LED 4.0
Digitalisierung von Schaltnetzteilen in der Beleuchtung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
LED 4.0, die Digitalisierungs-Umsetzung in der Beleuchtung
In der Beleuchtungsindustrie vollzieht sich ein grundlegender Wandel von lichtgebenden, designgeprägten Leuchten in eine Welt der vernetzten und intelligenten Systeme mit LED-Technologie – eine herausfordernde Aufgabe. In einer Dekade haben sich die Lichtquellen komplett gewandelt. Die Möglichkeiten der Leuchten und auch die Ansprüche des Marktes führten zu einem radikalen Umdenken der Hersteller und auch der Anwender. Neben dem Design ist heute die Elektronik mit all ihren Facetten entscheidend für den Markterfolg.
Geprägt wird die Intelligenz und Steuerbarkeit der Leuchten von den verwendeten Stromversorgungen. In den Treibern werden die Signale verarbeitet, um die Lichtquellen im Netz der Anwendung flexibel zu versorgen. Dabei ist die Vielfalt der auf dem Leuchtenmarkt verbreiteten Ansteuerungen groß. Zu den Bekanntesten zählen DMX, WiFi, DALI, 1…10 V – eine Vielfalt, die es den Herstellern der LED-Treiber nicht ganz leicht macht, für den breiten Markt der Anwendungen die passenden Schnittstellen zur Verfügung zu stellen.
Für die Treiberhersteller bedeutet das, sie müssen den Weg der Digitalisierung über die Anwendung in die Treiberarchitektur zwingend gehen, damit die unterschiedlichen Marktanforderungen umsetzbar sind und bleiben.
Welche Vorgehensweise zur Umsetzung der Kundenbedürfnisse bei exscitron beschritten wird, zeigt das Beispiel des Produkts PSU-0164-09. Im Pflichtenheft stand die Aufgabe, eine mehrkanalige Stromversorgung für einen ungefähr 300 W großen wie auch für einen kleineren Gebäudestrahler mit etwa 150 W zu entwickeln. Beide sollten im Stande sein, Fassaden beachtlicher Ausmaße über RGBW-Lichtquellen (rot, grün, blau, weiß) farbig auszuleuchten.
Erst auf den zweiten und dritten Blick wurde den exscitron-Entwicklern klar, dass es bei diesem Entwicklungsprojekt mehrere Herausforderungen gleichzeitig zu meistern galt. Da war die Gestaltung einer kompakten Netzteiltopologie zur mehrkanaligen Lichtfarben-Steuerung für zwei unterschiedliche Leuchten einerseits und andererseits ein eng bemessenes Projektbudget, das für die Entwicklungsaufgabe einzuhalten war.
Entwicklungsaufträge für Pilot-Projekte wie jenes Flächenstrahler-Projekt gehen meist einher mit einem relativ eingeschränkten Produktionsvolumen des serienreifen Schaltnetzteils. Schlägt man die fixen Entwicklungskosten auf die Stückkosten je produziertem Schaltnetzteil um, können Kleinserienproduktionen für einen Hersteller schnell unrentabel erscheinen. Manchmal werden dann Entwicklungsaufträge für durchaus marktfähige Innovationen bereits im Stadium der Projektkostenkalkulation vom Auftraggeber wieder verworfen.
Im Zuge des Vorhabens, Schaltnetzteile in Kleinserien, für unterschiedliche Leuchten und mit ähnlichen lichttechnischen Anforderungen parallel zu entwickeln, entstand die erste modular aufgebaute, in Master-Slave-Manier skalierbare Basisentwicklung von exscitron.
In diesem Projekt wurde somit der Grundstein für eine Entwicklungsprogrammatik gelegt, bei der Schaltnetzteile für kundenindividuelle Leuchtenprojekte in höchstem Maße anwendungsspezifisch entwickelt werden. Sie setzen aber auf bewährten und patentierten exscitron-Technologie-Modulen auf. Eine Programmatik, die nicht nur kosteneffizient, sondern auch aus Perspektive der Qualitätssicherung, der Prüf- und Zertifizierungsanforderungen sowie der Reduzierung der Projektlaufzeit enorm wertschöpfend ist.
Eine kompakte Bauweise mit hoher Effizienz und einer Vielzahl von Steuerungsmöglichkeiten für die unterschiedlichsten Anwendungsfelder in offener Bauform oder mit einem IP65-Gehäuse versehen, das waren die Grundanforderungen für die anstehende Produktentwicklung. Alle vier Ausgänge unterschiedlich regelbar, darüber hinaus sollten sie flickerfrei und parallelschaltbar sein. Dazu kamen noch eine maximale Anzahl von am Netz gleichzeitig zuschaltbaren Geräten, die auch bei einem Netzunterbruch nicht zu einem Sicherungsfall führen durften, und natürlich eine geringe EMV-Emission.
Ohne Zwischenkreis-Elektrolytkondensator auskommende LED-Treiber haben quasi keinen Einschaltstrom – eine besonders von den Kunden geliebte Eigenschaft. Zudem verlängert sich dadurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Über einen Single-Stage-Resonanzwandler mit folgendem Strom-Splitter werden die vier Ausgänge erzeugt. Ihre Aufteilung und Regelung erfolgt durch eine patentierten Splittertechnologie, die eine marktführende Effizienz von 98 Prozent Wirkungsgrad zur Folge hat, was wiederum zu einem Gesamtwirkungsgrad des Treibers von nahezu 93 Prozent führt.
Für die Aufbereitung der verwendeten digitalen Regelung und Ansteuerung der Leistungselektronik wurde ein Mikrocontroller verwendet. Doch die netzteilspezifischen Analogkreise, Filterbausteine und Leistungselektronik-Komponenten sind auch bei Verwendung eines Mikrocontrollers nicht ersetzbar. Jedoch erlaubt die Programmierung des Mikrocontrollers eine Vielzahl von Möglichkeiten, ohne die Hardware ansonsten zu verändern. Damit wird die Modularität deutlich verbessert.
Über eine Ripple-Cancelation wird die bei Single-Stage-PFC-Konzepten unvermeidliche 100-Hz-Restwelligkeit energieeffizient mit einer Reduzierung der Effizienz von nur ca. 1 Prozent herausgefiltert. Diese dynamische Regelung passt sich der selbst einstellenden Ausgangsspannung an und damit wird die Verlustleistung nie größer.
In puncto Ansteuermöglichkeiten reichen die Möglichkeiten von DALI (Device-Type 8) über DMX (512 und RDM), bis zu 1…10 V, Zigbee-Port und Phasendimmung. Diese nicht ganz einfach umsetzbaren multifunktionalen Möglichkeiten erforderten zwei weitere Mikrocontroller mit entsprechender Beschaltung. Eine Master-Slave-Funktionalität für große Leuchten-Netze mit entsprechender Zuordnung ist natürlich ebenfalls vorhanden. Somit ist die Erweiterung von 150 W auf 300 W mittels zweier Treiber recht einfach umsetzbar und es wird nur eine Ansteuerung benötigt.
Exscitrons ebenfalls patentierte Standby–Funktionalität reduziert die Verlustleistung des Treibers im Standby-Betrieb auf weniger als 0,5 W – eine nicht zu vernachlässigende Größe, da die Applikationen fast ausschließlich eine externe Steuerbarkeit beinhalten und sich die Treiber dauerhaft, auch ohne Licht aus den Leuchten, am Netz befinden.
Ein interner Temperaturschutz reduziert den Ausgangsstrom, sobald dieser einen kritischen Wert erreicht. Ergänzend ist eine Schnittstelle vorhanden, über die eine externe Temperatur, etwa der Leuchte, ausgewertet werden kann und gegebenenfalls die Leistung dann zu reduzieren ist.
Sämtliche Steuersignale werden analog aufbereitet und anschließend digital weiterverarbeitet. Insbesondere beanspruchen die sehr komplexen Bedingungen, die DALI DT8 zu programmieren und die Ergebnisse zu testen, einen sehr hohen Aufwand, welcher sich über ein Projekt alleine nicht abbilden lässt. Mit etwa zwei Jahren Entwicklungsleistung hierzu und der Investition in einen DALI-Tester konnten exscitron und inpotron Schaltnetzteile ihre „Hausaufgaben“ jedoch schon vorher erledigen, sodass die Anstrengungen bei dem jetzigen Produkt schnell zu einem Ergebnis führten.
Die Symbiose von Digitaltechnik, analogen Schaltkreisen und Leistungselektronik war sowohl Herausforderung als auch die einzige Chance, das Projekt umzusetzen. Damit lag der Schlüssel zum Erfolg darin, über den Ansatz der Modularität bestehende Konzepte und Elemente zu integrieren und die Digitalisierung als wertvolle Gestaltungsplattform der diversen Steuerungsanforderungen zu adaptieren.
Die beim PSU-0164-09 gewonnenen Ergebnisse waren auch in Folgeprojekten über den modularen Ansatz einsetzbar. Im nächsten Schritt soll die Anzahl der Mikrocontroller verringert werden. Die beiden Unternehmen wollen sie durch ein leistungsstärkeres Modell ersetzen, das die Aufgaben von zwei und zudem noch einige bisher analog ausgeführte Schaltungselemente übernehmen kann. Zwar ist der Weg zur Volldigitalisierung nur im abgegrenzten Regel- und Steuerbereich machbar, dort jedoch keine Zukunftsvision mehr, sondern eine zeitgemäße Umsetzung der LED-Treiber für die Leuchtenindustrie auf dem Weg zu LED 4.0.
- Digitalisierung von Schaltnetzteilen in der Beleuchtung
- LED 4.0, die Digitalisierungs-Umsetzung in der Beleuchtung
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Wissenschaft
Bayern bündelt Forschung zu Digitalisierung
Powerbox
LED-Stromversorgungen für Stadion und Kopfsalat
120- bis 960-W-Stromversorgungen
Hutschienen-Netzteile von Recom für 2- und 3-Phasen-Betrieb
Bauteilverknappung bei Stromversorgung
Euphoriebremse Zuliefermarkt
Stromversorgungsbranche: Premium-Fees
Wer es schneller will, muss zahlen
