Bild 1: Die lange Lebensdauer von LED-Leuchten kommt nur zum Tragen, wenn ein zuverlässiger Treiber den frühzeitigen Ausfall ausschließt.

Bild 1: Die lange Lebensdauer von LED-Leuchten kommt nur zum Tragen, wenn ein zuverlässiger Treiber den frühzeitigen Ausfall ausschließt. Avnet Abacus

Eine Möglichkeit, den Energieverbrauch weltweit zu senken und Kosten einzusparen, sind LED-Beleuchtungen. Im öffentlichen Raum können Beleuchtungen bis zu 40 % des Stromverbrauchs einer Stadt ausmachen. Der einfache Austausch von Glühlampen, fluoreszierenden Lampen oder HPS-Lampen durch LEDs kann den Energieverbrauch um bis zu 70 % verringern. Vernetzte Steuerung und Dimmen kann zu weiteren Einsparungen führen, vor allen in intelligenten Städten und dort in öffentlichen Gebäuden sowie bei Architektur- und Außenbeleuchtungen von Straßen, Tunneln, Flughäfen und Parkplätzen.

Laut LEDinside beanspruchen LED-Leuchten heute 31 % des gesamten Beleuchtungsmarktes, wobei Europa mit 23 % (25,7 Milliarden US-Dollar) den größten Marktanteil repräsentiert. McKinsey schätzt, dass der weltweite Markt für Beleuchtung im Jahr 2020 an die 110 Milliarden Euro heranreichen wird, wobei die LED-Technik jährlich um 30 % zunimmt und bis dahin eine Marktpenetration von 60 % erreicht. Laut IHS Technology soll im Jahr 2020 rund 65 % des Marktvolumens auf Straßenbeleuchtung in LED-Technik entfallen.

Eckdaten

LED-Beleuchtungen sind sparsam im Stromverbrauch, haben eine lange Lebensdauer und sind wartungsarm. Voraussetzung hierfür ist jedoch ein hochwertiger LED-Treiber. Beim Vergleich der technischen Daten sollten Entwickler die Betriebsstunden in Abhängigkeit zur Anzahl der Schaltvorgänge und zur Betriebs-temperatur genau in Augenschein nehmen. Wichtig sind aber auch der richtige Treiberarbeitspunkt, die Dimmbarkeit, eine Leistungsfaktor-korrektur, ein geeignetes Kommunikationsprotokoll und die Garantiezeit.

Zuverlässige LED-Treiber finden

Entwickler wissen, dass sich die Vorteile der LED-Technik wie geringer Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer nur durch ein sorgfältiges Leuchten-Design erzielen lassen. Dafür sind stromsparende und zuverlässige Komponenten, darunter auch LED-Treiber, erforderlich.

Die Wahl des LED-Treibers ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Leuchte. Ein gut gestaltetes LED-Array wird selbst nach 50.000 Betriebsstunden immer noch mehr als 80 % seiner anfänglichen Lichtleistung bereitstellen. Weniger bekannt ist, dass eher der Treiber versagt als die LED. Daher ist nicht nur die Wahl des richtigen Treibers entscheidend. Entwickler sollten ferner wissen, was einen hochwertigen Treiber ausmacht. Dies ist jedoch schwerer als es scheint.

Im Whitepaper „Lifting the Lid on LED Drivers“ erklärt der LED-Treiber-Hersteller Lumotech wesentliche Aspekte dieser Bausteine (Bild 1). Darin ist aufgeführt, dass die Hersteller technische Informationen uneinheitlich darbieten. Entwickler, die sich im Unklaren über diese Feinheiten sind, verlieren somit schnell die Orientierung.

Auf die Lebensdauer achten

So weisen einige Datenblätter die Lebensdauer des LED-Treibers in Stunden, andere wiederum in Jahren aus. Eine Lebensdauer von fünf Jahren kann im Kleingedruckten einen Betrieb von 5.000 Stunden pro Jahr und maximal 20 Schaltvorgängen pro Tag entsprechen. Garantien können trügerisch sein und einige Hersteller geben eine minimale Ausfallrate an. Lumotech gibt hingegen eine erwartete Lebensdauer von beispielsweise 50.000 Stunden an und bietet auf alle seine Produkte eine Garantie von fünf Jahren.

Bild 2: Durch Dimmen nach bestimmten Vorgaben lässt sich viel Energie einsparen.

Bild 2: Durch Dimmen nach bestimmten Vorgaben lässt sich viel Energie einsparen. Avnet Abacus

Wie bei der LED hängt auch die Lebensdauer des Treibers mit der Betriebstemperatur zusammen: je höher diese liegt, desto kürzer ist die Treiberlebensdauer. Das richtige Wärmemanagement ist daher entscheidend. Die wichtigste Temperaturspezifikation bei einem LED-Treiber ist die maximale Gehäusetemperatur TCmax. Leuchten-Designer sollten daher prüfen, ob die Lebensdauer ihres gewählten Treibers bei TCmax. spezifiziert wurde. Dies ist nicht immer der Fall.

Die wichtigste Komponente eines Treibers in Bezug auf die Zuverlässigkeit ist der Elektrolytkondensator. Höhere Betriebstemperaturen verringern die Lebensdauer des Kondensators. Langlebige Elektrolytkondensatoren wie von den Herstellern Rubycon, Nichicon und Panasonic geben hier mehr Sicherheit.

Für den europäischen Markt entwickeln

Luminaire entwickelt für den europäischen Markt und daher entsprechend den europäischen Normen. Der LED-Treiber ist die Stromversorgung der Leuchte und muss den Sicherheitsbestimmungen nach EN61347-1 und EN61347-2-13 sowie den EMV-Bestimmungen nach EN55015 und denen für Oberwellen (EN61000-3-2 Klasse C für größer 25 W, Klasse D unter 25 W), entsprechen.

Um das CE-Zeichen zu erlangen, müssen die Leuchten der Eco-Design-Richtlinie entsprechen, die 2016 noch strenger geregelt wird. Seit September müssen Leuchten im Leerlauf oder im Standby weniger als 0,5 W aufnehmen. Aus funktionalen und in einigen Fällen auch aus Sicherheitsgründen sollte die Einschaltdauer einer Leuchte weniger als 0,5 s betragen. Die Richtlinie schreibt zudem strenge Leistungsfaktorregelungen vor, die der Treiber unabhängig von der LED-Last einhalten muss.

Versorgt der gleiche LED-Treiber verschiedene Leuchten, die beispielsweise mit 30 oder 40 W betrieben werden, ist zu überprüfen, ob der 40-W-Treiber die Leistungsfaktorspezifikationen auch bei einer Last von 30 W erfüllt. In einem ausführlichen Datenblatt ist dies einschließlich Diagrammen, die den Leistungsfaktor über der Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad bei verschiedenen Strömen darstellen, aufgeführt.

Dimmbare LED-Leuchten sparen Energie

Dimmen ist eine wichtige Funktion, um möglichst viel Energie einzusparen, da sich Leuchten so mit reduzierter Last betreiben lassen (Bild 2). Ein Vorteil der LED-Technik ist die einfache Verbindung und Steuerung von Leuchten. In vernetzten Anwendungen lassen sich die Leuchten entweder einzeln oder in Gruppen ansteuern. Programmierbarkeit ermöglicht eine höhere Energieeinsparung, vor allem wenn zusätzlich Umgebungslicht-, Näherungs- oder Bewegungssensoren zum Einsatz kommen.

Straßenbeleuchtungen in Wohnbereichen und Fußgängerzonen lassen sich dimmen oder ausschalten, wenn sich keine Personen in nächster Nähe befinden. Straßenbeleuchtungen schalten sich automatisch ein wenn die Wetterbedingungen untertags schlecht sind, zum Beispiel bei Regen, Schnee, Nebel oder schlechter Sicht. Auch in Gebäuden und Häusern kann das Licht nach einer vorab eingestellten Zeit automatisch ausgeschaltet werden falls keine Bewegung erkannt wird, während Notausgänge und Treppenhäuser nach Bedarf automatisch beleuchtet werden.

Die Entwicklung dimmbarer Leuchten erfordert eine sorgfältige Auswahl der LEDs und Treiber. Dabei ist zu beachten, dass der Wirkungsgrad des Treibers bei geringer Last erheblich niedriger ausfallen kann. Soll ein Treiber eine geringere Last ansteuern als in seiner Spezifikation ausgewiesen, kann sich ein niedrigerer Wirkungsgrad ergeben. Einige Datenblätter stellen den Treiber-Wirkungsgrad über die Last grafisch dar – allerdings nicht alle.

Ein geeignetes Kommunikationsprotokoll festlegen

Viele Beleuchtungsnetze sind heute mit einer Funksteuerung versehen. Der Hauptvorteil – ob zuhause, im Büro oder in der Fabrik – ist, dass sich die Leuchten, die durch LEDs ersetzt wurden, ohne Neuverdrahtung im Gebäude vernetzen und steuern lassen. Die Auswahl an Protokollen ist groß – es gibt keine definierten oder De-Facto-Standards für Beleuchtungsanwendungen, obwohl sich bestimmte Techniken für spezifische Anwendungen besser eignen.

Bild 3: Für Privathaushalte ist Zigbee-Lightlink ein bevorzugtes Kommunikationsprotokoll.

Bild 3: Für Privathaushalte ist Zigbee-Lightlink ein bevorzugtes Kommunikationsprotokoll. Avnet Abacus

In Privathaushalten ist etwa Zigbee-Lightlink ein beliebtes Protokoll, vor allem wenn es Teil eines Heimautomatisierungsnetzwerks ist (Bild 3). Das Protokoll ist kostengünstig und stromsparend, bietet eine geringe Latenz und unterstützt die Mesh-Netzwerk-Topologie, was es flexibel und skalierbar macht. Viele Kunden bevorzugen jedoch die Nutzung eines Smartphones oder Tablets als universelles Steuergerät. Die Beleuchtung macht dabei keine Ausnahme. Dies fördert alternative Protokolle wie Thread, die 3G- und 4G-Kommunikation nutzen und IP-basierte Protokolle wie IP6LoWPAN und CSRmesh, die auf Bluetooth basieren aber in Mesh-Topologie ausgeführt sind.

In städtischen Außenbeleuchtungen kommen IP6LoWPAN als auch Ethernet zum Einsatz. Auch Zigbee ist beliebt. Ob IP-, WiFi- oder funkbasiert – Straßenbeleuchtungsnetze sind oft auch über Power-Line-Kommunikation (PLC) miteinander verbunden und nutzen die vorhandene Infrastruktur. Der Vorteil ist, dass PLC nicht anfällig gegen Witterungseinflüsse und von Grund auf sicher ist. Darüber hinaus funktioniert PLC im Untergrund sowie in Tunneln.

Komponenten sorgfältig auswählen

Um alle Vorteile der LED-Technik hinsichtlich Wirkungsgrad und langer Lebensdauer nutzen zu können, müssen Lichtdesigner alle Komponenten sorgfältig auswählen, um die entsprechenden Betriebsbedingungen der Anwendung ohne Qualitätseinbußen zu erfüllen. Dazu gehört das genaue Durcharbeiten der Datenblätter aller in Frage kommender LED-Treiber.

Avnet Abacus bietet eine Vielzahl von Treibern der Hersteller Lumotech, Meanwell, Artesyn und Delta. Diese sind für Entwickler und Endanwender ausgelegt, die LED-Beleuchtungen für die Innen- und Außenbeleuchtung sowie in Consumer-, professionellen und industriellen Anwendungen einsetzen.

Einige höherwertige LED-Treiber, wie die ELG-Serie von Meanwell, sind programmierbar, sadass sich die Lichtausbeute verschiedener LEDs entsprechend eines voreingestellten Profils oder bestimmter Bedingungen anpassen lässt. Wie auch bei der LED gilt für den Treiber: Je höher die Betriebstemperatur, desto kürzer seine Lebensdauer.