Smarte Lichtsteuerung Was intelligente Komponenten in einem LED-Modul bieten

Autor / Redakteur: Lukas Joslowski * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Erst die Kombination aus einer Sensorik und einer Kommunikationsschnittstelle zum Steuern des LED-Leuchtenmoduls machen aus einem Leuchtenmodul ein smartes System. Ein Überblick.

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Smartes LED-Leuchtensystem: Funknetzteil für ein Chip-on-Board-LED-Modul im Zhaga-Standard mit Niederspannungsversorgung von 48 V.
Smartes LED-Leuchtensystem: Funknetzteil für ein Chip-on-Board-LED-Modul im Zhaga-Standard mit Niederspannungsversorgung von 48 V.
(Turck duotec)

LED-Module bestehen heute nicht mehr nur aus einer einfachen Platine mit einer mehr oder weniger großen Anzahl von LEDs und einem Anschluss für ein externes Netzteil. Es lassen sich heute schon viele zusätzliche Funktionen modular in das LED-Modul integrieren. Durch die Anpassung dieser Integration auf die gewünschte Anwendung, wird das LED-Modul zu einem Smart-Lighting-System. Ähnlich eines Blockschaltbildes können Funktionsgruppen definiert werden, die dann ein Gesamtkonzept für Beleuchtungsaufgaben und Aufgaben in der Gebäudeautomation ergeben.

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Eine Funktionsgruppe, an der viele Anwender interessiert sind, ist ein aktives Temperaturmanagement. Dabei soll das LED-Modul selbst erkennen, wenn es nicht ausreichend gekühlt wird und regelt sich selbst in der Leistung so, dass die angestrebte Lebensdauer der Leuchte weiterhin erreicht wird. Die Temperaturregelung überlagert sich in diesem Fall mit der Helligkeits- bzw. Farbsteuerung, die von extern eingestellt werden kann.

Mesh-Netzwerk in der Beleuchtung

Die Steuersignale können über unterschiedliche physikalische Schnittstellen erfolgen, wie beispielsweise die Funkschnittstelle. Unterschieden wird in Funkprotokolle, die für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung geeignet sind und in Mesh-Netzwerkfähigen-Protokollen, um ein Netz von Teilnehmern zu verbinden und zu koordinieren.

Eine einfache Bluetooth-Verbindung beispielsweise ist momentan nicht für ein Mesh-Netzwerk geeignet. Da ein Mesh-Netzwerk jedoch durch seine Flexibilität der Verknüpfungen deutlich ausfallsicherer ist und eine höhere Reichweite erreicht werden kann, wird aktiv an der Erweiterung der Spezifikation hin zu einem Mesh-Netzwerkfähigen Protokoll für Bluetooth Low Energy gearbeitet. Wird ein Mesh-Netzwerk in der Beleuchtung verwendet, übernehmen alle Leuchten eine Routerfunktion. Sie können zu jeder Zeit Funksignale von anderen Geräten innerhalb des Netzwerks weiterleiten. Dadurch wird über mehrere Leuchten ein Funkweg ausgebildet, um mit einem Internetgateway zu kommunizieren oder einfach von einem Funklichtschalter angesprochen zu werden.

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Verschiedene Steuer-Protokolle im Vergleich

Selbst die einfachste Drahtschnittstelle lässt sich smart nutzen. Hier gibt es verschiedene Verfahren und Protokolle, die speziell für LED-Module geeignet sind. Das DALI- (Digital-Addressable-Lighting-Interface-)Protokoll wird bevorzugt in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt. Hier wird das Steuersignal über zwei separate Leitungen in der 230-V-Hausinstallation übertragen. Es sind keine speziellen Leitungen mit Abschirmung oder Maßnahmen zur Störunterdrückung notwendig. Ein Nachteil davon ist die begrenzte Übertragungsgeschwindigkeit, die im Protokoll ausgeglichen werden muss. Um diesen Nachteil auszugleichen sind im DALI-Protokoll vordefinierte Lichtszenen vorgesehen, die mit nur einem Befehl abgerufen werden können. Diese Befehle bilden dann die zeitliche Änderung für diese Szenen ab.

Leitungslänge von bis zu 1,2 km

Das genaue Gegenteil wurde bei der Entwicklung des digitalen Steuerprotokolls DMX-512 angestrebt. Hier wurde Wert auf schnelle und individuelle Lichtwechsel gelegt. Basierend auf dem Physical Layer RS485 wird ein symmetrisches Übertragungsverfahren verwendet, das mit einer Ansteuerung im SELV- (Safety-Extra-Low-Voltage-)Standard arbeitet. Die Adresse der Teilnehmer wird direkt an der Leuchte eingestellt und jede Leuchte wird nacheinander an die Busleitung angeschlossen. Es müssen separate Leitungen für das Bussystem verwendet werden und die letzte Leuchte an der Busleitung mit einem Abschlusswiderstand von 120 Ohm abgeschlossen werden.

Bei einer normgerechten Leitung können so, selbst ohne den Einsatz von Leitungsverstärkern, bis zu 1,2 km Leitungslänge zwischen Sendeeinheit und der letzten von maximal 512 Empfangseinheiten verwendet werden. Die Datenrate beträgt 250 kBit/s dies ergibt eine Wiederholungsrate des Signals für jede Leuchte von etwa 44 Wiederholungen pro Sekunde. Ein Nachteil der beiden Verfahren DALI und DMX ist, dass zur Übertragung der Steuersignale eine separate Leitung notwendig ist. Hier setzen weitere mögliche Verfahren an, die die Information direkt auf die Versorgungsleitung aufprägen.

Industrieoffener Standard zum dimmen

Dazu gehört das Verfahren der LEDOTRON Allianz, die sich zur Aufgabe gemacht hat, einen neuen industrieoffenen Standard zur Dimmung von LED-Leuchten über die bestehende Gebäudeinstallation zu etablieren. Der Austausch eines Lichtschalters oder Phasen-Dimmers gegen ein LEDOTRON-Steuergerät kann ohne ein teures und aufwändiges Neuverlegen von Leitungen in Bestandsgebäuden erfolgen.

Die Besonderheit liegt darin, dass die Dimmeinheit keinen N-Leiter zur eigenen Versorgung benötigt. Die Energie für die Versorgung der Dimmeinheit wird in 2-Drahttechnik aus dem Strom der zur Leuchte fließt entnommen. Dazu wird ein kleiner Teil der sinusförmigen Versorgungsspannung ähnlich wie bei einem Phasenanschnittsdimmer angeschnitten.

In dieser kurzen Zeit steigt die Spannung an der Dimmeinheit an und wird dort so gespeichert, dass genügend Spannung für den Rest der Periodendauer zur Verfügung steht. Das Datensignal selbst wird auf die fallende Flanke der Versorgungsspannung aufmoduliert, ähnlich wie bei einer Powerlinekommunikation.

Die maximale Leitungslänge beläuft sich auf bis zu 100 m mit einer Datenrate von 200 Bit/s. Die Dimmauflösung ist auf 8 Bit festgelegt. Die Übertragung der Information zur Dimmung benötigt 80 ms, um der Leuchte zur Verfügung zu stehen. Ähnlich wie beim DALI-Protokoll können auch im LEDOTRON-Standard Leuchtengruppen gebildet oder aber alle Leuchten gleichzeitig angesprochen werden.

Modulare Komponenten, Sensoren und Funktionen

Hat sich der Leuchtenhersteller für ein Übertragungsverfahren entschieden, kann zusätzlich weitere Sensorik in das LED-Modul integriert werden. Umgebungslichtsensoren können die Leuchte dimmen, wenn die Helligkeit im Raum durch Sonneneinstrahlung ausreichend ist. Bewegungs- oder auch Präsenzmelder können die Leuchte auf eine minimale Helligkeit dimmen, sobald keine Bewegung mehr im Raum detektiert wird. Der Vorteil aller genannten Verfahren liegt darin, dass sich standardisierte Protokolle und genormte Hardware nutzen lassen. Der Anwender erhält eine große Auswahl an Produkten und der Leuchtenhersteller profitiert von der Standardisierung. Die Vorteile überwiegen gegenüber einer Insellösung.

Hier verbindet TURCK duotec verschiedene modulare Komponenten, Sensoren und Funktionen miteinander, so dass der Leuchtenhersteller ein System erhält, welches mit Hilfe von smarten LED-Modulen Licht neu definiert.

* Lukas Joslowski ist Entwicklungsleiter bei TURCK duotec in Halver.

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