Beleuchtungsmanagement Gesteuertes Licht

Seit Langem sind mehr oder weniger komplexe Systeme zur Gebäudeautomatisierung etabliert, über deren Bussysteme sich auch die Beleuchtung gezielt regeln lässt. In vielen Anwendungen ist eine vollwertige Gesamt-Automatisierungslösung jedoch um einige Nummern zu groß, besonders wenn existierende Gebäude aufgerüstet werden sollen. Wer seine Beleuchtungssysteme den Erfordernissen der Moderne anpasst, findet mit dem spezialisierten DALI-Bus eine sinnvolle Lösung.

Es gehört ja momentan beinahe zum guten Ton, auf die Europäische Kommission zu schimpfen und der guten, alten 100-W-Glühbirne nachzuweinen. Und oft stimmt es ja auch: Trotz aller Fortschritte erinnert das Licht der »Energiesparlampe« häufig an jenes ihrer großen Schwester, der Neonröhre.

Für gutes künstliches Licht in der Post-Glühlampen-Ära sorgt jedoch die Leuchtdiode. Für hochwertige Retrofit-Lampen ist die Erstinvestition zwar hoch, doch geben diese nicht nur meist angenehmeres Licht ab, sondern sind häufig auch noch energie-effizienter als die Kompakt-Leuchtstoffröhren.

Außer dem vergleichsweise hohen Preis gibt es allerdings zwei weitere Problemfelder: Bis auf wenige Ausnahmen erfordern Leuchtdioden Gleichspannung, außerdem erzeugen sie enorm viel Wärme auf sehr kleinem Raum.

In Retrofit-Lampen ist ein AC/DC-Wandler eingebaut, sodass der Endverbraucher sich darum nicht kümmern muss, allerdings bringen solche Wandler häufig Störungen ins Stromnetz ein (ähnlich den Vorschaltgeräten bei Leuchtstoffröhren) und sind, zumal bei schwankender Netz- und Leitungsqualität, eher vom Ausfall bedroht als die eigentlichen LEDs.

In puncto Hitzeentwicklung unterscheiden sich Leuchtdioden grundlegend etwa von Glühlampen: Bei den »Birnen« strahlt die Wärme überall dorthin, wo auch das Licht hingeht, bei der Leuchtdiode strahlt nur das Licht, die Wärme wird zum allergrößten Teil in die entgegengesetzte Richtung abgeleitet. Da ein LED-Die sehr klein ist, muss die Ableitung sehr effizient geschehen.

Digitales Licht

Wer auf existierende Lampen keine Rücksicht nehmen muss und ein Beleuchtungskonzept von Grund auf neu konstruiert, kann auf Re-trofit verzichten und entweder eine individuelle LED-Konfiguration einsetzen oder auf vorgefertigte Module zurückgreifen. In beiden Fällen kommen dann sinnvollerweise »zentrale« Spannungswandler zum Einsatz, bei denen es weniger um die Baugröße gehen muss, sondern um Eigenschaften wie Effizienz und EMV.

Für die gezielte Steuerung eines solchen Beleuchtungssystems eignet sich DALI (Digital Address-able Lighting Interface), ein inzwischen recht verbreitetes Protokoll zur Steuerung lichttechnischer Betriebsgeräte. Dazu zählen beispielsweise Schaltnetzteile, elektronische Vorschaltgeräte (EVG) oder Leistungsdimmer. Dient DALI bereits der Lichtsteuerung mit konventionellen Lichtquellen, fällt die Umstellung hin zum »Halbleiterlicht« recht leicht.

Kurzadressen ermöglichen es, jedes Betriebsgerät, das über eine DALI-Schnittstelle verfügt, einzeln anzusteuern. Die Adressvergabe erfolgt zum Beispiel während der Inbetriebnahme des Systems. Über einen Rundruf (broadcast) lassen sich auch gleichzeitig alle Geräte eines Systems ansprechen. Es gibt zwei Arten von Adressen, individuelle und Gruppenadressen. Per bidirektionalem Datenaustausch kann ein Steuergerät oder ein Gate-way den Status von Leuchtmitteln oder Betriebsgeräten einer Leuchte abfragen und den Zustand setzen.

DALI kann als »Inselsystem« mit maximal 64 Betriebsgeräten betrieben werden oder als Subsystem über Gateways in modernen Gebäudeautomatisierungssystemen (Bild 1).

Im Laufe der Zeit hat sich DALI als Nachfolger des »1-10-V«-Standards (Vorschaltgeräte mit 1-10-V-Schnittstelle, Bild 2) etabliert, außerdem gilt es als Nachfolger des Digital Serial Interface. Zugrunde liegt ein serielles, asynchrones Datenprotokoll mit einer Übertragungsrate von 1200 Bit/s bei einem Spannungsniveau von 16 V.

Die Steuerleitung ist galvanisch von der Netzspannung getrennt und verpolungssicher. Im Standard sind zu verwendende Stecker, Klemmen und Leitungen nicht festgelegt. Die Leitungen können in fast beliebigen Topologien, also Stern, Linien- oder Baumstrukturen, verlegt werden, eine ringförmige Verbindung ist jedoch zu vermeiden.

Die Leitungslänge zwischen zwei Systemteilnehmern ist (abhängig vom Leitungsquerschnitt) auf maximal 300 m begrenzt. Bis 100 m ist ein Mindestquerschnitt von 0,5 mm2 ausreichend, zwischen 100 m und 150 m empfiehlt der Standard wenigstens 0,75 mm2 und darüber sind mindestens 1,5 mm2 nötig.

Am Ende einer Leitung sind keine Abschlusswiderstände nötig, was eine Fehlerquelle für Störungen in der Datenübertragung ausschaltet. Jeder DALI-Kreis nimmt maximal 250 mA Strom auf, jede Last (Aktor) maximal 2 mA.

Die Spezifikation schreibt vor, dass der maximale Spannungsabfall zwischen Sender und Aktor 2 V nicht überschreiten darf. Die Isolation der digitalen Schnittstelle entspricht den Anforderungen der Basisisolierung; die Prüfung erfolgt im Allgemeinen nach dem Standard IEC 60928, obwohl für das noch junge Feld der LED-Lichtsysteme eine andere Norm diskutiert wird. Jedenfalls ist SELV (Safety Extra Low Voltage) nicht gewährleistet.

Die Verbindungsleitungen der digitalen Schnittstelle lassen sich gemeinsam mit den Netzversorgungsleitungen verlegen.

Dabei ist auf Einhaltung der Isolationsbedingungen (2 x Basisisolierung) zu achten. Häufig werden daher die beiden »freien« Leitungen eines 5 mm x 1,5 mm dicken NYM-Kabels (Standard-Stromleitung) für die Steuerleitungen verwendet, zusammen mit den restlichen Adern für Phase, Neutral- und Schutzleiter (Bild 3).

Weil die Flankensteilheit der Übertragungssignale und die Höhe der Spannungspegel begrenzt sind, gehen von den Signalleitungen keine unzulässigen Störpegel aus. Alle Betriebsgeräte in einer Anlage müssen den Bedingungen nach CISPR 15, IEC 61547, IEC 61000-3-2 und IEC 61000-3-3 in der jeweils gültigen Ausgabe entsprechen. Die Beleuchtungsschnittstelle selbst gehorcht der Normenreihe IEC 62386 (Digital adressierbare Schnittstelle für die Beleuchtung).

Für den Betrieb von LED-Modulen ist die Norm IEC 62386-207:2009-06 (Besondere Anforderungen an Betriebsgeräte - LED-Module, Gerätetyp 6) zuständig. Während sich diese IEC-Normenreihe allgemein mit digitalen Beleuchtungsbussen befasst, ist bei der US-amerikanischen NEMA (National Electrical Manufacturers Association) DALI selbst normiert.

Strom sparen?

Über analoge Eingänge an den Steuergeräten lassen sich Sensoren anschließen, was verschiedene Szenarien ermöglicht. Mit Hilfe eines Außenlichtsensors ist etwa eine tageslichtabhängige Lichtsteuerung möglich, im Inneren angebrachte Sensoren sorgen für helligkeitsabhängige Lichtregelung, Bewegungsmelder oder Präsenzsensoren können präsenzabhängig schalten, alternativ ist auch verbrauchs- oder temperaturabhängige Lichtsteuerung möglich.

Drahtlose Sensornetzwerke, die Energy-Harvesting nutzen, vermeiden lästige Verkabelungen. Bei einer tageslicht- und bewegungs-/präsenzabhängigen Beleuchtungsregelung wird das im Raum vorhandene Tageslicht bei Bedarf durch Kunstlicht aus Leuchten mit dimmbaren Reglern ergänzt. Lichtsensoren erfassen dabei das vorhandene Beleuchtungsniveau aus Kunst- und Tageslicht.

Die Leuchtengruppen werden in Abhängigkeit von der Raumtiefe und des Tageslichtangebotes so angesteuert, dass ein vorgegebenes Beleuchtungsniveau eingehalten wird. Der Nutzer hat idealerweise die Möglichkeit, seine individuell gewünschte Beleuchtungsstärke selbst zu beeinflussen. Mit einem zusätzlichen Bewegungs-/Präsenzsensor wird die Beleuchtung automatisch nur dann eingeschaltet, wenn Personen den Raum betreten oder sich im Raum befinden.

Dadurch erhöht sich das Einsparpotenzial deutlich. DALI gestattet die gruppenweise und die individuelle Abfrage von Lampenfehlern. Eine genaue Rückmeldung ist vor allem dann wichtig, wenn es aus Sicherheits- und Kostengründen auf das schnelle Lokalisieren von defekten Lampen ankommt, beispielsweise in Tunneln oder auf Flughäfen. Aber auch zum Aufspüren »unsichtbarer« Fehler eignet sich die Einzelabfrage, etwa in Tageslichtdecken, die durch transluszente Folien oder Milchglasscheiben verdeckt sind. Geeignete Steuergeräte ermöglichen auch eine Brennstunden-erfassung, was bei der Reklamation gegenüber dem Leuchtenhersteller hilft, aber auch beim planmäßigen Lampenaustausch. All das trägt, besonders beim Einsatz energieeffizienter LED-Beleuchtungen, zu einer »grünen« Lichtlösung bei.