Besseres Licht für mehr Sicherheit Ein leistungsfähiges Konzept für LED-Straßenlampen

LED-Treiber von Elmos
LED-Treiber von Elmos

Hohe Lichtausbeute, lange Lebensdauer, hohe Effizienz bei geringem Strombedarf und die Möglichkeit zur Helligkeitsregelung lassen LEDs zu einer zuverlässigen Lichtquelle werden, die auch im Bereich der Straßenbeleuchtung die traditionellen Lichtquellen ersetzen werden. Aber der Betrieb von LEDs erfordert auch neue Technologien, um diese Vorteile richtig nutzen zu können.

In Europa ist die Straßenbeleuchtung nach EN 13201 genormt; diese Europanorm basiert im Wesentlichen auf der Norm DIN 5044. Damit werden einerseits wichtige Parameter wie die Leuchtdichte auf der Fahrbahn oder dem Fußweg, die Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte, die Beleuchtungsstärke und die Blendungsbegrenzung definiert. Andererseits wird die Auswahl der Lichtfarbe weitgehend den Behörden überlassen. Daher befinden sich noch größtenteils Lampen mit niedrigen oder mittleren Werten des Farbwiedergabe-Indexes im Einsatz, wie Leuchtstofflampen, Quecksilber- und Natriumdampflampen oder Halogen-Metalldampflampen.

Neue Erkenntnisse beweisen jedoch, dass die Lichtfarbe sowohl für die Erkennbarkeit von Personen oder Objekten als auch bei der Orientierung für Fahrzeugführer und Fußgänger bedeutsam ist. Entscheidend dafür ist die Wahrnehmbarkeit in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung und der Farbtemperatur des Lichtes. So können z.B. Objekte oder Personen im Straßenverkehr im weißen LED-Licht 1 bis 1,5 Sekunden früher erkannt werden.

Um die Sicherheit im Straßenverkehr zu gewährleisten, werden herkömmliche Leuchtmittel während ihrer Betriebszeit dann ausgetauscht, wenn sich Helligkeit und Lichtfarbe deutlich verändert haben. Dieser Austausch ist sehr aufwendig und kostspielig, denn es sind Spezialfahrzeuge notwendig und geschultes Personal. LEDs dagegen haben, wenn sie richtig betrieben werden, eine hohe Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden. Eine Kommune kann bei der Umstellung auf LED-Straßenlampen durchaus mehrere hunderttausend Euro pro Jahr sparen - die höheren Kosten für die Anschaffung amortisieren sich so in wenigen Jahren.

Weiße LEDs haben eine Flussspannung von etwa 3,2 bis 4 V, abhängig von der Temperatur und dem Strom, mit dem sie betrieben werden. Dabei erfordert die sehr starke Abhängigkeit des Durchlassstroms von der Flussspannung eine präzise Einhaltung des eingestellten Stromwertes. Das lässt sich mit Vorwiderständen gar nicht und mit linearen Reglern nur mit sehr schlechtem Wirkungsgrad erreichen. Einen Ausweg bieten Schaltregler (SMPS, Switch Mode Power Supplies), die für die Verwendung als Konstantstromregler optimiert sind.

Um eine hohe Lichtausbeute zu erreichen, werden bei Straßenlampen viele LEDs in Reihe geschaltet, wobei sich Gesamt-Betriebsspannungen der LED-Stränge von 24, 36 oder mehr Volt ergeben (Bild 1). Diese Betriebsspannungen für jeden LED-Strang einzeln aus dem Stromnetz zu erzeugen benötigt bei mehreren LED-Strängen mehrere AC/DC-Wandler mit hoch beanspruchten Komponenten wie Transformatoren, hochspannungsfesten Kondensatoren und anderen Bauteilen.

Solche Netzteile sind als PFC-Netzteile (Power Factor Correction) auszuführen, oft recht aufwendig, und sie beeinträchtigen die Zuverlässigkeit der Lampe. Sinnvoll ist daher eine Konstruktion, die mit einem DC/DC-Wandler als LED-Stromversorgung arbeitet, während die Netzspannung, falls notwendig, mit einem einzigen, auf hohe Zuverlässigkeit optimierten AC/DC-Wandler mit PFC-Eigenschaften auf das Niveau einer Zwischenkreisspannung von 12, 24 oder 36 V Gleichspannung gewandelt wird.

Bei Lampen in Parks oder weniger belebten Straßen kann die Betriebsdauer und Helligkeit der Verkehrssituation angepasst werden. Um zusätzlich Energie zu sparen, können z.B. Bewegungsmelder eingesetzt werden, was wiederum eine Kombination von Lampe, Solarzellen und Akkus zur Energiespeicherung ermöglicht. Für solche Anwendungen sind ebenfalls DC/DC-Wandler erforderlich.