DALI Lichtsteuerung - Hardware Entwicklung (Teil 2)

Dipl.-Ing. Sebastian Tode

Dipl.-Ing. Sebastian Tode – Teamlead Embedded Hardware

DALI Lighting Control Die Steuerung von Lichtinstallationen in großem Umfang ist zu einer wichtigen Aufgabe in der Gebäudeautomation geworden. Die Zeiten, in denen wir uns damit zufrieden gaben, für jeden Schalter und jede Glühbirne ein Kabel zu verlegen, sind längst vorbei. Um Beleuchtungskompenenten in einer intelligenten und konfigurierbaren Weise zu kontrollieren, brauchen wir eine flexible digitale Vernetzung. Ein Ansatz, um dies zu erreichen, ist das Digital Addressable Lighting Interface - DALI.

Oben abgebildet sind: eine power supply unit (PSU) die den Bus mit Strom versorgt, ein control device, das Eingaben entgegennimmt oder Sensordaten erfasst, und zwei control gears die entweder selbst ein Leuchten-Vorschaltgerät sind oder eine Leuchte über ein Relais-Kontakt kontrollieren.

DALI verbindet Leuchten, Sensoren und Schalter über einen Zweidraht-Bus, der digitale Informationen zwischen diesen überträgt und gleichzeitig ihre Transceiver-Frontends mit Strom versorgt. Auf diese Weise benötigen Steuergeräte wie Sensoren und Taster mit geringem Stromverbrauch keine separate Stromversorgung. Leuchten hingegen sind nach wie vor auf eine separate Netzspannung angewiesen, weshalb DALI-Installationen in der Regel mit einem 5-adrigen Kabel ausgeführt werden.

Um sicherzustellen, dass alle Komponenten der Installation perfekt zusammenarbeiten, wurden von der DALI Alliance Standards festgelegt. Die Entwicklung von Hardware, die diesen Standards entspricht, kann eine große Herausforderung sein. Hier sind die wichtigsten Fallstricke, die es dabei zu beachten gilt.

Elektrische Sicherheit

Da bei DALI-Installationen in der Regel 5-adrige Kabel verwendet werden, besteht ein hohes Risiko, dass die 230 V Netzspannung versehentlich an die DALI-Busklemmen angeschlossen wird. Um Schäden zu vermeiden, benötigt es eine Schutzschaltung für diesen Fall. Außerdem schreibt die geltende Sicherheitsnorm eine verstärkte Isolierung in Form einer galvanischen Entkopplung zwischen einer potenziellen Netzspannungsquelle und allen für den Benutzer zugänglichen Teilen des Gerätes, wie z. B. USB- oder Ethernet-Buchsen vor. Auch wenn Ethernet meist eine galvanische Entkopplung besitzt, reicht die Isolationsspannung von 1,5kV der üblichen Magjacks für diesen Fall nicht aus. Der richtige Wert für die Isolationsspannung hängt von der Umgebung ab, in der das Gerät eingesetzt werden soll. Daher erfordert es ein Konzept für die elektrische Sicherheit, um u. a. den richtigen Wert für die Isolationsspannung schon frühzeitig im Entwurfsprozess festzulegen.

Polarität

Um diese Anforderung umzusetzen wird üblicherweise ein Brückengleichrichter zwischen den DALI Busklemmen und der Empfangsschaltung platziert. Auch empfiehlt es sich das DALI-Frontend galvanisch vom Rest der Schaltung zu trennen. Das kann mit Optokopplern für das Empfangs- und das Sendesignal erreicht werden. Wenn Isolationseigenschaften der Optokoppler den entsprechenden Sicherheitsanforderungen genügen, können diese als isolierende Elemente zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen genutzt werden.

Signal Anstiegsgeschwindigkeit

Damit DALI auch bei langen Kabelstrecken funktioniert, ist das Kommunikationsprotokoll vergleichsweise langsam (1,2 kBaud). Auf diese Weise benötigen die Signale keine hohen Anstiegsgeschwindigkeiten, was zudem Ringing und die Störausstrahlung minimiert. Der DALI-Standard schreibt Anstiegs- und Abfallzeiten von 3 bis 15 µs vor. Was wie eine Vereinfachung der Anforderungen an die Schaltung klingt, erweist sich als recht knifflig, da moderne Halbleiter dazu neigen, recht schnell zu schalten, meist im Bereich von Nanosekunden.

Abb.1: Simpelste DALI-Senderschaltung, die 1 Bit sendet

Das bedeutet, dass man einen Transistor mit einer sehr langen Schaltzeit auswählt, oder ihn mit externen Komponenten verlangsamen müssen. Der letztere Ansatz ist der bessere, da die Suche nach einem langsamen Transistor zeitaufwändig sein kann und die Auswahl an Komponenten begrenzt ist.

Um die Anstiegsgeschwindigkeit durch externe Bauteile zu reduzieren, kommen mehrere Lösungsansätze in Frage:

  • Die Verwendung eines schwachen Treibers, also eines bipolaren Transistors, der mit einem niedrigen Basisstrom betrieben wird. Dieser Ansatz widerspricht der DALI-Spezifikation, die einen maximalen Versorgungsstrom von 250 mA vorschreibt. Das bedeutet, dass jeder Sender auf dem Bus in der Lage sein muss, die 250-mA-Versorgung herunter zu ziehen. Wegen der entstehenden elektrischen Verluste ist es schwierig den vergleichsweisen hohen Strom mit einer langsamen Signalanstiegszeit zu kombinieren, und da das Zeitverhalten auf intrinsischen Eigenschaften des Halbleiters basiert, werden die beobachteten Zeiten übermäßig temperaturabhängig.

  • Hinzufügen von Kapazitäten an der Transistorbasis.

Abb.2: Laufzeitverzögerung durch den Basiskondensator

Durch Hinzufügen einer Kapazität zur Basis wird die Gatterlaufzeit (Propagation Delay) zwischen dem vom Mikrocontroller kommenden Signal und dem Signal auf dem DALI-Bus verlängert. Wenn die Laufzeitverzögerung zu lang wird, kommt es zu Framing-Fehlern auf dem DALI-Bus.

  • Erhöhung der DALI Bus Kapazität

Das Hinzufügen von Kapazitäten direkt am DALI-Bus ist durch die DALI-Spezifikation stark eingeschränkt. Solche zusätzlichen Kapazitäten verursachen Stromspitzen während der Schaltvorgänge, welche die Sendeschaltungen belasten und die Signalintegrität gefährden. Zudem kann es passieren das bei maximaler Anzahl von Busteilnehmern die Signalflanken zu stark verlangsamt werden und es zu Fehlern bei der Datenübertragung kommt.

  • Hinzufügen eines Kondensators zwischen Basis und Kollektor. Dieses Szenario wird in Abb.3 simuliert.

Abb.3: Einstellung der Anstiegsgeschwindigkeit

Das hat geklappt! Nun muss überprüft werden, was beim Sender passiert, wenn ein Signal empfangen wird. Abb. 4 zeigt eine Simulation, wie die gleiche Schaltung auf ein Signal auf dem DALI-Bus reagiert.

Man sieht, dass das externe Signal den Kondensator C3 durchläuft und an Tx mit einer Amplitude weit über dem CMOS-Pegel anliegt. Je nachdem, wie die übrige Schaltung des Senders ausgelegt ist, kann dies zu Schäden an den Komponenten oder zu Verzerrungen des DALI-Bussignals selbst führen. Um dies zu verhindern, kann eine vorwärts gerichtete Diode zwischen DALI+ und dem Kollektor des Senders helfen, oder ein gut gewählter Kondensatorwert, der die Stromaufnahme begrenzt.

Reaktionsgeschwindigkeit

Die DALI-Spezifikation schreibt vor, dass alle Geräte innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf einen DALI-Befehl reagieren müssen. Wenn Sie einen DALI-Stack direkt in einer Embedded-Linux-Umgebung betreiben wollen, haben Sie leider nicht viel Glück, da Linux nicht für Echtzeitanwendungen ausgelegt ist. Daher ist es ein guter Ansatz, zumindest den DALI-Low-Level-Treiber auf einem Co-Prozessor oder einem Echtzeit-Core auf einer Art RTOS oder Bare-Metal-Code laufen zu lassen.

Versorgungsstromgrenze eines DALI-Geräts

Da es bis zu 64 Busteilnehmer geben kann, gibt es eine maximale Stromstärke von 2 mA, die jeder DALI-Busteilnehmer im Ruhezustand vom Bus ziehen darf. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Transceiver-Schaltung entsprechend auslegen.

Schaltspannungspegel

Der DALI-Standard gibt definierte Spannungspegel für die Schaltzustände HIGH und LOW, getrennt nach Sende- und Empfangsteil vor. Die Empfängerspannungen sind recht einfach zu schalten. Meistens wird dies mit einer Zenerdiode/Spannungsteiler-Kombination oder einem Komparator erreicht. Letzteres könnte die bereits erwähnte maximale Stromaufnahme beeinträchtigen.

Die Spannungspegel des Senders erfordern jedoch eine genauere Betrachtung. Ein Sender muss in der Lage sein, den DALI-Bus auf mindestens 4,5 V herunterzuziehen. Das hört sich einfach an, aber man muss den Spannungsabfall über den Brückengleichrichter und den Netzspannungsschutz berücksichtigen, der schnell bis zu 2 V verbraucht. Wenn man die Anstiegsrate und die Ansteuerungsstärke ausgleicht, ist es ziemlich wahrscheinlich, dass man in die Nähe von 4,5 V kommt.

Fazit

Wir können folgendes zusammenfassen: das Digital Adressable Lighting Interface (DALI) hat sich als technischer Standard zur flexiblen digitalen Vernetzung von Beleuchtungskomponenten in der Praxis durchgesetzt.

Um eine fehlerfreie Interaktion der Komponenten sicherzustellen, legt die DALI Alliance spezifische Standards fest. Die Entwicklung von Hardware, die diesen Standards entspricht, bringt mehrere Herausforderungen mit sich, darunter:

  • Elektrische Sicherheit: Ein durchdachtes Konzept für die elektischen Sicherheit ist essenziell. Dabei ist auch ein Schutz gegen versehentlich angelegte Netzspannung zu bedenken. In vielen Fällen ist galvanische Entkopplung mittels Optokopplern eine Lösung.
  • Polarität: Ein Brückengleichrichter ermöglicht die vom Standard geforderte Verpolungssicherheit.
  • Signal Anstiegsgeschwindigkeit: Anstiegs- und Abfallzeiten von 3 bis 15 µs müssen eingehalten werden, was die Auswahl und Anpassung geeigneter Transistoren und externer Komponenten erfordert.
  • Reaktionsgeschwindigkeit: Geräte müssen innerhalb einer bestimmten Zeit auf DALI-Befehle reagieren. Echtzeitfähigkeit in einer Embedded-Linux-Umgebung lässt sich durch Co-Prozessoren oder RTOS gewährleisten.
  • Versorgungsstromgrenze: Jeder DALI-Busteilnehmer darf im Ruhezustand maximal 2 mA ziehen.
  • Schaltspannungspegel: Präzise Spannungspegel sind für die Zustände HIGH und LOW notwendig, wobei der Spannungsabfall über verschiedene Komponenten berücksichtigt werden muss.

Durch das Verständnis und die Berücksichtigung dieser Herausforderungen können zuverlässige und standardkonforme DALI-Hardwarelösungen entwickelt werden, die eine effiziente und sichere Lichtsteuerung in Gebäuden ermöglichen.