Würden alle Lampen auf LEDs umgestellt, ließe sich der für die Beleuchtung benötigte Strom fast halbieren.

Bild: iStock, Romolo Tavani

Energieeffiziente intelligente LED-Beleuchtungssysteme Licht für die Welt

14.03.2018

Mit fortschrittlichen Halbleitertechnologien lassen sich LED-basierte intelligente Beleuchtungen nicht nur leicht umsetzen – sie werden dadurch auch effizienter, kleiner und kostengünstiger. Damit lassen sich Lichtlösungen in unserem Arbeits-, Wohn- und Lebensumfeld deutlich verbessern und gleichzeitig zig Milliarden Kilowattstunden Energie einsparen.

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Wie wichtig Beleuchtung für uns ist, belegt eine Schätzung der US Energy Information Administration (EIA) eindrucksvoll: Um unsere Häuser zu beleuchten, verbrauchen wir die gleiche Menge an Energie wie für Kochen, Computer, Wäschewaschen und -trocknen gemeinsam – 129 Milliarden kWh, das entspricht 9 Prozent des Gesamtverbrauchs! Ein großer Teil dieser Energie verpufft jedoch ungenutzt, da Glühlampen äußerst ineffizient sind und nur etwa 5 Prozent der aufgenommenen Leistung in Licht umwandeln. Der Rest geht als Abwärme verloren. Wenn wir effizientere Leuchtmittel auf LED-Basis – mit einem Wirkungsgrad von nahezu 50 Prozent – verwenden würden, ließe sich der für die Beleuchtung benötigte Strom um etwa 40 Prozent verringern. LEDs bieten grundlegende Verbesserungen gegenüber Glühlampen: weniger Stromverbrauch, höhere Lichtausbeute und eine geringere Wärmeentwicklung.

Florierender LED-Markt

Die florierende Baubranche ist ein wesentlicher Treiber für das Wachstum im LED-Beleuchtungsmarkt: Nach Ansicht des Marktforschungsunternehmens Research & Markets macht sie den größten Teil des Marktes aus. Aber auch dem Nachrüsten herkömmlicher Beleuchtung kommt eine wichtige Bedeutung zu. Analysten gehen sogar davon aus, dass das Nachrüsten bis 2023 der am schnellsten wachsende Bereich sein wird. Den meisten Umsatz generiert derzeit Innenbeleuchtung für Wohnungen, Betriebe, öffentliche Gebäude und Büros. Dafür wächst Außenbeleuchtung am schnellsten. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass viele Kommunen neue Straßenbeleuchtungen in Auftrag geben, um die Ausleuchtung zu verbessern und gleichzeitig Kosten einzusparen.

LEDinside, ein Geschäftsbereich von TrendForce, schätzt den LED-Beleuchtungsmarkt im Jahr 2017 auf 33,1 Mrd. US-Dollar mit einer Durchdringungsrate von 52 Prozent. Laut LEDinside macht LED-Beleuchtung in Europa 23 Prozent des gesamten Beleuchtungsmarkts aus – der höchste Wert weltweit! Die USA und China belegen den zweiten beziehungsweise dritten Platz. Aufgrund zahlreicher Infrastrukturprojekte wird der asiatisch-pazifische Raum voraussichtlich die am schnellsten wachsende Region sein.

Fallende LED-Preise sind entscheidend für eine weitreichende Akzeptanz von LED-Beleuchtungen. Zudem werden angesichts der Stromvergeudung herkömmlicher Beleuchtung immer strengere Vorschriften hinsichtlich der Energieeffizienz erlassen. Intelligente LED-Beleuchtung ist die perfekte Lösung, um den Energieverbrauch zu senken und Beleuchtungen genau auf die tatsächlichen Anforderungen abzustimmen, zum Beispiel für Anwendungen im mittleren und hohen Leistungsbereich in Büros, Betrieben und öffentlichen Gebäuden. Der Trick dabei ist, LED-Beleuchtungstechnik mit innovativen Treiberlösungen zu kombinieren, um die gesetzlichen Anforderungen bezüglich eines effektiven Energiemanagements zu erfüllen und anwenderfreundliche Funktionen wie Dimmen zu ermöglichen.

Herausforderung LED-Netzteil

Was in der Theorie ganz einfach klingt, birgt in der Praxis zahlreiche technische Herausforderungen. Im Gegensatz zu Glühlampen, die einfach ans Stromnetz angeschlossen werden, sind LEDs sogenannte Low-Voltage-Bauteile. Sie benötigen eine eigene Stromversorgung, die entweder eine konstante Spannung (CV) oder einen konstanten Strom (CC) liefert. LED-Netzteile haben erheblichen Einfluss auf die Gesamteffizienz der Beleuchtungslösung, weshalb viel Entwicklungsarbeit – vor allem im Hinblick auf den Standby-Stromverbrauch – in ihre Optimierung fließt. Dank ihrer Vielseitigkeit und relativ kleinen Bauweise lassen sich LEDs auch dort einsetzen, wo Glühlampen am Ende mit ihrem Latein sind, beispielsweise in sehr beengten Räumlichkeiten. Gerade dort müssen LED-Netzteile besonders kompakt und hocheffizient sein.

Stufenlose Dimm-Funktion

Eine weitere Herausforderung bei intelligenten LED-Beleuchtungssystemen besteht darin, über den gesamten Helligkeitsbereich hinweg eine Dimm-Funktion bereitzustellen, ohne dabei an Lichtqualität einzubüßen. Viele bestehende Lösungen haben mit Flackern zu kämpfen, was vor allem bei kamerabasierten Anwendungen zu Problemen führt (zum Beispiel In-Vehicle-Systeme fürs Auto). Entwickler sind also gefordert, hocheffiziente, dimmbare, flimmerfreie und kompakte Beleuchtungen bereitzustellen. Zusätzlich erwarten Verbraucher und Installateure eine Preisentwicklung für die Netzteile, wie sie derzeit bei den LEDs selbst zu beobachten ist.

Zweistufige Abwärtswandlung

Der Leistungsbereich von 25 bis 100 W ist bei Netzteilen für LED-Beleuchtungen am gängigsten. Normalerweise erfolgt eine zweistufige Abwärtswandlung, mit einer ersten Absenkung und Regulation der Netzspannung mittels einer PFC-Stufe (Leistungsfaktorkorrektur), die eine konstante Spannung sowie Steuersignale (einschließlich Dimm-Steuerung) an einen Mikrocontroller liefert. Die zweite Stufe wandelt die geregelte Spannung, um Strom für die LEDs bereitzustellen, wobei mögliche Dimm-Anforderungen seitens des Mikrocontrollers berücksichtigt werden.

Um all diese komplexen Anforderungen moderner LED-Beleuchtungen zu erfüllen, sind innovative Steuerungen auf Halbleiterbasis erforderlich. ON Semiconductor nutzt seine Erfahrung im Bereich energieeffizienter Stromversorgungen und bietet zwei ICs für sparsame Beleuchtungen an, die alle Anforderungen in diesem hart umkämpften Markt erfüllen: der FL7740 (primärseitige Regelung und PFC) und der FL7760 (DC/DC-Abwärts-/Buck-Wandler). Dank ihres vereinfachten Aufbaus ist eine kleine Baugröße möglich, und dank einer kleineren Stückliste fallen geringere Kosten an. In Kombination lässt sich damit eine präzise CV/CC-Regelung bauen, die analoges und PWM-Dimmen unterstützt.

Geringer Standby-Verbrauch

Der FL7740 benötigt nur wenige externe Bauteile und verbraucht im Standby-Modus weniger als 0,15 W. Dadurch eignet er sich bestens für intelligente Beleuchtungen, bei denen Vorgaben wie der Energy Star erfüllt sein müssen.

Der FL7760 bietet einen weiten analogen Dimm-Bereich von 5 bis 100 Prozent, womit LED-Lichtdesignern erstmals eine praktikable Lösung für analoges Dimmen zur Verfügung steht. Der Baustein unterstützt auch PWM-Dimmen von 0 bis 100 Prozent, sofern man mit etwas Flimmern und einem hörbaren Brummen leben kann. Er ist jedoch einzigartig in seiner Fähigkeit, analoges und PWM-Dimmen nahtlos zu kombinieren und so den gesamten Bereich von 0 bis 100 Prozent ohne jegliches Flimmern oder Geräusche abzudecken.

Bildergalerie

  • Bei den meisten LED-Beleuchtungen im mittleren Leistungsbereich kommt eine zweistufige Wandlung zum Einsatz.

    Bild: ON Semiconductor

  • Die beiden ICs FL7740 und FL7760 machen eine komplett dimmbare LED-Beleuchtung möglich.

    Bild: ON Semiconductor

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