Langlebige und günstige LED-Flutlichtanlagen lösen HID-Lampen ab

HID-Lampen bieten für Flutlichtanlagen einen hohen Lichtfluss und eine hohe Lichtqualität. Elektrische und optische Probleme lassen sich mit diesen Lichtquellen (Bild 1) für die Entwickler von Flutlichtanlagen leicht lösen. Es gibt jedoch Anzeichen für einen Wandel hin zu aktuellen und optimierten LEDs und Treiberlösungen.

Bild 1: Die herkömmliche Lösung für Flutlicht: HID-Lampen, hier von Signify (vormals Philips Lighting). Future Electronics

So hat beispielsweise Signify (vormals Philips Lighting) mit ihrer Installation von LED-Leuchten für das Spielfeld der Ekaterinburg-Arena in Jekaterinburg, eines der Stadien zur Austragung der Fußballweltmeisterschaft 2018 in Rußland, Schlagzeilen gemacht. Im Folgenden betrachtet der Beitrag, welche Faktoren die Umstellung auf LEDs in Flutlichtanlagen für Sporteinrichtungen begünstigt und wie sich eine LED-Leuchte von einer HID-Lampe unterscheidet.

Hohe Kosten beim HID-Austausch

Es gibt zwei gute Gründe, aus denen die Betreiber von Stadien und Arenen den HID-Lampen nicht nachtrauern sollten. Der erste Grund ist die kurze Lebensdauer der Lampen: ihre typische B50-Lebensdauer (MTBF) beträgt nur 5000 Stunden. Das bedeutet, dass die Leuchtmittel bei HID-Flutlichtanlagen häufig erneuert werden müssen. Und da sich die auszutauschenden Leuchtmittel in Höhen bis zu 25 m auf einem schlanken Mast befinden, sind spezielle Zugangs- und Sicherheitsausrüstung sowie qualifizierte Techniker notwendig – all dies zu erheblichen Kosten.

Der andere große Nachteil von HID-Lampen ist ihr Verhalten bei unerwarteten Abschaltungen, wenn beispielsweise ein Stromkreis in einem Stadion ausfällt. HID-Lampen benötigen vor dem Wiedereinschalten eine Abkühlphase von 10 bis 15 Minuten und brauchen danach 5 Minuten, um wieder ihre volle Helligkeit zu erreichen. Die lange Phase der Dunkelheit und nur schwachen Beleuchtung kann katastrophale Folgen haben. Wenn während eines ausverkauften Spiels der Strom ausfällt, wird es äußerst schwierig, die Sicherheit und Ordnung in einem dunklen Stadion mit Zehntausenden Besuchern aufrechtzuerhalten.

Eine Lichtquelle auf LED-Basis beseitigt beide Probleme. Die Lebensdauer einer LED-Lichtquelle in einer Flutlichtanlage hängt von der Implementierung ab, liegt jedoch gewöhnlich im Bereich von 50.000 bis 100.000 Stunden. Außerdem leuchten LEDs sofort mit voller Helligkeit, wenn sie eingeschaltet werden oder die Spannungsversorgung nach einem Ausfall wiederhergestellt wird.

Der Wirkungsgrad einer LED-Lichtquelle liegt gewöhnlich bei über 120 lm/W – die HDI-Lampe bringt es auf gerade einmal 90 lm/W. Außerdem lassen sich LEDs ohne den für HID-Leuchten notwenigen Hochspannungsimpuls von 5 kV starten. Zusätzlich lassen sich LED-Leuchten bis zu sehr niedrigen Helligkeiten dimmen – sehr praktisch bei der Energieeinsparung durch Daylight Harvesting. Da LEDs verzögerungsfrei ein- und ausschaltbar sind, besteht die Möglichkeit der Erzeugung dynamischer Lichteffekte in Stadien.

LED-Flutlichtanlagen für den Profisport bedürfen einer sorgfältigen Planung. Was dabei genau zu beachten ist, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Planung von LED-Flutlichtanlagen

Die Art der Anwendung bringt besondere Einschränkungen bei der Entwicklung von LED-Leuchten zum Einsatz auf hohen Masten mit sich. Sie haben bis in jüngste Zeit die OEM davon abgehalten, LEDs zur Beleuchtung von Sportplätzen einzusetzen.

Die bisherigen Schwierigkeiten bei LED-Flutlichtanlagen waren die Folge einer Kombination strenger Anforderungen. Die Spielfläche, die gleichmäßig und ohne Schatten auszuleuchten ist, ist groß. Beim Tennis beträgt die eigentliche Spielfläche 260 m² und die gesamte Fläche, einschließlich des Platzes für die Linienrichter, der Bänke für die Spieler etc. beträgt rund 680 m² – und ein Fußballfeld ist noch sehr viel größer. Die Anforderungen an die Beleuchtung hängen davon ab, ob der Platz für Amateur- oder Profisport vorgesehen ist. Im letzteren Fall können auf der Oberfläche des Spielfelds über 1000 Lux notwendig sein. Je nach Masthöhe und Größe des Spielfelds erfordert dies eine Lichtleistung von Hunderten bis mehreren Tausend Kilolumen an der Lichtquelle.

Diese hohe Lichtleistung muss mit der kleinstmöglichen leuchtenden Oberfläche erzeugt werden. So soll wird verhindert, dass die freie Sicht der Zuschauer auf das Spielfeld beeinträchtigt ist. Bei Mastleuchten sollte der Mast so schlank wie möglich sein, was nach möglichst kleinen Lichtquellen mit der geringstmöglichen Windlast für den Mast verlangt.

Herausforderung Profisport

Bei Stadien für den Profisport stellen auch die Fernsehanstalten hohe Ansprüche an die Lichtqualität. Der Television Lighting Consistency Index (TLCI) ist von der European Broadcasting Union entwickelt worden, um die Eignung einer Lichtquelle zur korrekten Farbwiedergabe über Videokameras zu beurteilen. Es gibt eine Korrelation zwischen dem TLCI und dem Farbwiedergabeindex (CRI), der die Genauigkeit der Farbwiedergabe bei der Wahrnehmung mit dem menschlichen Auge anstelle einer Kamera misst. Spezifizierer von LEDs dürfen jedoch nicht davon ausgehen, dass eine LED mit hohem CRI auch die TLCI-Anforderungen erfüllt.

Bild 2: Mit ihren hohen Lichtleistungen sind HID-Lampen bisher die gängigste Lösung für Flutlichtanlagen, hier zum Beispiel im Phoenix-Snow-Park. Future Electronics

Die HID-Lampe ist für die Größen- und Gewichtsprobleme eine ausgesprochen gute Lösung: eine einzelne HID-Lampe mit 2 kW liefert 150.000 – 200.000 lm, sodass nur wenige Lampen auf einem Mast notwendig sind (Bild 2). Eine Herausforderung bei der Entwicklung mit LEDs besteht darin, die lichtemittierende Oberfläche (LES) so klein wie möglich zu halten. Mit universellen LED-Chips, die jeweils rund 300 lm liefern, ist das schwierig. Mit derartigen Bauteilen würden für eine Flutlichtleuchte auf einem hohen Mast zu viele Einheiten mit einer zu großen Fläche benötigt.

Seit kurzem liefert Nichia jedoch die NV9W149AM, eine Multi-Die-LED mit einer Nennlichtleistung von 2490 lm und einem CRI von 90 bei einem Treiberstrom von 2,1 A, wobei sie mit Dauerströmen bis zu 3 A betreibbar ist. Untergebracht ist die LED in einem Gehäuse mit den Abmessungen 7 × 7 × 3,1 mm³. Dank ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer guten Lichtqualität können Systementwickler damit sehr hohe Lichtleistungen mit einer sehr kleinen Leuchte realisieren.

Zum Einsatz kommen können auch Chip-on-Board-LEDs (CoB), die ebenfalls eine hohe Flussdichte haben. Die Systeme fallen jedoch größer aus als bei Verwendung der NV9W149AM. Hinzu kommt die relativ hohe Spannung zum Betrieb der CoB. Zudem schränken die Vorgaben für Kriechstrom und Abstand die Anzahl der Einheiten ein, die in einem Stromkreis in Serie betrieben werden können.

In jedem Fall erzeugt der Betrieb zahlreicher LEDs mit hohem Lichtfluss auf engem Raum hohe Mengen an Verlustwärme. Das verlangt bei der Auswahl des Leiterplattenmaterials und beim Layout des Boards sehr viel Wissen und Erfahrung.

Auf der folgenden Seite beschreibt der Beitrag, worauf bei der Positionierung der Hochleistungstreiber zu achten ist.

Positionierung der Hochleistungstreiber

Zwei wichtige Faktoren bestimmen die Auswahl des LED-Treibers. Zum Ersten liefert der Treiber eine hohe Leistung – beispielsweise in Stadien für den Profifußball häufig über 500 W. Kein Treiber hat einen Wirkungsgrad von 100 Prozent und die Verlustleistung des Treibers fällt als Wärme an. Ein 500-W-Treiber mit einem hohen Wirkungsgrad von 95 Prozent erzeugt so 26 W an Verlustwärme. Ohne geeignete Maßnahmen führt dies schnell dazu, dass die thermische Schutzschaltung des Treibersystems anspricht. Im Auge behalten sollte der Entwickler zusätzlich das externe Wärmemanagement.

Bild 3: Die LED-Treiber der EFD-1K2SxxxDV-Serie von Inventronics sind durch ihr geringes Gewicht eine gute Wahl für Flutlichtanlagen. Future Electronics

Der zweite Punkt bei der Auswahl des Treibers ist das Gewicht. Je leichter die Leuchte ist, desto schlanker kann der Mast sein oder desto geringer sind die Anforderungen an die Tragfähigkeit, falls die Beleuchtung auf dem Tribünendach montiert wird. Die 1,2-kW-LED-Treiber der Serie EFD-1K2SxxxDV von Inventronics sind beispielsweise eine ausgezeichnete Wahl für Leuchten mit hoher Lichtleistung. Mit ihren 6,6 kg (Bild 3) wiegen sie weniger als eine entsprechende Spannungsversorgung aus mehreren Treibern mit geringerer Nennleistung.

Abgesetzte Treibermontage

Alternativ zur Montage des Treibers oben am Mast in der Nähe der LED kann er auch am Fuß des Masts angebracht werden. Wegen der langen Leitungswege der Steuersignale zwischen einem abgesetzten Treiber und den LEDs kann die abgesetzte Montage jedoch den Betrieb der Rückkopplungsschleife stören und die Stabilität der Leistungsabgabe beeinträchtigen, was in der Folge zu wahrnehmbaren Schwankungen der Lichtleistung führt. Außerdem muss der Entwickler den Spannungsabfall auf dem Kabel berücksichtigen und sich mit den Anforderungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auseinandersetzen.

Bei der Auswahl der LED-Treiber sollten die Entwickler von Flutlichtanlagen auf hohen Masten außerdem die Spezifikationen zur Welligkeit am Ausgang im Auge behalten, die zum Flackern der Beleuchtung führt und bei Fernsehübertragungen ein besonders kritischer Faktor ist. Sie sollte weniger als zwei Prozent betragen. Außerdem sind unbedingt alle denkbaren Betriebsbedingungen zu berücksichtigen, insbesondere das Einschaltverhalten bei kaltem Wetter. Der Spannungsabfall in Durchlassrichtung ist bei kalten LEDs höher als bei der normalen Betriebstemperatur. Der Entwickler sollte bei der Spezifizierung der Ausgangsspannung des Treibers erhebliche Reserven oberhalb des im Normalbetrieb erwarteten Werts vorsehen.

Die Auswahl der Dimmerschnittstelle für dynamische Lichteffekte – also Blinken oder rhythmisches Dimmen – ist ebenfalls wichtig. Hersteller der Leuchten bevorzugen die DMX-Steuerung wegen ihrer im Vergleich zu Dali schnelleren Reaktion. Nur wenige Hochleistungstreiber verfügen jedoch über eine DMX-Schnittstelle. Deshalb sind Wandler von DMX nach 0 bis 10 V, wie der CNV-DMXR von Inventronics, so wertvoll.

Die Auslegung der Optik für die Flutlichtanlage behandelt der Artikel auf der nächsten Seite.

Erwägungen zur Auslegung der Optik

Das letzte wichtige Element des Systems bei Flutlichtanlagen ist die Formung des Lichtstrahls. Bei einer typischen Anordnung mit vier Masten an den Ecken eines rechteckigen Spielfelds ist jeweils ein Quadrant der Gesamtfläche aus großer Höhe genau auszuleuchten.

Konventionelle LED-Scheiben bewirken eine sehr gute Formung des Lichtstrahls bei kleinen punktförmigen Lichtquellen. Die geringen optischen Verluste in der Streuscheibe werden in Verlustwärme umgesetzt. In Systemen mit sehr hohem Lichtfluss entsteht so eine große Wärmemenge. Für die meisten Polycarbonate (PC) oder PMMA-Werkstoffe, wie sie in Streuscheiben für LEDs normalerweise zum Einsatz kommen, ist die Wärmebelastung zu hoch, denn sie neigen dazu, sich bei hohen Temperaturen zu verformen.

Bild 4: Die FN16258 Stella-RS von Ledil ist eine Streuscheibe aus Silikon, die auch hohen Temperaturen standhält. Future Electronics

Auch hier haben die Hersteller Spezialkomponenten für Flutlichtanlagen entwickelt. So liefert Ledil die FN16258 STELLA-RS (Bild 4), eine Streuscheibe, die einen Lichtstrahl mit einem Öffnungswinkel von 23° bei einer Leuchtfläche von 19 mm erzeugt und zu LEDs mit einer Leuchtfläche bis 30 mm kompatibel ist. Sie besteht aus Silikon, das auch sehr hohen Temperaturen standhält. Sie ist jedoch schwer und mechanisch weniger stabil als PC oder PMMA.

Ein anderer Ansatz besteht darin, Reflektoren zu verwenden. Dabei müssen jedoch die Abstände zwischen Reflektor und den LED-Arrays wegen der Kriechströme und der hohen Spannungen so groß sein, dass die Gefahr optischer Verluste besteht, weil ein Teil des Lichts am Reflektor vorbei strahlt.

Günstigere Gesamtbetriebskosten und mehr

Wie so oft bei der LED-Technologie amortisieren sich die zusätzlichen Kosten einer Flutlichtanlage mit LEDs während der Lebensdauer des Systems durch die geringeren Kosten für Wartung, Austausch der Leuchtmittel und den niedrigeren Energieverbrauch. Die Qualität und die gute Regelbarkeit einer LED-Beleuchtung sind weitere wichtige Vorteile. Wie dieser Artikel gezeigt hat, erfordert die Entwicklung eines Ersatzes herkömmlicher HID-Lampen durch LEDs die sorgfältige Beachtung verschiedener Aspekte zur Elektronik, Thermomanagement, Mechanik und Optik. Wie aber das Stadion der Weltmeisterschaft in Jekaterinburg zeigt, ist die LED bei der Stadionbeleuchtung die Lichtquelle der Zukunft.

(na)