Große Flächen beleuchten Kleine LEDs mit großer Aufgabe: Hallenbeleuchtung

Autor / Redakteur: Meinolf Gerber * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

LEDs für die Hallenbeleuchtung bieten mehr Licht und sind wartungsarm im Vergleich zu bisherigen Leuchtensystemen. In unserem Beitrag gehen wir auf notwendige Komponenten für die Beleuchtung ein.

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Herausfordernd: Eine Halle mit LEDs zu beleuchten ist noch recht selten. Voraussetzung ist ein Lichtstrom mit mehreren tausend Lumen. Einzelne LEDs kommen schnell an ihre Grenze.
Herausfordernd: Eine Halle mit LEDs zu beleuchten ist noch recht selten. Voraussetzung ist ein Lichtstrom mit mehreren tausend Lumen. Einzelne LEDs kommen schnell an ihre Grenze.
(Foto: Roman Sigaev, Shutterstock)

Hallenbeleuchtung, im englischsprachigen Raum als High Bay Lighting bekannt, ist eine herausfordernde Aufgabe und wird in der Praxis in der Regel immer noch mit Hochdruck-Metallhalogen- oder Metallhalogendampf-Lampen realisiert. Da LEDs in aller Munde sind und das Preis-Leistungs-Verhältnis zudem sehr interessant geworden ist, können auch Hallenbeleuchtungen mit LEDs ausgestattet werden. Dabei erfordert speziell dieser Anwendungsbereich die Erzeugung eines Lichtstroms mit mehreren tausend Lumen.

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Vorteile von LEDs in der Hallenbeleuchtung

Um große Hallen mit ausreichend Licht zu versorgen, muss man nicht unbedingt auf Hochdruck-Metallhalogen- oder Metallhalogendampf-Lampen zurückgreifen. Mit der Auswahl der richtiggen Komponenten und einer geegneten Konfiguration lassen sich mit Hilfe von LEDs beste Ergebnisse erzielen. Und eine auf LED-basierende Hallenbeleuchtung bietet auch in Bezug auf Wartung Vorteile. Dank der langen Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden bei L70 entfällt auf lange Sicht die Wartung der LED-Leuchten. Auch nicht zu unterschätzen ist die Begrenzung auf das sichtbare Lichtspektrum. Emissionen von ultraviolettem oder infrarotem Licht sind bei den LEDs nicht vorhanden. Das ist beispielsweise in Lagerhallen sinnvoll, da empfindliche Kunststoffe nicht ausbleichen.

Mit mehreren LEDs hohen Lichtstrom erreichen

Eine einzelne LED kommt somit schnell an ihre Leistungsgrenze. Es ergibt sich die Frage, ob und wie es mit mehreren LEDs möglich sein kann, einen ausreichend hohen Lichtstrom zu erzeugen. Eine Betrachtung des Einzelfalls ist unumgänglich, aber ein Beispiel kann wie folgt aussehen. Das System einer LED-Leuchte wird aus unterschiedlichen Komponenten zusammengestellt:

  • Die LED mit Platine
  • Optiken oder Reflektoren
  • Kühlkörper mit Thermotransfermittel
  • Stromversorgung und Steckverbinder und
  • ggfs. die LED-Treibersteuerung

Als Ausgangssystem dient eine Leuchte mit 150-W-CDM-T-Lampe. Diese liefert 10.800 Lumen bei einem Farbort von 4200 Kelvin und einem Farbwiedergabeindex (Ra) von 86. Der Ausgangswert von 10.800 Lumen ist allerdings noch kritisch zu sehen, da hierbei lediglich der Lichtstrom des Leuchtmittels betrachtet wird. In der Praxis verlässt nur ein Teil des erzeugten Lichts die Leuchte. Für den typischen Aufbau einer Hallenleuchte gilt, dass etwa 58 Prozent des Lichts dem Anwender zur Verfügung stehen. Wird dieser Faktor berücksichtigt, stehen aus einem hier berechneten System ungefähr 6250 Lumen für die Applikation zur Verfügung.

Welchen Einfluss die Linse auf die LED hat

Um die Lichtverteilung für die speziellen Anforderungen der Hallenbeleuchtung optimal zu gestalten, steht zunächst die Auswahl der richtigen Linse im Vordergrund. In der Hallenbeleuchtung werden die Leuchten so an der Decke montiert, dass ein Schachbrettmuster entsteht. Für diese Anordnung ist vom Hersteller Ledil die Linsenfamilie „High Bay“ entwickelt worden.

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Durch das quadratische Lichtfeld ergibt sich ein regelmäßiges Muster ohne Helligkeitsunterschiede. Die Optiken sind jeweils für mehrere LEDs zusammengesetzt, wodurch sich ein Preisvorteil ergibt und der Installationsaufwand reduziert wird. Für dieses Projekt wurde eine Vierfach-Optik mit 2 x 2 Linsen in quadratischer Bauform verwendet. Diese Linse hat eine Effizienz von 87 Prozent. Konkret bietet hierfür eine XT-E Optik von Cree einen sehr hohen Lichtstrom.

Die passende Konfiguration lässt sich mit dem Berechnungswerkzeug Product Characterization Tool (PCT) von Cree bestimmen. Die Temperatur in der Sperrschicht der LED wird im Betrieb mit 85 °C angenommen. Auch wenn die Praxis davon abweichen kann, so sind 85 °C ein durchaus realistischer Wert. Für die Berechnung werden zudem Gruppen von je 4 LEDs gebildet, damit diese mit den Vierfach-Clustern der Linse übereinstimmen. Die gewählte LED ist so spezifiziert, dass ein Minimum von 114 Lumen erreicht wird. In der Praxis kann der Wert aber auch höher liegen.

Spezielle Gründe für die LED-Auswahl: CRI und Lichtstrom

Hier wird jedoch mit dem Minimum weiter gerechnet. Der gewünschte Lichtstrom von 6250 Lumen wird bei allen Zeilen in der Berechnung, welche die Effizienz der Optik mit berücksichtigt, erreicht beziehungsweise etwas überschritten.

Die Konfiguration des Konstantstroms wird auf 700 mA festgelegt. Die Vorteile sind, dass die Gesamtzahl der LEDs auf 36 kommt, wodurch ein Feld von 3 x 3 Linsenclustern entsteht. Dabei ist der Aufbau des Moduls quadratisch. Mit einem Konstantstrom von 700 mA ist es einfacher, das Netzteil auszuwählen. Die Vorwärtsspannung einer Gruppe liegt bei etwas über 12 V, sodass je drei Gruppen in Reihenschaltung eine Spannung von etwas über 36 V ergeben. Auch das ist ein sehr gängiger Wert.Letztlich wird für die LEDs eine Leistung von rund 77 W benötigt. Dieser Wert liegt bei rund der Hälfte der 150-W-CDM-T-Lampe. Die LED wird idealerweise auf Metalcore PCBs verbaut.

Bei der Vorgabe durch die CDM-T-Lampe mit einem Farbwiedergabeindex (Ra) von 86 sollte schon eine ähnliche LED-Lösung zum Einsatz kommen. Hier sei erwähnt, dass bei den Herstellern der LEDs der englische Begriff des Color Rendering Index (CRI) sinngleich verwendet wird. Die LEDs im Markt liefern noch gute Lichtströme mit einem CRI von 80 als Minimum. Die XT-E kann einen Strom bis zu 1,5 A vertragen und ist bei einem Strom von 700 mA noch in einem komfortablen Bereich. Alternativ dazu kommen andere LEDs mit Maximalstrom von 1,5 A in Frage. Das sind beispielsweise die Cree XP-G oder die Osram Oslon Square, die mit einem CRI von 95 verfügbar ist.

Linsen aus der Straßenbeleuchtung beleuchten Regalsysteme

Da hier die Kosten im Vordergrund stehen, fiel die Auswahl auf die XT-E. Die Farbkonstanz über den Abstrahlwinkel ist bei ihr nicht ganz so gegeben wie bei den anderen Produkten, fällt aber in dieser Applikation nicht weiter ins Gewicht. Das Lichtspektrum einer LED ist anders und kontinuierlicher aufgebaut als das von CDM-T-Lampen, sodass sich schon mit einem kleineren CRI ein sehr gutes Farbbild gibt. Als Alternative zur reinen Hallenleuchte, die senkrecht nach unten strahlt, bietet sich noch eine zweite Variante. Hier kommen allerdings andere Linsen zum Einsatz. Äußerlich sind die Strada-Module mit den vorher genannten Modellen gleich, sie haben aber eine Charakteristik, bei der das Licht zu einer Seite gebündelt wird. Mit diesen LEDs ist ein Aufbau möglich, bei dem speziell die Wände bestrahlt werden. Das kann insbesondere für Regalsysteme interessant sein. Diese Linse wurde ursprünglich für Straßenleuchten entwickelt.

Problem Abwärme – Der Kühlkörper für die LED

Auch wenn die LEDs schon deutlich weniger Leistung benötigen, und dabei ein großer Teil der elektrischen Leistung die LED als Licht verlässt, so bleiben doch 60 bis 70 Prozent der Leistung als Wärme in der LED. Damit diese nicht den Hitzetod stirbt, ist eine Kühlung notwendig.

Es ergibt sich aus den Berechnungen eine Forderung für den Wärmewiderstand eines Kühlkörpers. Dieser sollte im Bereich von 0,5 Kelvin pro Watt liegen. Aus den Datenblättern von Kühlkörpern ist der Wert abzulesen. Hier fiel die Auswahl auf einen Fischer Kühlkörper mit der Nummer SK 510-160. Die Abmessungen sind allerdings ideal für den Aufbau der neun Linsen und ihre dazugehörigen LEDs.

Die Linsen ergeben ein quadratisches Feld von 150 mm x 150 mm, und der Kühlkörper hat dann die Abmessung von 160 mm x 160 mm. Alles in allem ein harmonisches Gesamtbild. Bei der Auswahl des Kontaktmaterials für PCB und Kühlkörper sollte je nach Oberflächengüte etwas Vergleichbares von 3M zum Einsatz kommen. Hier kommt die Produktfamilie 88xx oder 8940 in Frage.

LED-Treiber sorgt für einen kontrollierten Strom

Da die LEDs nur dann dauerhaft gute Leistung abgeben können, sobald ein kontrollierter Strom fließt und in diesem Beispiel drei parallele Pfade mit 700 mA und ca. 36,6 V vorliegen, wird hier ein zweistufiger Aufbau geplant. Im ersten Schritt geht es auf eine Konstantspannung und im zweiten Schritt auf einen Konstantstrom. Der Bedarf liegt bei > 77 W. Die nächste verfügbare Leistungsklasse ist bei 100 W.

Bei den Normen für Leuchten muss die EN61000-3-2 Class C eingehalten werden, was nur wenige Netzteile schaffen. Der LED-Driver RACD100-48 von Recom ist für Beleuchtungsanwendungen geprüft und liefert ausreichend Strom bis zu 2,1 A bei 48 V.

Um die drei LED-Pfade anzusteuern, werden drei DC-LED-Treiber mit Step-Down bei 48 V gespeist. Der Typ RCD-48-0.70 von Recom liefert einen konstanten Strom von 700 mA. Alternativ zu diesen fertigen Komponenten ist es auch möglich, eigene Schaltungen aufzubauen. Dabei kann eine höhere Effizienz des Gesamtsystems erzielt werden. Allerdings lohnt sich das nicht für kleinere Stückzahlen, da die Zulassungen aufwändig sind.

* * Meinolf Gerber ist Field Application Engineer Lighting bei Arrow Europe.

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