Innovative Licht-Steuerungskomponenten

Etwa 25 Prozent des Energieverbrauchs von Wirtschaftsbauten gehen auf das Konto der Beleuchtung. Hierin liegt auch die einfachste Einsparmöglichkeit für Endverbraucher, wenngleich im privaten Bereich der Anteil geringer ist. Die Umstellung auf weniger stromhungrige Lichtquellen wie Kompaktleuchtstofflampen und LEDs wirkt sich zwar enorm auf den Energieverbrauch und die Stromrechnung aus. Dennoch können private und geschäftliche Nutzer die Kosten noch weiter senken, indem sie die Steuerung verbessern und automatisieren.

Angaben des Marktforschungsunternehmens Pike Research zufolge lässt sich durch Automatisierung in Privaträumen und Büros der Energieverbrauch durch Beleuchtung um bis zu fünfzig Prozent reduzieren, noch besser sehe es bei Kaufhäusern und Industrieanlagen aus. Daher verwundert es nicht, dass sich der Weltmarkt für intelligente Lichtsteuerungen auf ein sehr starkes Wachstum einstellt und bis 2016 um 2,6 Milliarden US-Dollar wachsen soll.

Lichtsteuerungen bieten ein erhebliches Energieeinsparpotenzial und neue Sensor-, Schalter- und Relaistechnologien ermöglichen ein breites Spektrum an innovativen Strategien, die von der Raumbelegungserkennung und Tageslichtmessung bis hin zur gebäudeweiten Koordinierung eines voll vernetzten Systems reicht.

Das größte Energieeinsparpotenzial dürfte in der Fähigkeit liegen, Licht automatisch, wenn nicht benötigt aus- und wenn benötigt wieder anzuschalten. Dies steckt auch hinter dem neu erwachten Interesse an Infrarotsensoren.

Einem Bericht des Marktforschungsunternehmens Yole Développement des Jahres 2012 zufolge werde das Geschäft rund um die Bewegungserkennung, auch wenn es bereits ausgereift ist, getrieben von Energiesparinteressen weiter deutlich wachsen wird (CAGR 2010-2016: plus neun Prozent). Das Gesamtgeschäft mit der Infraroterkennung soll von 152 Millionen bei einer jährlichen Wachstumsrate von plus elf Prozent bis 2016 286 Millionen US-Dollar ansteigen.

Neue IR-Sensortechnologien zur Erkennung unbewegter Wärme abstrahlender Objekte können stärker von den sich neu bietenden Möglichkeiten und Chancen profitieren, da sie ein Territorium besetzen, das herkömmlichen PIR-Meldern, die traditionell zur Anwesenheitserkennung in Heim- und Gebäudeautomatisierungssystemen eingesetzt werden, verwehrt ist.

Der Grund liegt darin, dass PIR-Detektoren den pyroelektrischen Effekt zur Erkennung von Menschen und Tieren in ihrem Sichtfeld nutzen. Hierbei handelt es sich um eine vorübergehende Änderung der Struktur eines Materials als Folge von Erwärmung oder Kühlung. Das Detektionsschaltschema hängt also von der Messung eines Unterschieds im Wärmemuster ab. Es erkennt Bewegung, nicht jedoch Präsenz.

Neue Thermosensoren auf der Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) haben diesen Nachteil nicht. MEMS-Thermosensoren, im Grunde Arrays im Nanomaßstab von Thermoelementen, messen die Ist-Temperatur der Quelle anstelle eines Differenzwertes und sind so in der Lage, Menschen in einem Raum zu erkennen ohne dass diese sich bewegen müssen. Die Präsenzerkennung eröffnet völlig neue Anwendungsgebiete, die pyroelektrischen Sensoren verwehrt sind.

Beispielsweise lassen sich Präsenzerkenner in Beleuchtungssystemen verwenden, um zuverlässig in den Energiesparmodus zu schalten, wenn sich im erfassten Bereich niemand befindet. Tatsächlich lassen sich die Anwendungsfelder auf Heizungs-, Klima- und Sicherheitssysteme ausweiten, einschließlich einer Alarmzustandsanzeige, falls Menschen sich in einem Areal gar nicht aufhalten dürfen.

Array-Anordnung für akkuratere Positionserkennung

MEMS-Sensoren wie der neue D6T von Omron messen die Temperaturen im gesamten Sichtfeld, im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosensoren, die auf Einzelpunktmessungen beschränkt sind. Der als Array konfigurierte Sensor (derzeit in 1 x 8- und 4 x 4-Anordnung erhältlich) kann die Temperaturinformation einer bestimmten Zelle zuordnen, und so ihrem Temperaturwert eine Position zuordnen. Dies erhöht die Genauigkeit, verringert Übersprechen und erweitert das Sichtfeld.

Mehrere Sensoren in einem Raum multiplizieren diese Vorteile: Mit einem Quad-4×4-Array-Sensormodul lässt sich eine höhere Auflösung oder breitere Flächendeckung erzielen, zum Beispiel die Positionserkennung einer Person innerhalb eines Quadratmeters in einem 16 m² großen Bereich.

Die Technologie hinter diesen Thermosensoren kombiniert eine MEMS-basierte Mikrospiegelstruktur für die effiziente Erkennung von Infrarotstrahlung mit einer leistungsstarken Siliziumlinse, um die IR-Strahlen auf die Thermoelemente zu richten. Proprietäre ASICs nehmen dann die notwendigen Berechnungen vor und wandeln die Sensorsignale in passende digitale Ausgänge um. Da alle Komponenten in-house entwickelt und in Omrons eigenen MEMS-Produktionsstätten hergestellt werden, ist das Resultat eine hohe ±0,14 °C Genauigkeit mit einer exzellenten Störfestigkeit (gemessen als rauschäquivalente Temperaturdifferenz) von 140 mK.

Größere 16 x 16 MEMS-Sensor-Arrays für eine noch feinfühligere Lichtsteuerung vor allem in offenem Gelände befinden sich derzeit in der Entwicklung.

Die Eingangsströme im Griff haben

Obwohl die Anwesenheitserkennung das größte Potenzial zur Verbesserung der Beleuchtungsautomatisierung aufweist, eröffnen sich Möglichkeiten auch durch Neuerungen bei Schaltern und Relais.

Hohe Eingangsströme und die lange Lebensdauer moderner Beleuchtungseinrichtungen stellen Schalter- und Sensorhersteller vor neue Herausforderungen. Vor allem beim Schalten von Leuchtstofflampen muss der große Spitzenstrom während des Einschaltvorgangs bewältigt werden. Kapazitive Lasten sind noch kritischer: Ein Kondensator in Parallelschaltung zu einem Lampentreiber ist eine sehr gängige Schaltungskonfiguration, auch für LEDs, und der durch seine Entladung generierte Spitzenstrom kann leicht das 10- bis 15-fache des Nennstroms übersteigen. Wird das falsche Relais eindesignt kann das die Lebensdauer des gesamten Systems drastisch verkürzen.

Relaishersteller begegnen diesen Anforderungen mit neuen hoch entwickelten Kontaktmaterialien. Omron nutzt beispielsweise eine Silber-Indium-Zinnlegierung, die sehr hart ist und einen hohen Schmelzpunkt sowie eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Lichtbogenbildungen und Verschweißungen aufweist und sich dadurch für hohe Eingangslasten eignet. Als weiterer Vorteil ist die Legierung kadmiumfrei und somit RoHS-konform.

Mit solchen Ag-In-Sn-Kontakten kann ein Relais je nach Modell Eingangsströme bis zu 100 A schalten, sogar in Leuchtstoff- und Wolframlampen. Ein 16-A-Relais eignet sich für alle marktüblichen Lampenarten von Leuchtstoff bis LED, obwohl für einige Beleuchtungsanwendungen auch Relais mit geringerer Schaltleistung spezifiziert werden können.

Kleinere und leisere Relais

Die zunehmende Verwendung stromsparender LEDs bedeutet weniger Bedarf an 16-A-Kapazität. Das wiederum heißt, dass Lichtsteuerungssysteme von der Miniaturisierung profitieren können, die mit niedrigerer Stromaufnahme einhergeht. Kompakt und schlanke Relais sind vor allem in den Schaltmodulen zur Steuerung der LEDs nützlich: 6,5 mm-Bausteine wie das G6D-ASI 5A mit Kontakten in Silber-Indium-Zinnlegierung sparen Platz und Kosten.

Relais werden immer kleiner aber auch leiser, wodurch eine wesentliche Quelle möglicher Ablenkung nach Einschaltung der Lichtsteuerung entfällt. Der patentierte geräuschlose Mechanismus des flachen 16A-Relais G5RL-LN verringert das Schaltgeräusch um mehr als 10 dB, wodurch es selbst in einem stillen Büro nahezu unhörbar ist.

In Vorschaltgeräten und zum Management von Lichtsystemen finden nicht nur Leistungsrelais Einsatz. Häufig werden DIP-Schalter zur Funktionseinstellung der Modulkomponenten gebraucht. Sie müssen zuverlässig funktionieren und sich für die neuesten automatisierten Produktionsverfahren eignen. Sogar bei diesen einfachen Bauelementen ist noch Raum für Innovationen.

Die DIP-Schalter A6SN und A6TN für SMD- beziehungsweise Durchsteckmontage verfügt über eine interne Knife-Edge-Hochdruck-Mechanik, die eine sichere und beständige Ausführung des Kontaktbetriebs gewährleistet. Diese Omron-Schalter verwenden überdies temperaturbeständiges Harz zur Abdichtung, was Reflow-Lötprozesse bei Spitzentemperaturen von bis zu 260 °C erlaubt – bei manuellem Löten sogar 400 °C  – dies ist wesentlich höher als bei vergleichbaren Schalterlösungen.

Entwicklung effizienter Steuerungen

Ob elektromechanische Bauelemente wie DIP-Schalter und Relais oder elektronische Komponenten auf dem neuesten Stand der Technik wie MEMS-Sensoren, die Bauelementehersteller produzieren Produktneuheiten mit Hauptaugenmerk auf Beleuchtungsanwendungen. Indem sie spürbare Vorteile für Lichtsteuerungsgeräte bedeuten, helfen diese Bauteile den OEMs bei der Entwicklung effizienterer Steuerungen, bei der Kostenreduktion und Platzeinparung und tragen erheblich zu einem insgesamt niedrigeren Energieverbrauch bei.

(ah)