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Bluetooth Mesh zur Vernetzung von Leuchtkörpern und Sensoren in ein Gewerbegebäude. (Bild: Fulham)

Eckdaten

Auf welche Weise auch immer sich der Markt für intelligente Beleuchtung weiterentwickeln wird, die Erweiterung von LED-Leuchtmitteln durch programmierbare Geräte und Sensoren wird der Grundstein für intelligente Gebäude sein.

Die erste Generation der Beleuchtungssteuerung war ein einfacher Ein/Aus-Schalter. LED-Systeme wurden vorwiegend mit PAR- und MR-Lampen und Standby-Strom nachgerüstet. Dimmen und Flackern waren zweitrangig.

Die LED-Beleuchtungen der nächsten Generation boten dimmbare Steuerungen, höhere Effizienz und eine bessere Lichtqualität. Treiber galten als grundlegende Stromversorgungselemente, und die LED-Nachrüstung ging in Richtung länglicher Röhren, bei denen oft die bestehenden ineffizienten Vorschaltgeräte zum Einsatz kamen.

Programmierbarkeit

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Das lineare LED HO-Nachrüstset, das bei bestehenden Leuchtkörpern installiert werden kann. Fulham

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Die Bluetooth Mesh-Architektur sorgt für Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit beim Anschluss eines großen Gewerbegebäudes. Fulham

Mit der Zunahme stromsparender LED-Beleuchtungen und der Nachfrage nach energieeffizienteren Leuchtmitteln begannen die Hersteller ihre Leuchtmittel zu optimieren. Die Programmierbarkeit wurde zu einem wesentlichen Faktor. Um die wachsende Nachfrage nach komfortabler, flackerfreier Beleuchtung zu decken, betrachteten die Hersteller LED-Treiber nun nicht mehr ausschließlich als Stromversorgungselemente. Es begann die Ära der „intelligenten“ Leuchtmittel mit benutzerdefinierbaren LED-Leistungen, -Effekten und Eigenschaften.

LED-Komponenten, die für spezielle Funktionen oder Anwendungen programmiert werden können, definieren wir als intelligente Beleuchtung. Beispielsweise können Beleuchtungskomponenten so konfiguriert werden, dass sie auf Temperatur und sonstige Eigenschaften reagieren und sich hinsichtlich Intensität und Farbe anpassen. Intelligente Beleuchtungskomponenten können werkseitig oder während der Installation programmiert werden, etwa wenn Anwendungen eine Farbabstimmung erfordern. Neuere LEDs müssen in ihren Beleuchtungseigenschaften auf ältere Leuchtmittel abgestimmt werden. Solche intelligenten Komponenten können auch so programmiert werden, dass sie vor übermäßigen Temperaturen schützen und dadurch die Lebensdauer der LED verlängern. Mit individuell anpassbaren LEDs ist es möglich, den Kundenerfordernissen gerecht zu werden. Dazu gehören folgende Features.

Geringer Einschaltstrom

Beim Einschalten benötigen alle Leuchtmittel eine höhere Last. Werden neuere Leuchtkörper nachgerüstet, kann der Einschaltstrom den Stromkreis überlasten. Mit intelligenten Beleuchtungskomponenten lässt sich der Einschaltstrom verringern und steuern. Dadurch ist der Anschluss mehrerer Leuchtmittel am selben Stromkreis möglich.

Abdimmen

Viele LED-Treiber steuern die Lichtintensität durch eine variable Stromversorgung der LED, bis hin zu einer sehr geringen Intensität. Dennoch verbraucht die LED eine geringe Menge an Strom. Intelligente LED-Treiber ermöglichen ein vollständiges Abdimmen mit Null-Stromverbrauch.

Programmierbare Dimmkurven

Nicht alle LED-Produkte dimmen einheitlich. So kann beispielsweise eine Verringerung auf 50 Prozent des Stromverbrauchs bei Produkten verschiedener Hersteller eine unterschiedliche Lichtintensität bieten. Programmierbare Dimmkurven erleichtern die Abstimmung von Dimmprofilen für Nachrüstzwecke.

NTC-Thermistoren

Um eine Überhitzung der LEDs zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu verlängern, können zusammen mit dem für den Schutz des Leuchtmittels programmierten LED-Treiber Negativ-Temperaturkoeffizient-Thermistoren (NTC-Thermistoren) eingesetzt werden.

Inzwischen ist eine Vernetzung und damit der Aufbau einer Infrastruktur für Beleuchtungssteuerungen möglich. Die Kommunikationsvorrichtungen zur Anpassung der Beleuchtungsstärke und Optimierung des Stromverbrauchs bilden die Basis für die Gebäudeautomatisierung. Sensoren und strategisch platzierte LEDs überwachen und verwalten die Beleuchtung und auch andere Systeme wie Heizung oder Klimaanlagen. Intelligente Leuchtkörper können direkt angesteuert werden. Nachteile wie eine übermäßige Beleuchtung oder eine Beleuchtung in unbesetzten Räumen entfallen und die Lichtstärke kann an das Tageslicht angepasst werden. Das spart Energie und verlängert die Lebensdauer von LED-Leuchten.

Selbstverständlich ist bei intelligenten Sensoren eine zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur erforderlich. Insbesondere bei nachgerüsteten Leuchtmitteln kann die Installation der Verkabelung für das Netzwerk äußerst kostspielig sein. Die Herausforderung lautet: Wie lassen sich die Beleuchtungssensoren an ein einziges Steuersystem anschließen?

Thema der nächsten Seite: Intelligente Beleuchtungsinfrastruktur

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Einige intelligente LED-Leuchtkörper können bei der Installation mithilfe von Handheld-Programmen konfiguriert werden. Fulham

Ein gebäudeweites Steuerungsnetzwerk kann mit Kabeln oder kabellos realisiert werden. Bei neuen Gebäuden werden zunehmend die Beleuchtung und das Computernetzwerk bereits in die Bauplanung einbezogen. Power over Ethernet (PoE), das Teil der Norm IEEE 802.3 ist, ermöglicht die gleichzeitige Übermittlung von Strom und Daten mit demselben Netzwerkkabel der Kategorie 6. Dadurch können Festkörper-LED-Leuchtmittel, die mit Gleichstrom betrieben werden, mit denselben Kabeln angeschlossen werden wie das Computernetzwerk. Da LEDs mit Gleichstrom betrieben werden, ist keine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erforderlich. Vor allem ist dadurch eine direkte Steuerung der LED-Leuchtmittel mit IP-basierten Steuerelementen möglich. Dadurch können neue Lampen in Betrieb genommen, die LED-Leistung überwacht und verwaltet werden und die Beleuchtungssysteme können per Fernbedienung über das Computernetzwerk aktualisiert werden.

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Drei typische Bluetooth-Kommunikationsnetz-Strukturen. Fulham

Eigentümer von Gebäuden mit bereits installierten Beleuchtungssystemen suchen jedoch nach wie vor nach vergleichbaren Lösungen für ihre LED-Nachrüstungen. Die Erwartungen gehen dahin, dass bis 2023 mindestens 50 Prozent der verkauften LED-Leuchtmittel für Nachrüstungen gekauft werden. Eigentümer intelligenter Gebäude sind bei Nachrüstungen an Leuchtmitteln mit integrierter Intelligenz interessiert. Das Nachrüsten von Kabeln für die LED-Beleuchtung und die Datenkommunikation ist kostspielig und unpraktisch. Bei der nächsten Generation von intelligenten Leuchtmitteln rücken kabellose Kommunikationsvorrichtungen vermehrt in den Fokus.

Die Kommunikationsstandards für kabellose Beleuchtung Zigbee und Zwave erfreuen sich gerade bei der Gebäudeautomatisierung zunehmender Beliebtheit. Diese Standards sind jedoch proprietär, das heißt sie sind nicht offen. Darüber hinaus lassen sich diese Standards nicht einfach auf andere Anwendungen, wie etwa HVAC und Sicherheitssysteme ausdehnen.

Das IoT bietet die Möglichkeit eines offenen Standards um praktisch jedes Gerät zu überwachen und zu steuern. Bislang erweisen sich Bluetooth Mesh oder Bluetooth Low Energy (BLE) als eine der gangbarsten kabellosen Optionen. Sie ermöglichen ein Netzwerk mittlerer Bandbreite und hoher Dichte, das Beleuchtungs- und sonstige Sensoren zuverlässig miteinander verbindet. Zudem bieten sie eine ausreichende Bandbreite für Sensor- und Steuerungsanwendungen und eignen sich für Niedrigenergie-Sensordaten für vielfältige Anwendungen.

Das Bluetooth-Mesh-Konzept und -Design ist ideal für kabellose Gebäudekommunikation geeignet, weil es als ein „Flood-Mesh-Netzwerk“ funktioniert. Das heißt, es leitet eingehende Datenpakete durch alle ausgehenden Verbindungen und bildet so ein Daten-Maschennetz. Fällt einer dieser Mesh-Netzwerkknoten aus, werden die Daten automatisch um den Störungspunkt herumgeleitet, wodurch ein „selbstheilendes“ Netzwerk gewährleistet ist. Bei Mesh-Netzwerken ist es einfach, Geräte hinzuzufügen oder zu entfernen, ohne den Service zu unterbrechen.

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Ein Prototyp als Demonstration von Power over Ethernet für LED-Leuchtkörper. Fulham

Bluetooth Mesh taugt für die Zwei-Wege-Kommunikation. Das bedeutet, es kann zu und von intelligenten Leuchtmittelsensoren und anderen Geräten Daten und Anweisungen ausgeben sowie Daten und Anweisungen von diesen erhalten. Dadurch passt es sehr gut für die Verwaltung intelligenter Gebäudelösungen, einschließlich der Handhabung von Warnmeldungen und der Bereitstellung von Daten für Analysezwecke.

Bluetooth Mesh bietet eine Reihe eindeutiger Vorteile für die Beleuchtungs- und die Gebäudesteuerung:

  • Gut definierter, offener Standard mit bewährter Kompatibilität
  • Für den Anschluss tausender von Geräten für die IoT-Kommunikation skalierbar und somit sehr gut geeignet für gewerbliche Gebäude und die Automatisierung von Fabriken.
  • Das Mesh-Design garantiert eine höhere Zuverlässigkeit.
  • Ein ausgereifter Standard: Bluetooth Mesh ist zwar relativ neu, aber das seit langem etablierte Bluetooth hat einen hohen Bekanntheitsgrad und das Vertrauen der Nutzer.
  • Der Nutzer kann über jedes Bluetooth-fähige Gerät, etwa Tablet oder Smartphone, darauf zugreifen.

Um die intelligenten Beleuchtungssysteme der Zukunft zu schaffen, kann schon heute mit intelligenten LED-Leuchtmitteln begonnen werden. Wir gehen davon aus, dass immer mehr intelligente Beleuchtungssysteme installiert werden, während wir uns für die intelligenten Gebäudeanwendungen der Zukunft vorbereiten.

Mark Needham

stellvertretender Geschäftsführer der europäischen Verkaufsabteilung der Fulham Group

(ah)

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