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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Planung und Errichtung von LED-Beleuchtungsanlagen

Der Beitrag vermittelt Fachwissen für die Anwendungspraxis in der LED-Beleuchtung. Dazu gehören Planungsgrundlagen sowie typische technische Besonderheiten und Probleme der LED-Technik wie z. B. das Einschaltverhalten ebenso wie eine Einführung zum Aufbau eines modernen smarten Leuchtennetzwerkes und Hinweise auf Marktveränderungen, wie beispielsweise zunehmende Servicedienstleistungen der Leuchtenhersteller.

Einschaltverhalten qualitativ hochwertiger LED-Leuchten (Bild: LED-Institut Dr. Slabke)

Einschaltverhalten qualitativ hochwertiger LED-Leuchten (Bild: LED-Institut Dr. Slabke)

LED-Leuchten haben sich als Standard in der Beleuchtungstechnik etabliert. Jedoch ist die Unterscheidung zwischen guten und schlechten Produkten und technischen Merkmalen auch für den Fachmann nicht immer einfach. Die große Variabilität der am Markt befindlichen Produkte macht eine Auswahl von geeigneten Leuchten schwierig. Zur Bewertung kommen neue Kriterien hinzu, welche teilweise auch noch nicht genau quantifiziert sind. Ein Beispiel ist das Flickern [1] (engl. Begriff) von LED-Systemen [2]. Sehr häufig tritt insbesondere bei dimmbaren Retrofitlampen ein störendes Flickern auf, welches schon beim Kameramodus des Smartphones sichtbar ist und bis zur gesundheitlichen Beeinträchtigung des Menschen führen kann [3].

Aufgrund der Komplexität des Produktes ist es wichtig, dem Techniker die richtigen Bewertungskriterien an die Hand zu geben und diese klar zu definieren [4].

Planungsgrundlagen

Die Anwendung und der Ort bestimmen im Wesentlichen die Parameterwahl der LED. Typische Anwendungsbereiche sind beispielsweise die Beleuchtung von Lagerhallen, Büros, in Verkaufsräumen oder im Privatbereich. Je nach Anwendung und Art der Sehaufgabe treten bestimmte Parameter in den Vordergrund. Im Büro wird auf eine möglichst blendfreie und sehleistungsoptimierte Beleuchtung für die Mitarbeiter Wert gelegt. In Verkaufsräumen, z. B. in einer Backzone, ist eine hohe Farbwiedergabe im roten Bereich wichtig, um die Ware ansprechend und frisch erscheinen zu lassen [5]. Im Privatbereich spielt die Lichtfarbe eine wichtige Rolle, da hier meist „gemütliches“ Licht bevorzugt wird. So werden im Privatbereich eher LED-Leuchten mit einer warmweißen Lichtfarbe unter 3 000 K eingesetzt [6].

Es sind aber auch einige technisch-physikalische Kriterien notwendig, um die allgemeine Qualität einer LED-Leuchte zu bestimmen. Dazu zählen beispielsweise die Effizienz, die Lebensdauer und das Binning, die sogenannte Klasseneinteilung einzelner LEDs nach kleinen Farbunterschieden. Diese Kriterien sollten bei einer guten LED-Leuchte unabhängig von der Anwendung einen gewissen Stand der Technik erreichen. Leider hat die Weiterentwicklung der Technik noch eine hohe Dynamik. Das Binning tritt zunehmend in den Hintergrund, während die Preise in Richtung Preisneutralität zur konventionellen Technik gehen. Die Effizienz im Büro mit über 150 lm/W ist heute schon sehr hoch. Die Zuverlässigkeit der Produkte wird immer besser, die Angaben der Hersteller damit belastbarer. LED-Leuchten zeigen aufgrund der fortschrittlichen Technologie neue Fehlerbilder. Diese Fehlerbilder richtig zu beurteilen, erfordert auch ein weiterentwickeltes gezieltes Fachwissen.

Bei der Planung von Neuanlagen ist eine Zusammenarbeit mit professionellen Planern wichtig, da hinsichtlich der Anlagenauslegung, insbesondere für die Auslegung der Schalt- und Schutzgeräte, technisches Know-how gefragt ist. So sollte das Wissen über mögliche Fehlerbilder vorhanden sein und das notwendige Wissen, welches sich in der modernen LED-Technik sehr dynamisch entwickelt, vertieft werden.

Einige typische technische Probleme der LED-Leuchte

Die möglichen Fehlerbilder von LED-Leuchten sind vielfältig. Eine einfache Fehlfunktion der Lampe und den damit einhergehenden Ausfall einer Leuchte wie früher gibt es nicht mehr.

Eines der neuen Fehlerbilder ist der Lichtstromrückgang, auch Degradation genannt, was daher resultiert, dass einzelne LEDs oder komplette LED-Segmente über ihre Lebensdauer ausfallen oder an Lichtstrom verlieren. Gute LED-Leuchten erreichen einen Lichtstromrückgang von nicht mehr als 30 % bei 50 000 Stunden. Es werden für Industriebetriebe mit mindestens 2-Schichtbetrieb auch 100 000 Stunden verlangt. Aufgrund von technischen Unzulänglichkeiten der Hersteller, gerade bei billiger Importware, kommt es vor, dass stärkere Lichtstromrückgänge auftreten. Die Messung und Dokumentation festgelegter Referenzpunkte im Gebäude mit geeigneten Messgeräten in Bezug auf die Beleuchtungsstärke ist hier hilfreich [8].

Auch ein Chipausfall der LED ist ein möglicher Fehlerfall. Die Ausfallraten einer LED sind extrem niedrig. Wenn dies in einem Projekt häufiger vorkommt, hat das verwendete Produkt meistens erhebliche Qualitätsmängel. Fällt eine einzelne LED aus, kann dies Einfluss auf den Ausfall eines kompletten Clusters/Segments haben. Je nach Verschaltung, in Reihe oder parallel, kann dann ein ganzes Segment ausfallen, da in diesem Fall die LED hochohmig wird. Ein ähnliches Phänomen kennt man von der Lichterkette, wenn man eine Lampe entfernt. Im niederohmigen Ausfall der LED leitet diese den Strom, aber es wird kein Licht erzeugt. Am folgenden Beispiel sieht man einen 50-%-Lichtstromrückgang der Leuchte in der Abbildung links, rechts fällt nur 1/6 des Lichts aus.

Einschaltverhalten

Für die Verschaltung von LED-Leuchten ist auch das Einschaltverhalten wichtig. LED- Vorschaltgeräte in den Leuchten können sehr hohe Einschaltströme verursachen. Dieser sogenannte Inrush Current (engl. Begriff) ist zurückzuführen auf den EMV-Filter im Eingangsbereich und das Aufladen der Kondensatoren des Vorschaltgeräts. Dieser Effekt ist auch abhängig von den Kapazitäten der Leitungen, der Anzahl der Leuchten und vom Schaltmoment [9]. Die Ströme von LED-Leuchten und deren Vorschaltgeräte in einem Versorgungsstrang können sich addieren und einen hohen Einschaltpeak erzeugen.

Je nach Phasenlage der Speisespannung fällt die Stromspitze dabei höher aus. Die 90°-Lage des Schaltimpulses ist der ungünstigste Zeitpunkt bezüglich der Einschaltstromspitzen.

Diese starken Ströme können zu einer Beschädigung der Leitungen und Betriebsmittel wie LED-Module führen. Es werden in der Industrie deshalb teils Vorschaltgeräte eingesetzt, die im Nulldurchgang schalten. Bei großen Leuchtengruppen in einem Strang kann der hohe Einschaltstrom dazu führen, dass der in der Elektroinstallation befindliche Leistungsschutzschalter (LS) ungewollt auslöst. Gute LED-Leuchten zeigen ein rampenförmiges Einschaltverhalten und einen stabilisierten Ausgangsstrom mit geringen Rippeleigenschaften (Bild). Zur Vermeidung der Auslösung des LS geben die Hersteller in den Produktdatenblättern der LED-Betriebsgeräte Hinweise zur zulässigen Anzahl ihrer Betriebsgeräte für den Anschluss an den LS unterschiedlicher Strombelastbarkeit und Spezifizierung der magnetischen Auslösung. In der Industriebeleuchtung wird für Beleuchtungsgruppen der Einsatz von C-Automaten empfohlen. Die Anzahl der Leuchten am Automaten muss dann mit dem Datenblatt der Leuchte ermittelt werden [10].

Transiente Überspannungen

Transiente Überspannungen im Versorgungsnetz entstehen durch elektrostatische Entladungen, Abschalten von Verbrauchern, Schaltfunken an Schaltkontakten oder durch Blitzeinschlag in der unmittelbaren Umgebung. Sie können auch von benachbarten Störquellen kapazitiv oder induktiv in Versorgungs- oder Signalleitungen eingekoppelt werden.

Transiente Überspannungen treten oft für den Verbraucher willkürlich nur für wenige Mikro- oder Nanosekunden auf, können aber zur Fehlfunktion und Zerstörung der Vorschaltgeräte führen oder LEDs durch mikroskopische thermische Überlastung zerstören [11]. Qualitativ hochwertige Vorschaltgeräte haben eine Reihe von Surgetests (Stoßspannungsprüfungen) durchlaufen. In der Straßenbeleuchtung werden in blitzaktiven Bereichen Überspannungsschutzeinrichtungen im Kabelübergangskasten eingesetzt. Leuchtenhersteller bieten auch zusätzliche Komponenten in der Straßenleuchte an. Heutige gute Straßenleuchten haben einen 10-kV-Schutz und sind deutlich unempfindlicher gegenüber Transienten-Effekten geworden.

Literatur: [1] DIN EN 61000-3-3 (VDE 0838-3):2014-03: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 3-3: Grenzwerte – Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzen für Geräte mit einem Bemessungsstrom ≤ 16 A je Leiter, die keiner Sonderanschlussbedingung unterliegen.
[2] DIN EN 61000-4-15 (VDE 0847-4-15):2011-10: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 4-15: Prüf- und Messverfahren – Flickermeter – Funktionsbeschreibung und Auslegungsspezifikation.
[3] www.derlichtpeter.de/de/lichtflimmern sowie
[4] der Kommentar unter: www.eup-network.de/fileadmin/user_upload/Lichtquellen_Flimmern_Erwin_2017_10_DE.pdf.
[5] Slabke, U.: LED Beleuchtungstechnik. Berlin: VDE Verlag, 2018.
[6] Kramer, H.; von Lom, W.: Licht. Köln, Verlagsgesellschaft R. Müller, 2002.
[7] Brandi, U.; Geissmar-Brandi, C.: Lichtbuch. Basel, Birkhäuser Verlag für Architektur, 2001.
[8] Baer, R.; Barfuß, M.; Seifert D.: Beleuchtungstechnik – Grundlagen. Hrsg.: LiTG Deutsche Lichttechnik Gesellschaft e.V. Berlin: Huss-Medien, 4. Aufl. 2016.
[9] www.zvei.org/verband/fachverbaende/fachverband-licht/leitfaden-planungssicherheit-in-der-led-beleuchtung-ueberarbeitete-2-ausgabe/
[10] Kenner, M.: Oberschwingungen und Netzrückwirkungen von LED-Beleuchtungen. Basel: Vortrag LED Forum 2018.
[11] www.docs.lighting.philips.com/en_gb/oem/download/assets/20160615_Xitanium-Outdoor-LED-drivers.pdf

Autor: U. Slabke

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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