Stromversorgungen in der Beleuchtungstechnik Für jedes Licht der passende Strom

Ob Natriumdampflampen, Halogen- oder LED-Beleuchtung: Eine Stromversorgung ist zu ihrem Betrieb immer erforderlich. Aber welche Stromversorgungen werden für welches Projekt benötigt? Welche Sicherheitsvorschriften gibt es zu beachten? Und welche Prüfzeichen, Zertifizierungen und UL-Klassen spielen eine Rolle? Ein Überblick.

Seit der Erfindung der Glühlampe im 19. Jahrhundert hat das elektrische Licht den Rhythmus unseres Lebens massiv verändert. Licht ist dadurch jederzeit verfügbar, eine der Voraussetzungen für industrielle Produktivität und für viele private Freiheiten. Aber von den ersten Glühfadenlampen ist, technisch betrachtet, nicht viel übrig geblieben - sogar die direkten Nachfahren von Edisons Kohlefadenlampen, die noch vor wenigen Jahren allgegenwärtigen Glühlampen, sind per EU-Dekret dem Aussterben geweiht.

Heute ist die Entwicklung im Bereich der Lichttechnik geprägt von dem Bestreben, aus der hineingesteckten elektrischen Energie immer mehr Licht herauszuholen, beziehungsweise davon, für eine vorgegebene Beleuchtungsstärke mit immer weniger Energie auszukommen. Die schlechte Effizienz der Glühlampe hat neben ihrer begrenzten Lebensdauer zu einer Ausdifferenzierung in der Beleuchtungstechnik geführt.

Längst nicht alle Leuchtmittel lassen sich dabei direkt an das Stromnetz anschließen. Hoch- und Niederdruck-Entladungslampen, Halogenlampen und natürlich die von der Industrie als Hoffnungsträger gepriesenen LEDs und OLEDs begnügen sich nicht einfach mit der Zuführung einer geeigneten (Wechsel-)Spannung. Zumindest - im Fall etwa der Niedervolt-Halogenlampe - wird ein Transformator benötigt.

Bei LEDs ist eine Konstantstromquelle erforderlich, die in der Praxis häufig noch mit weiteren Funktionen ausgestattet ist. Manche Lampenarten, etwa bestimmte Niederdruck-Entladungslampen, benötigen eine Art Ablaufsteuerung: Zunächst werden die Elektroden über Glühdrähte vorgeheizt. Zugleich wird die Spannung an der Entladungsstrecke hochgefahren, bis die Entladung eintritt - die Lampe leuchtet. Während des Entladungsvorgangs steigt der Strom an und wird ab einem bestimmten Wert durch einen Vorwiderstand begrenzt - das ist notwendig, weil die Gasentladungstrecke einen sehr niedrigen Widerstand aufweist und die Lampe sonst einen schnellen Wärmetod sterben würde.

Gegebenenfalls wird die Wechselspannung zur Versorgung der Lampe noch durch einen Gleichrichter geschickt; typischerweise verwendet man hier einfache Halbbrückenschaltungen. Etwas mehr Aufwand verlangen Hochdruck-Entladungslampen. Die Erzeugung von Licht folgt zwar dem gleichen Prinzip wie bei Niederdruck-Entladungslampen, aber die Betriebsspannung liegt hier im Kilovoltbereich. Sobald die Entladung stattgefunden hat, wird der Strom auf ein verträgliches Maß begrenzt. Zusätzlich sind bei diesem Lampentyp meist Maßnahmen erforderlich, um die elektromagnetische Abstrahlung über die Versorgungsleitung zu reduzieren.

Zudem sind oft Vorrichtungen notwendig, die eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Lampe sicherstellen. Diese Art von Lampen weist zudem eine Besonderheit auf: Durch Modulieren des Betriebsstroms lässt sich die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts - also dessen Farbe - verändern. Dafür mag es interessante Anwendungen geben, doch hat diese Besonderheit auch eine Schattenseite: Hochdruck-Ent-ladungslampen lassen sich nur schwer dimmen, beim Herunterregeln der Helligkeit verfärbt sich das Licht ins grünliche. Weil Hochdruck-Entladungslampen stark in der Straßenbeleuchtung verbreitet sind, war dort Dimmen bisher auch kein Thema - mit den jetzt zunehmend populären LED-Leuchten könnte sich das aber ändern.

LEDs benötigen ausgefeilte Netzteile

Leuchtdioden (LEDs) erobern wegen ihrer hohen Energieeffizienz und ihrer überlegenen Lebensdauer gegenwärtig den Markt.

Im Gegensatz zu anderen Techniken benötigen LEDs aber relativ ausgefeilte Netzteile. Sie benötigen Konstantstromquellen, das heißt, der Strom muss elektronisch auf einen Wert begrenzt werden, der einen thermischen »Selbstmord« der LED verhindert (Bild 1).

Ein konstanter Strom ist auch deshalb notwendig, weil sich mit dem Strom die Lichttemperatur ändert. Einen Sonderfall innerhalb der wachsenden Gruppe der LED-Beleuchtungen stellen die Retrofit-Lampen dar. Sie sind dazu konstruiert, Glühlampen oder CFL-Lampen (Leuchtröhren) direkt zu ersetzen, wobei sie den gleichen Sockel und die gleiche Wechselspannungsversorgung nutzen.

Da sich LEDs aber nicht direkt am Wechselstromnetz betreiben lassen, sind die entsprechenden elektrischen Schaltkreise sowie deren Entwärmungsvorrichtungen (Kühlkörper/Lüfter) im Sockel der Lampe unterzubringen. Dies bringt jedoch gewisse konstruktive Einschränkungen mit sich. Oft lässt sich damit nicht das ganze Potenzial der LED-Lampe im Hinblick auf Energieeffizienz und Helligkeit ausschöpfen.

Preisliche Überlegungen ebenso wie die räumliche Begrenzung sind der Grund, warum bei Retrofit-Bauformen häufig eine sehr einfache Stromversorgung zum Einsatz kommt, die lediglich aus einem Brückengleichrichter und einer Reihe passiver Bauelemente besteht. Sie bietet einen relativ hohen Wirkungsgrad, erlaubt aber nicht ohne weiteres das Dimmen der mit ihr verbundenen LED-Anordnung.

Um eine LED-Leuchte im optimalen Arbeitspunkt zu halten und auch um sie zu dimmen, ist grundsätzlich ein Schaltnetzteil erforderlich. Diese Netzteile stellen möglichst verlustarm konstante, stabile Spannungen und Ströme bereit. Ist dem Schaltnetzteil ein gängiger Triac-Dimmer vorgeschaltet, der mit Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung arbeitet, so muss dieses Signal decodiert und in einen entsprechend verringerten oder erhöhten (bis zum maximalen) Ausgangsstrom umgesetzt werden. Das ist schaltungstechnisch auf den ersten Blick nicht sehr kompliziert, doch die Tücken stecken im Detail.

Beispielsweise stellt das Gebilde aus Schaltnetzteil und LED im Gegensatz zu einer Glühlampe keine ohmsche Last dar, sondern enthält induktive Anteile, die zu kompensieren sind. Dadurch sinkt in der Regel der Wirkungsgrad. Zudem kommt es bei solchen Konstellationen nicht selten zu Flackererscheinungen aufgrund von Triac-Fehlzündungen. Das ist begründet durch den im Vergleich zu Glühbirnen viel niedrigeren Strom durch die Lampe - wir haben es bei den Retrofits ja mit einem Dimmer zu tun, der für die wesentlich höhere Leistung der Glühlampe ausgelegt ist. Jüngste Entwicklungen der Halbleitertechnik lassen allerdings auf baldige Abhilfe hoffen.

Schaltnetzteile eignen sich am besten

Aufgrund der genannten Einschränkungen können LED-Beleuchtungen ihre Vorzüge im Grunde nur in Verbindung mit dedizierten und für diese Art von Verbrauchern optimierten Schaltnetzteilen zur Geltung bringen. Moderne Geräte wie diejenigen des in Taiwan ansässigen Herstellers Mean Well (Vertrieb: Emtron electronic) sind zudem mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ausgestattet, welche die Effizienz des Schaltnetzteils weiter verbessert.

Der Großteil der Modelle des Herstellers ist mit Eingängen für einen Steller ausgestattet und lässt sich sowohl über ein externes Potentiometer als auch über eine Steuerspannung oder gar über ein PWM-Signal ansteuern. Während bei den vorhandenen analogen Schnittstellen auch die Verbindung zur digitalen Welt einfach auszuführen ist, wenn auch nur über den Umweg entsprechender Analog-Aktoren, erhalten neu entwickelte Geräte eine direkte, integrierte Busschnittstelle.

Besonders die in der Lichttechnik sehr verbreitete DALI-Schnittstelle spielt hier eine Rolle; auch Emtron setzt auf diese Technik und plant, sie in naher Zukunft in seine Geräte zu implementieren. Darüber hinaus sind manche dieser Schaltnetzteile in der Lage, die von Phasenan- und -abschnittsdimmer vorkonditionierte Eingangsenergie entsprechend umzusetzen. Mit modernen Schaltnetzteilen lassen sich heute Wirkungsgrade von über 90% erzielen.

Einen weiteren Schub zur Verbesserung der Energieeffizienz - und damit zur Reduzierung der Verluste - erhoffen sich die Ingenieure von Schalttransistoren auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Diese Entwicklung steht allerdings noch ganz am Anfang. Im unteren und mittleren Leistungs-bereich setzt sich ein Trend zu Stromversorgungen durch, deren Charakteristik sich mittels Kodierschaltern an das jeweilige Leuchtmittel anpassen lässt. Damit ist es möglich, mit einem Netzteil ganz unterschiedliche LEDs oder auch Gruppen von LEDs anzusteuern.

Ein weiterer erkennbarer Trend ist die Entwicklung von LED-Konstantstromquellen, die unabhängig von der benötigten Spannung bereits ab wenigen Millivolt bis hin zur jeweiligen Nennspannung einen konstanten Ausgangstrom zur Verfügung stellen. Das macht den Anwender oder Systemintegrator unabhängig von der jeweiligen Vorwärtsspannung der LED oder der LED-Gruppe.

Die früher bekannten Effekte beim Unterschreiten der Spannungsgrenzen des Konstantstrombereichs, etwa die notorischen Flackererscheinungen beim Dimmen, gehören so der Vergangenheit an. Beispiele für solche Geräte sind die Mitglieder der »HLG«-Serie von Mean Well für den in der Praxis oft benötigten Leistungsbereich zwischen 100 W und 185 W.

OLED-Beleuchtungen gelten als eine der zukunftsträchtigsten Beleuchtungstechniken - sie bieten Designern aufgrund ihrer flächigen Ausführung zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten. Hinsichtlich ihrer Anforderungen an die Energieversorgung unterscheiden sie sich nicht wesentlich von den konventionellen LEDs. Die Entwicklung ist allerdings noch nicht abgeschlossen und die Marktdurchdringung steht erst am Anfang. Speziell auf den Einsatz von OLEDs optimierte Stromversorgungen sind daher noch nicht im Handel erhältlich.

Wichtige Hinweise für die Auswahl der passenden Stromversorgung für ein Beleuchtungsprojekt liefern die Zertifizierungen und Prüfzeichen. Sie geben Auskunft darüber, für welche Umgebungen und nach welchen Kriterien ein Gerät geprüft ist. Die wichtigsten Vorschriften für den deutschen Markt findet der Fachmann in der DIN EN 90598-2-xx. Diese Normen, insgesamt mehrere Dutzend, enthalten im Detail die Regeln, denen die Leuchten und ihre Stromversorgung genügen müssen. Das Regelwerk ist sehr differenziert und berücksichtigt auch ausgefallene Anwendungen.

Zertifizierungen und Prüfzeichen

Die Einhaltung dieser Vorschriften wird von entsprechend zertifizierten Prüfinstituten wie etwa TÜV oder Dekra überwacht und bescheinigt. Die Beschaffenheit von LED-Leuchten ist in der DIN EN 62031 (LED-Module für Allgemeinbeleuchtung - Sicherheitsanforderungen) beschrieben, die Vorschaltgeräte und Treiber sind in den DIN EN 61347-2-13 und in der DIN EN 61347-2-xx geregelt. Des Weiteren werden auch Geräte nach der Haushaltsnorm EN 60335 angeboten (siehe Tabelle 1).

 
Taiwan
China
EU
Nord-
amerika
Anmer-
kungen
Normen
für die
LED-Strom-
versorgung
CNS 1517A,
C4499,
IEC 62384
GB19510.1EN 61357-1,
EN 61357-2-13
UL 8750,
UL 1310 class 2,
UL 60950-1
(Stromversor-
gung), UL 1012
(System)
hauptsächlich
EN 61357-
2-13 (USA
hauptsächlich
UL 1310 class 2)
Normen fürs
Beleuchtungs-
system
CNS 15015,
C4500,
CNS 14335
GB19510.1,
GB19510.2
bis 13,
GB7000.1
bis 18
EN 61357-1,
EN 61357-2-2
bis 12,
EN 60598-1,
EN 60598-2-2
bis 24
UL 1310,
UL 90950-1
(Stromversor-
gung), UL 1012
(System), UL 48,
UL 65, UL 588,
UL 1598, UL 879
(SAM list)
hauptsächlich
EN 61357-1 und
EN 60598-1
(außer USA)
Straßen-
beleuchtung
CNS 15233,
CNS 9118
GB7000.5EN 60598-2-3UL 8750, UL 1598hauptsächlich
EN 60598-2-3
geforderte
IP-Schutzart

IP65 (Strom
versorgung
IP54)

IP55
IP55
UL 50,
NEMA 3x bis 4x
>IP55
andere Anfor-
derungen
  MM- und F-
Kennzeichen,
SELV
SAM list
 
Tabelle 1: Zertifizierungen und Prüfzeichen stellen sicher, dass die Stromversorgungen den jeweiligen Anforderungen genügen.