusLight_works« auch nach der neuen Ökodesign-Richtlinie für Leuchtmittel, die im September in Kraft tritt, eine der höchsten Energieeffizienzklassen.

Auf das richtige Licht kommt es an

»Das volle Potenzial von LEDs geht weit über Energiesparen hinaus. Als dynamische Lichtquelle bieten sie Funktionalitäten wie verlustfreies Dimmen, variable Farbtemperaturen und adaptive Lichtfelder – allesamt Funktionen, die für eine menschzentrierte Beleuchtung, auch human centric lighting (HCL) genannt, entscheidend sind«, so Dr. Kunzer. Damit diese Vorteile der LED-Halbleiter-Lichtquellen voll genutzt werden, haben die Forschenden von »SusLight_works« einen integrierten Licht-Sensor entwickelt, der dem menschlichen Auge nachgebildet ist und die Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke des vorhandenen Umgebungslichts konstant überwacht.

Die integrierte Sensorik erfasst automatisch die Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz. Außerdem passen eine Kontrollelektronik und ‑Software die Leuchtstärke sowie die Farbtemperatur der Lampe gemäß einem vordefinierten Beleuchtungsprofil an. Die Profile lassen sich individuell und der Tätigkeit entsprechend per App anlegen. Die verbauten LED-Module verfügen über vier Kanäle, die eine Farbtemperatur von 2200 bis 6500 Kelvin liefern und so die Dynamik des Tageslichts im Gebäudeinneren nachbilden können. Ein hoher Farbwiedergabeindex (CRI > 80) stellt dabei sicher, dass die Farbtreue des Lichtspektrums bestmöglich dem Ideal der Sonne entspricht.

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Über »SusLight_works«

Das Demonstratorprojekt »SusLight_works« ist 2019 im Rahmen des Leistungszentrums Nachhaltigkeit Freiburg gestartet und wurde im Sommer 2021 erfolgreich beendet. Dabei wurden interdisziplinäre Kompetenzen aus den Bereichen Mikroelektronik, Smart Sensorik, Chronobiologie und Konsumentenverhalten gebündelt, um ressourcenschonende und bedarfsgerechte LED-Arbeitsplatz- und Bürobeleuchtung zu demonstrieren. Das Projektkonsortium unter Leitung des Fraunhofer IAF bestand aus der Universität Freiburg (IMTEK), Hahn-Schickard und dem Industrieberater Herbert Waldmann GmbH & Co. KG. Im Projekt wurden zwei vollfunktionsfähige Demonstratoren entwickelt, die über eine eingebaute Erfassung, Steuerung und Closed-Loop-Nachführung von Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur verfügen.

Das Projekt wurde durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg, das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg und die Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

Über das Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren.

Über Hahn-Schickard

Hahn-Schickard entwickelt intelligente Produkte mit Mikrosystemtechnik: von der ersten Idee über die Fertigung bis zum finalen Produkt – branchenübergreifend. Der Forschungs- und Entwicklungsdienstleister ist mit seinen Instituten an vier Standorten in Baden-Württemberg vertreten: in Stuttgart, Villingen-Schwenningen, Freiburg und Ulm. In vertrauensvoller Zusammenarbeit mit der Industrie realisiert Hahn-Schickard innovative Produkte und entwickelt Technologien in den Bereichen Sensorik, intelligente eingebettete Systeme für das Internet der Dinge, künstliche Intelligenz, Lab-on-a-Chip und Analytik sowie Aufbau- und Verbindungstechnik und elektrochemische Energiesysteme. Das Angebot umfasst die Herstellung von kleineren und mittleren Serien sowie die Überleitung in die Großserienfertigung.

Über das IMTEK

Das Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) ist Teil der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Das IMTEK behandelt das komplette Spektrum der Mikrosystemtechnik. Angefangen bei der Elektronik über Mechanik, Materialwissenschaften, Optik, Fluidik, Sensorik, Medizintechnik u.v.m. Das IMTEK besitzt einen eigenen Reinraum, in dem die entwickelten Konzepte auch implementiert und schlussendlich die Funktionalität geprüft werden kann. Dabei arbeitet das IMTEK in vielen Bereichen mit Hahn-Schickard zusammen, um somit den Transfer von Grundlagenforschung in das industrielle Umfeld zu gewährleisten.

Über Waldmann

Wer im Schwarzwald sitzt, muss besonders hell leuchten. Waldmann entwickelt bereits in vierter Familiengeneration Beleuchtungslösungen, die Menschen in dem was sie tun optimal unterstützen: im Büro, an der Maschine, an industriellen Arbeitsplätzen oder bei der Pflege. Dazu denken die Engineers of Light Licht immer wieder neu. So bringen biodynamische Leuchten (HCL) von Waldmann seit mehr als zehn Jahren die positive Wirkung des natürlichen Lichts zu den Menschen, die sehr viel Zeit in Innenräumen verbringen. Mit ihren digitalen Lösungen holen die Lichtexperten das Optimum aus Flächennutzung und Wohlbefinden heraus oder sorgen für mehr Sicherheit in der Pflege.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
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