»Intelligente« LED-Beleuchtungen Effizienz-Marathon

LED-Beleuchtungen haben das Potenzial , die Beleuchtungstechnik umzugestalten und sehr viel Energie zu sparen. Wie kann man aber dafür sorgen, dass LEDs ihr wirkliches Potenzial voll ausschöpfen? Ein Weg, den Sieg im Effizienz-Marathon zu erringen, besteht darin, LED-Beleuchtungen mit »Intelligenz« auszustatten.

An einem sehr heißen Tag findet ein Marathonlauf statt. Für die Läufer kommt es darauf an, jedes kleinste bisschen Energie zu sparen. Als noch nicht einmal die halbe Strecke gelaufen ist, scheint der Sieger schon festzustehen: ein Läufer, der trotz Hitze und Wettbewerbsdruck cool bleibt. Doch wird er seinen Vorsprung auch auf dem Rest der Strecke halten können? Schließlich sind alle Athleten bestens trainiert, und alle bringen Talent und Potenzial mit.
An dieser Stelle ist die Frage berechtigt, was LEDs mit einem Marathon zu tun haben. Ähnlich wie ein Läufer, der in einem Marathon mit großem Vorsprung an der Spitze liegt, sind auch die LEDs die klaren Spitzenreiter im weltweiten Wettlauf um effizientere Beleuchtungen. LEDs verkörpern einen enormen technischen Vorsprung gegenüber Glühlampen und Leuchtstoff- beziehungsweise Energiesparlampen, denn sie benötigen weniger Energie, halten länger und ermöglichen eine bessere Kontrolle über Farbe und Richtung des Lichts.
Im Jahr 2010 entfielen geschätzte 19 Prozent des US-amerikanischen Elektrizitätsverbrauchs auf Beleuchtung, und bis 2030 könnten für Beleuchtungseinrichtungen jährlich immerhin 767 Terawattstunden (TWh) verbraucht werden. Mit LEDs ließe sich dieser Elektrizitätsverbrauch bis 2030 um 25 Prozent senken. Außerdem wäre mit LEDs eine Verbesserung möglich, was die Menge und die Art der durch Beleuchtung generierten Abfallstoffe betrifft. LEDs halten nämlich bis zu fünfmal länger als andere Beleuchtungslösungen und enthalten keine giftigen Inhaltsstoffe wie Quecksilber.
Zweifellos stellt der Preis im Moment das primäre Verkaufshindernis dar, denn LEDs kosten immer noch um eine ganze Größenordnung mehr als bestehende Beleuchtungslösungen. Energiesparen allein ist häufig kein hinreichendes Argument, um preisbewusste Firmen oder private Verbraucher zum Kauf einer teureren Lösung zu bewegen. Durch rationellere Fertigung und Massenproduktion dürften die Preise mit der Zeit zwar sinken. Aber wird der Preisrückgang deutlich genug ausfallen und wird er so rechtzeitig erfolgen, dass es für den Sieg der LED-Technik reicht?
Warum machen wir die LEDs nicht »intelligent«? Geben wir ihnen doch »Augen«, eine »Stimme« und die Fähigkeit zu zählen. Wenn wir Beleuchtungsanwendungen mit hochwertigen Halbleiterchips ausstatten, können wir ihre Energieeffizienz steigern, die Lebensdauer der Leuchtmittel maximieren und die Wartungskosten senken. Dann werden LEDs als klare Sieger aus dem Rennen hervorgehen.

Wesentliche Elemente »intelligenter« LEDs

Die Erfassung des Umgebungslichts, Kommunikationsfähigkeit und Funktionen zur Messung des Energieverbrauchs sind entscheidende Komponenten eines »intelligenten« Beleuchtungssystems. Erfasst man das Umgebungslicht, lässt sich die Beleuchtung dimmen, sobald der fragliche Bereich bereits von anderen Lichtquellen ausreichend beleuchtet wird. Über Sensoren, welche die Farbe des Umgebungslichts registrieren, können mit RGB-LEDs ausgestatteter Beleuchtungssysteme die Beleuchtungsfarbe ändern. Mithilfe von Kommunikationsfunktionen lassen sich kleine oder große Beleuchtungsinstallationen fernsteuern und vernetzen. Durch eine Energiemessung kann der Energieverbrauch genau aufgeschlüsselt werden und so die nötigen Informationen für vorbeugende Wartungsmaßnahmen liefern.
Alle diese Features, also Lichterfassung, Kommunikation und Energiemessung, tragen zum Energiesparen bei und senken die Betriebskosten. Im Folgenden befassen wir uns deshalb damit, wie LED-Beleuchtungssysteme mit Umgebungslichterfassung, Kommunikation - entweder leitungsgebunden oder drahtlos - und Energiemessfunktionen ausgestattet werden können. Dazu werden auch entsprechende Referenzdesigns als Beispiele angeführt.

Lichterfassung und Kommunikation

Ein »Ambient Light Sensor« (ALS) erfasst die Helligkeit in der Umgebung des Sensors. Dieser einfache Baustein wird damit zum »Auge« eines »intelligenten« Beleuchtungssystems und kann zum Dimmen verwendet werden. Wenn es in einem Raum bereits hell ist, lässt sich die Beleuchtung dimmen oder ganz abschalten, was nicht nur den Energieverbrauch reduziert, sondern auch die Lebensdauer der Leuchtmittel erhöht. Die Sensoren selbst müssen dabei jedoch vollkommen im Hintergrund bleiben. Sie dürfen vor allem selbst keine Energie verbrauchen, denn dies würde ihrem eigxentlichen Zweck, der Energieeinsparung, zuwiderlaufen. Ein erstklassiger ALS nimmt deshalb weniger als 1 µA auf. Der Helligkeitsbereich der Sensoren muss zudem größer sein als der von üblichen Outdoor-Anwendungen geforderte Bereich: 0,1 lx bis 100 000 lx sind für die meisten Anwendungen angemessen, doch kann im Interesse der Betriebssicherheit einer Applikation ein geringfügig größerer Bereich erforderlich sein. IR- und UV-Filter verhindern, dass Licht aus den nicht sichtbaren Teilen des Spek-trums die Messung beeinflusst.

Bild 1 zeigt, wie ein ALS in einer Leuchte platziert wird. Keinesfalls darf er von der Leuchte selbst angestrahlt werden, damit die Umgebungslichtmessung nicht durch Kunstlicht beeinflusst wird. In diesem Design befindet sich der ALS deshalb auf einer separaten Leiterplatte im Schatten der Lampe. Dieses einfache Konzept ermöglicht ein automatisches Abschalten der Leuchte, sobald die Helligkeit am Morgen einen gewissen Grenzwert überschreitet. Mit RGB-Sensoren ist es sogar möglich, einer Beleuchtungsapplikation mehr »Charakter« zu verleihen, denn Systeme, die mit einem ALS und RGB-LEDs bestückt sind, können ihre Leuchtfarbe dynamisch an applikationsspezifische Anforderungen anpassen, beispielsweise zur Erzeugung bestimmter Lichtstimmungen auf einer Terrasse oder für Displaybeleuchtungen in einem Kaufhaus.
Als nächstes geht es um »intelligente« Kommunikationsfunktionen für LED-Leuchten. Vernetzung macht es möglich, Leuchten aus der Ferne ein- und auszuschalten und zu dimmen, was für sich genommen schon zur Energieersparnis beiträgt. Außerdem ist die Kommunikationsfähigkeit ein Garant für rasche Rückmeldungen bei Stromausfällen, notwendigen Wartungsmaßnahmen und Notsituationen. Die insgesamt anfallenden Wartungskosten eines Systems lassen sich mithilfe dieser Informationen senken.
In verschiedenen Situationen und je nach Netzwerkgröße und den örtlichen Gegebenheiten kommen sowohl leitungsgebundene als auch drahtlose Kommunikationsmethoden in Frage. Die drahtlose Übertragung eignet sich gleichermaßen gut für kleine Anwendungen in geschlossenen Räumen wie für umfangreiche Outdoor-Applikationen mit direkter Sichtverbindung, freien Frequenzbändern und ausreichend Reserven, was die Sendeleistung betrifft. Die Powerline-Kommunikation (PLC) nutzt das Stromnetz als Übertragungsmedium und bietet deshalb hervorragende Voraussetzungen für umfangreiche kommunale Beleuchtungsinstallationen, Tunnel und Parkhäuser, in denen aus topografischen oder architektonischen Gründen keine Sichtverbindung besteht. In allen Kommunikationsapplikationen kommt es auf Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit an, denn bei einem Ausfall der Kommunikation bietet das System keine Vorteile mehr.
In drahtlosen Anwendungen können Signale per WLAN oder ZigBee oder mit einem anderen standardisierten oder proprietären Protokoll übertragen werden, was häufig im ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical) geschieht. Eine Beschränkung der Leistungsaufnahme sorgt für Netzwerkflexibilität und ist entscheidend, wenn die Endpunkte mit Batterien betrieben werden.

Bild 2 zeigt als besondere Anwendung einen Lichtschalter mit einem HF-Transceiver, der sich per Energy-Harvesting selbst mit Strom versorgt. Das System »erntet« und nutzt die Energie, die zum Umlegen des Schalters erforderlich ist. Hiermit wird die Kommunikation mit der Leuchte gespeist, die drahtlos mit einer Frequenz unter 1 GHz erfolgt. Solange sein Signal die Leuchte erreicht, kann dieser Schalter beliebig im Raum platziert werden. Da kein Kabel mehr zum Schalter verlegt werden muss, gewinnt die Raumgestaltung an Flexibilität, und die Lichtsteuerung wird dynamischer.
Bei der Lichtsteuerung per PLC werden die bestehenden, zur Stromversorgung dienenden Leitungen genutzt, sodass dies eine kosteneffektive Lösung ist. Mit der PLC-Technik werden etwaige Bedenken bezüglich der gemeinsamen Nutzung von Kommunikationsfrequenzen, der Leistungsfähigkeit bei schlechtem Wetter und der Netzwerkwartung ausgeräumt, da die Kommunikation über die bereits vorhandenen, für die Stromversorgung genutzten Leitungen erfolgt.
Reichweite, Übertragungsrate und Betriebssicherheit sind die drei kritischen Designaspekte dieser Technik, denn das hohe Störungsaufkommen auf den Netzleitungen wirkt sich unweigerlich auf die Robustheit aus. Die »G3-PLC«-Kommunikation ist ein neuer, OFDM-basierter Standard, der auf Netzleitungen entsprechend gute Übertragungseigenschaften bietet. Die Technik lässt Übertragungsraten bis zu 300 kBit/s zu, ermöglicht Maschennetzwerke und hält einen speziellen robusten Modus für Anwendungen mit besonders hohem Störaufkommen bereit. Abgesehen davon gibt es bereits OFDM-basierte, PLC-gesteuerte Beleuchtungsnetzwerke ähnlich G3-PLC.

Bild 3 zeigt die PLC-Installation für ein Tunnelbeleuchtungsnetzwerk von Nyx Hemera Technologies, mit dem es bereits gelungen ist, den Energieverbrauch um 25 Prozent und den Wartungsaufwand um 30 Prozent zu senken. Diese große Installation unterstützt an einem System bis zu 1022 Leuchten und ermöglicht Kommunikationsdistanzen bis zu 3 km.

Energieverbrauch messen

Schließlich müssen »intelligente« LED-Beleuchtungen auch in der Lage sein, ihren Energieverbrauch zu messen. In einem Smart-Grid sind alle Anlagen vom Smart-Meter über Spannungsregler bis zu Ladegeräten für Elektrofahrzeuge mit Energiezählern ausgestattet, die den Energieversorgungsunternehmen (EVUs) und den Verbrauchern in Echtzeit präzise Verbrauchsangaben liefern. Umfangreiche Beleuchtungsanlagen, die ihren Verbrauch melden, stellen feiner abgestufte Daten über die Beleuchtungssituation von Gebäuden und kommunalen Anwendungen bereit. Auf diese Weise gewährleisten diese Systeme, dass die EVUs nur die tatsächlich benötigte Energie in Rechnung stellen.
Durch Dimmung beziehungsweise Abschaltung bei Nichtgebrauch orien-tieren sie sich am realen Bedarf. Zusätzlich können Schwankungen im Energieverbrauch einzelner Lampen ein Indiz für eine notwendige Reparatur- oder Wartungsmaßnahme oder einen fälligen Austausch sein. Außer Zweifel steht, dass ein optimierter Wartungsbedarf überall dort Geld sparen kann, wo die Beleuchtungseinrichtungen schwer zugänglich sind.
Um in einem Smart-Grid belastbare Daten bereitzustellen, müssen die Energiezählerlösungen über einen weiten Strombereich hinweg eine hohe Messgenauigkeit erreichen. Die Gesamtsystemkosten lassen sich ferner senken, indem der Zeitaufwand für die Kalibrierung reduziert oder gänzlich eliminiert wird.

In Bild 4 ist ein Referenzdesign für ein flexibles LED-Beleuchtungssystem mit Energiemessfunktion dargestellt. Der Energiemess-Chip ermöglicht hier auch ein Dimmen des Systems und besitzt eine DALI-Schnittstelle.
Viele Kommunen installieren derzeit LED-Beleuchtungen ohne »intelligente« Features. Hieraus resultiert ein enormes Potenzial für künftige Nachrüstmodule, welche die Leistungsfähigkeit der LED-Beleuchtungen verbessern. Um Upgrade-fähig zu sein, benötigen diese Systeme Schnittstellen, mit denen sie sich an das »intelligente« Beleuchtungssystem anbinden lassen. Angesichts der Anzahl und der Beschaffungskosten der LEDs wird es nicht kosteneffektiv sein, die effizienten und noch relativ neuen LEDs zu ersetzen. Einfache Schnittstellen wie etwa DALI werden stattdessen die Möglichkeit schaffen, ALS, Kommunikationsfähigkeit und Energiemessfunktionen später nachzurüsten.

Über den Autor:

David Andeen ist Strategic Segment Manger für den Bereich Energie bei Maxim Integrated.

Passende Bausteine von Maxim Integrated 
High-Brightness-LED-Treiber: »MAX16832«; www.maximinitegrated.com/datasheet/index.mvp/id/5851
PDU Power Measurement and Monitoring SoC: »78M6618«, www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/6839/t/al