Älyä valaistukseen: värilämpötilan ja valaistusvoimakkuuden säätö optisten antureiden avulla
Kuisma, Timo (2021)
Kuisma, Timo
2021
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2021052611306
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2021052611306
Tiivistelmä
Tutkimuksen tavoitteena on anturoinnin liittäminen älyvalaistuksen osaksi niin, että niiden lukemien perusteella voidaan ohjata valaisimien valovirtaa sekä värilämpötilaa dynaamisesti ympäristön valaistuksen tai värityksen mukaan. Tutkimusongelmaksi asetettiin yksinkertaisesti, onko anturipohjaisen älyn lisääminen sekä valovirran ja värilämpötilan säätömahdollisuus jokaiseen valaisimeen järkevää ja käyttäjän mukavuuteen riittävän suurta etua tuottavaa ollakseen kaupallisesti mielekästä. Tutkimuksen teoriaosuudessa käytiin lukemisen helpottamiseksi ensin läpi valaistukseen liittyviä perussuureita, kuten valovirta, valovoima sekä valaistusvoimakkuus sekä se, miten ihminen havainnoi valoa. Niistä jatkettiin työlle keskeiseen värilämpötilan määrittelyyn.
Seuraavaksi luotiin katsaus ledien historiaan sekä valmistusprosesseihin. Käytännön ledien ominaisuudet, kuten valovirta, kynnysjännite ja värisävy sekä niiden hajonnat, jotka pitää ymmärtää huomioida valaisinsuunnittelussa, käytiin läpi. Samaten perehdyttiin lyhyesti puolijohdepohjaisten optisten antureiden teknologiaan ja ominaisuuksiin. Lopuksi luotiin katsausta siihen, millaisia ratkaisuja valaisinvalmistajilla on tänä päivänä tarjolla.
Käytännön mittauksia varten suunniteltiin ja rakennettiin anturilla varustettu valaisin käyttäen ledimoduuleita, lediajureita sekä anturipuolella puolijohdevalmistajan kehittämää valaistusohjainta, jonka avulla voidaan mitata dynaamisesti taustavalaistuksen valaistusvoimakkuutta ja värilämpötilaa. Anturin lukemien perusteella voitiin ohjata kahden eri värilämpötilan ledikokonaisuutta pitämään yllä tiettyä valovirta tai värilämpötilaa. Mittauksia tehtiin valaisimen parametrien varmistamiseksi, valaisimen valovirran säätöön päivänvalon tms. valonlähteen vaikutuksen kompensoinniksi sekä lopuksi värilämpötilan dynaamisen säätämisen ulkoisten värisävyjen valoon tuoman vaikutuksen pohjalta.
Tuloksena havaittiin, että valovirran säätö dynaamisesti toimii teknisesti mallikkaasti, mutta verrattuna olemassa oleviin säätöjärjestelmiin on vaikea nähdä varsinaista hyötyä yhden komponentin lisäämisellä, etenkin kun kalibrointi on mutkikas prosessi. Värilämpötilan säätö toimi myös yhtä hyvin, mutta kun tiedetään, että vuorokausirytmiin perustuva säätöä jo kaupallisesti tarjotaan, kohdealue pitää valita alueelta, jossa tarkempi säätö on järkevää. The goal of this research was to explore the behaviour of integrated sensor control in a lighting system, letting the luminous flux and correlated colour temperature be adjusted dynamically based on the environmental lighting condition. The research question was simply that is adding sensors into individual luminaires sensible enough to both bring sufficient amount of comfort to the user, and to be commercially justified.
In the theory section, at first the basic quantities and terms related to lighting, like luminous efficiency and intensity, illuminance and luminance, were introduced, followed by how a human eye can sense light. Then the colour theory and the essential part of this research, correlated colour temperature (CCT), were discussed. Then the history and manufacturing of LED’s were touched with focus on the non-idealities of a commercial LED, focusing on luminous flux, forward voltages and currents and their distributions that are important to understand in the design of a luminaire. Optical sensor technologies and typical features based on CMOS semiconductor processes were discussed and finally, some sensor-based smart lighting solutions currently in the market were introduced.
To test the sensor-controlled system in practice, a test luminaire utilizing optical sensing was build, including the LED modules of two different CCT, LED drivers and a smart lighting manager developed by one semiconductor manufacturer, used to sense and tune the currents of two LED modules to dynamically maintain the values of configured illuminance and CCT. Several measurements were made to confirm the parameters of the luminaire being as specified, then verifying the performance of the luminaire in the condition of external light sources and finally how did the luminaire manage to control the CCT and luminance in the presence of items of different colours.
As a result, it was seen that dynamic control of illumination operates as expected from the technical point of view but compared with existing lighting solutions it is difficult to see the benefit of adding a component into each luminaire, especially when the need for calibration is significant. The tuning of CCT functions on the same level but when known that tuning based on circadian rhythm is already in the market, it is necessary to find the most suitable market where the benefits of dynamic control make sense.
Seuraavaksi luotiin katsaus ledien historiaan sekä valmistusprosesseihin. Käytännön ledien ominaisuudet, kuten valovirta, kynnysjännite ja värisävy sekä niiden hajonnat, jotka pitää ymmärtää huomioida valaisinsuunnittelussa, käytiin läpi. Samaten perehdyttiin lyhyesti puolijohdepohjaisten optisten antureiden teknologiaan ja ominaisuuksiin. Lopuksi luotiin katsausta siihen, millaisia ratkaisuja valaisinvalmistajilla on tänä päivänä tarjolla.
Käytännön mittauksia varten suunniteltiin ja rakennettiin anturilla varustettu valaisin käyttäen ledimoduuleita, lediajureita sekä anturipuolella puolijohdevalmistajan kehittämää valaistusohjainta, jonka avulla voidaan mitata dynaamisesti taustavalaistuksen valaistusvoimakkuutta ja värilämpötilaa. Anturin lukemien perusteella voitiin ohjata kahden eri värilämpötilan ledikokonaisuutta pitämään yllä tiettyä valovirta tai värilämpötilaa. Mittauksia tehtiin valaisimen parametrien varmistamiseksi, valaisimen valovirran säätöön päivänvalon tms. valonlähteen vaikutuksen kompensoinniksi sekä lopuksi värilämpötilan dynaamisen säätämisen ulkoisten värisävyjen valoon tuoman vaikutuksen pohjalta.
Tuloksena havaittiin, että valovirran säätö dynaamisesti toimii teknisesti mallikkaasti, mutta verrattuna olemassa oleviin säätöjärjestelmiin on vaikea nähdä varsinaista hyötyä yhden komponentin lisäämisellä, etenkin kun kalibrointi on mutkikas prosessi. Värilämpötilan säätö toimi myös yhtä hyvin, mutta kun tiedetään, että vuorokausirytmiin perustuva säätöä jo kaupallisesti tarjotaan, kohdealue pitää valita alueelta, jossa tarkempi säätö on järkevää.
In the theory section, at first the basic quantities and terms related to lighting, like luminous efficiency and intensity, illuminance and luminance, were introduced, followed by how a human eye can sense light. Then the colour theory and the essential part of this research, correlated colour temperature (CCT), were discussed. Then the history and manufacturing of LED’s were touched with focus on the non-idealities of a commercial LED, focusing on luminous flux, forward voltages and currents and their distributions that are important to understand in the design of a luminaire. Optical sensor technologies and typical features based on CMOS semiconductor processes were discussed and finally, some sensor-based smart lighting solutions currently in the market were introduced.
To test the sensor-controlled system in practice, a test luminaire utilizing optical sensing was build, including the LED modules of two different CCT, LED drivers and a smart lighting manager developed by one semiconductor manufacturer, used to sense and tune the currents of two LED modules to dynamically maintain the values of configured illuminance and CCT. Several measurements were made to confirm the parameters of the luminaire being as specified, then verifying the performance of the luminaire in the condition of external light sources and finally how did the luminaire manage to control the CCT and luminance in the presence of items of different colours.
As a result, it was seen that dynamic control of illumination operates as expected from the technical point of view but compared with existing lighting solutions it is difficult to see the benefit of adding a component into each luminaire, especially when the need for calibration is significant. The tuning of CCT functions on the same level but when known that tuning based on circadian rhythm is already in the market, it is necessary to find the most suitable market where the benefits of dynamic control make sense.