Ex-geschützte Leuchtdioden Sichere Lichter

Leuchtdioden als im Vergleich zu Glühlampen und auch Leuchtstoffröhren recht robuste Leuchtmittel eignen sich auch für explosionsgeschützte Bereiche. Während man vor dem Einsatz in solchen Anwendungen noch vor wenigen Jahren aus Kostengründen zurückschreckte, haben sich Technik und Preis derart entwickelt, dass die Halbleiterleuchten inzwischen auch hier ihre Vorteile ausspielen können.

Die hohe Vibrationsfestigkeit macht LEDs als Leuchtmittel besonders interessant für Applikationen im Maschinenbau oder in Anlagen mit großen Dieselaggregaten wie Schiffe oder Offshore-Anlagen. Generell lässt sich die Leuchtstärke einer LED sehr einfach durch Verändern des Betriebsstromes variieren. Im Vergleich zu Entladungslampen verringert sich dadurch weder die Energieeffizienz noch die Lebensdauer. Aus diesem Grund eignen sich Leuchten mit LEDs gut für »intelligente« Lichtlösungen, beispielsweise die Regelung der Lichtstärke einer damit ausgerüsteten Leuchte in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit.

Die Lebensdauer von LEDs übersteigt die Werte von Glühlampen und Leuchtstofflampen um ein Vielfaches. Je nach Qualität und Einsatzbedingungen kann mit einer Lebensdauer zwischen 30 000 und 100  000 Stunden gerechnet werden. Dadurch lassen sich die Austauschintervalle für das Leuchtmittel deutlich verkürzen und damit die Wartungskosten reduzieren. Je tiefer die Umgebungstemperatur ist, umso höher ist der Wirkungsgrad der LEDs und umso länger ist deren Lebensdauer. Dies macht LEDs auch als Leuchtmittel für Einsatzbereiche mit langanhaltend tiefen Temperaturen besonders geeignet. Umgekehrt muss aber festgestellt werden, dass Wirkungsgrad und Lebensdauer mit ansteigender Umgebungstemperatur abfallen. Aufgrund der genannten Eigenschaften sind LEDs auch für den Einsatz in der explosionsgeschützten Beleuchtungstechnik interessant.

Die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten von LED-basierten Leuchten hat die Verbreitung in diesem Bereich lange gebremst, abgesehen von Ausnahmefällen, in denen beispielsweise der Installationsort der Leuchten extrem schwer zugänglich und damit ein Austausch der Leuchtmittel mit hohen Kosten verbunden ist. Das hat sich inzwischen geändert, und auch die Lichtausbeute ist deutlich angestiegen, sodass (weiße) Leuchtdioden sogar mit Natrium-Hochdruckdampflampen mithalten können.

Eine zentrale Problematik beim Einsatz von Hochleistungs-LEDs betrifft die Wärme. Die Temperaturprobleme sind nicht auf die Lichterzeugung an sich zurückzuführen, da LEDs Licht durch Elektroluminiszenz erzeugen. Da die elektrische Verlustleistung aber nicht wie bei der Glühlampe über die Lichtabstrahlung umgesetzt wird, muss die gesamte Verlustleistung über die Chipfläche von nur wenigen Quadratmillimetern abgeführt werden. Erfolgt dies nicht, erhitzt sich das Halbleitermaterial der LED sehr stark, was die Lebensdauer des Bauteils verkürzt oder es gar zerstört. Die Vermeidung von Heißpunkten hat, neben der Beeinträchtigung der Funktion und Lebensdauer der LED, speziell im
Explosionsschutz, eine besondere Bedeutung. Unter normalen Temperaturbedingungen, wie sie in den Datenblättern der Hersteller angegeben sind, erreichen LEDs, die mit niedrigen Strömen betrieben werden, eine Lebensdauer von mehr als 100  000 Stunden. Die Angabe der Lebensdauer in den Herstellerunterlagen informiert in der Regel über den Anteil der noch funktionierenden LEDs an der Gesamtheit der Testlampen. So bedeutet die Angabe: »B 50 bei 100  000 Stunden«, dass nach einer Betriebszeit von 100 000 Stunden unter den spezifizierten Bedingungen noch 50% der getesteten Dioden funktionieren beziehungsweise die Hälfte der LEDs nicht mehr funktioniert.

Explosionsgeschützte Betriebsmittel

Eine Leuchtenart, bei der die Vorteile der neuen Technik eindeutig in den Vordergrund treten, sind Hand- und Taschenleuchten (Bild 1). Für diese Leuchten standen bislang lediglich Glühlampen mit kurzer Lebensdauer und schlechter Lichtausbeute zur Verfügung, sodass dort LEDs bereits seit einigen Jahren ihre Überlegenheit ausspielen können. In den meisten Fällen reicht der hohe Innenwiderstand der Batterien aus, um einen relativ konstanten Versorgungsstrom zu gewährleisten. Auch der LED-typische enge Abstrahlwinkel stört bei dieser Leuchtenart nicht.

Das gilt auch für Handscheinwerfer (Bild 2), etwa aus der Typenreihe »6148« von Stahl. Nach bis zu acht Stunden Betrieb ist der Blei-Vlies-Akku des Scheinwerfers in höchstens zwölf Stunden wieder voll aufgeladen. Auch bei intensivem Gebrauch hält die 4,5 Ah starke Batterie bis zu vier Jahre. Die Haupt-LED, die kaltweißes Licht mit einer Farbtemperatur von 6000 K erzeugt, benötigt 3 W Leistung.

Der ergonomisch gestaltete Scheinwerfer lässt sich gut mit einer Hand bedienen. Das Gerät eignet sich auch für raue Einsatzbedingungen und Umgebungstemperaturen von -20 °C bis +50 °C. Die Leuchte erreicht Schutzart IP66. Neben IEC-Ex- und ATEX-Bescheinigungen liegt auch eine E1-Zertifizierung für den Automotive-Sektor vor. Per Dimmregler kann die benötigte Lichtstärke am Schweinwerfer schnell und komfortabel justiert werden. Auch einen Blinkmodus – bei Bedarf ebenfalls mit gedimmtem Licht – sowie eine Notlichtfunktion bieten die Geräte. Zur Ausstattung gehört ein Ladesessel, der Eingangsspannungen sowohl von 12 V bis 30 V als auch von 100 V bis 240 V unterstützt. Als Zubehör ist neben einem Anschlusskabel zum Betrieb der Ladeeinheit im Kraftfahrzeug auch ein Adapter für andere Ladegeräte verfügbar. Wird der Akku an einem Bordnetz geladen, so überwacht das Gerät selbst die Eingangsspannung und schaltet den Ladevorgang ab, sobald die Fahrzeugbatterie zu stark beansprucht wird. Optional lässt sich der neue Scheinwerfer mit gelben und roten Farbfiltern oder mit einer Streuscheibe ausrüsten.

Besonders bei Wand- und Deckenleuchten ist die Montagemethode entscheidend für den Ex-Schutz. So lassen sich bestimmte Clusterleuchten etwa schnell und flexibel auf einem speziellen Flachbandkabel montieren. Die Kontaktierung erfolgt mittels Piercing-Technik beim Zuschnappen des Leuchtengehäuses ohne weitere Arbeitsschritte. Da das Isolationsmaterial des Kabels Selbstheilungseigenschaften besitzt, kann eine spätere Veränderung der Montageposition auf einfach Weise vorgenommen werden – selbst in Zone-2-Umgebungen, bei der die Zündschutzart »nonsparking« (Ex nA) vorgeschrieben ist.

Der bei LEDs gegebene Sofortstart und die hohe Schalthäufigkeit ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer wird mehr und mehr auch für Anwendungen im Signalbereich genutzt. Durch den Einsatz der LED-Technik wird außerdem eine energiesparende Lösung bei einer sehr guten Signalwirkung erreicht. Durch die geringe Stromaufnahme ist die Eigenerwärmung gering, sodass die Temperaturklasse T6 beziehungsweise die zulässige Maximaltemperatur von +80 °C einfach eingehalten werden kann und damit auch die breite Anwendung im Staubexplosionsschutz möglich ist.

Die verschiedenen Funktionen der Signalleuchte werden über ein Terminal mit der entsprechenden Software eingestellt. Im Beispiel im großen Bild ist der Einsatz mit Dauerlicht oder rotierendem Licht (Rundumleuchte) möglich. Bei der Anwendung als Rundumleuchte werden keine mechanisch bewegten Teile mehr in der Leuchte verwendet, was die Lebensdauer deutlich erhöht.

Blitzen und blinken

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Blitz- oder Blinkleuchten mit LEDs. Auch hier ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Signalleuchten mit herkömmlichen Halogen- oder Xenonlampen die sehr lange Lebensdauer des LED-Leuchtmittels. So gibt es auch für Langfeldleuchten mittlerweile Alternativprodukte auf LED-Basis. Typische Einsatzmöglichkeiten einer solchen Leuchte sind Maschinenbeleuchtungen, die Beleuchtung von Rettungswegen und Hinweisschildern sowie die Beleuchtung an schwer zugänglichen Stellen.

Aufgrund der robusten Konstruktion und der Verwendung hochwertiger LEDs kann man von praktisch wartungsfreien Leuchten sprechen. 
Mit einer Anordnung aus 28 Leuchtdioden bestückt Stahl neue Modelle der Hängeleuchten-Serie »6050« (Bild 3) für den Einsatz in Ex-Zone 1, 2, 21 und 22. Die Geräte mit 5700 lm Lichtstrom erreichen eine Lichtstärke von 10 000 cd in einem ±60°-Winkel vor der Leuchte. Mit unterschiedlichen Reflektoren sind auch 20 000 cd bei ±30° oder 30 000 cd bei ±15° möglich. Ein Energiebedarf von 75 W (davon 65 W für die LED) macht die Leuchten effizienter als funktional vergleichbare Produkte mit konventionellen Leuchtmitteln.

Ein großer Vorteil aus Anwendersicht ist zudem, dass die LED dank enorm langer Lebensdauer auch bei intensiver Nutzung mit häufigen Schaltzyklen viele Jahre lang nicht ersetzt werden müssen. Bei Maximaltemperaturen bis +55 °C in der Umgebung sind die Leuchten mit 35  000 Betriebsstunden spezifiziert. Bei -40 °C bis +40 °C oder mit optionalem Regelmodul, welches das Licht bei höheren Temperaturen dimmt, werden sogar 50 000 Stunden erreicht. Mit Temperaturregler erhöht sich auch die Temperaturklasse der Leuchten von T4 auf T6.

Die Hängeleuchten sind auch für Gefahrenbereiche mit Gasen der Gruppe IIC in der Atmosphäre zugelassen. Die LEDs stellen sofort nach dem Einschalten flackerfrei ihre volle Leuchtstärke zur Verfügung. Dank kaltweißem, blendarmem Licht gewährleisten sie eine hohe Farbtreue (CRI > 80). Die Geräte sind unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Vibrationen, verfügen über Explosionsschutz-Zertifizierungen wie IEC-Ex und ATEX und sind dank ihrer hohen Schutzart IP68 auch gegen das Eindringen von Wasser geschützt. Als Zubehör sind unter anderem Montagebügel zur Decken- oder Wandbefestigung erhältlich.

Explosionsschutz 

Die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) teilt die explosionsgefährdeten Zonen nach »Gase« und »Stäube« ein. Für Gase gilt: Zone 0 ist ein Bereich, in dem eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Zone 1 ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln bilden kann. Zone 2 ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährlich explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt. Bei Stäuben ist die Zone 20 ein Bereich, in dem eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Zone 21 ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosions­fähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbarem Staub bilden kann. Zone 22 schließlich ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.

Die Beschaffenheit von Betriebsmitteln für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen regelt die ATEX-Richtlinie 94/9/EG, die durch die 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz Explosionsschutzverordnung (11. ProdSV) in deutsches Recht umgesetzt wurde.