Vorteile von LED-Notbeleuchtung, Schutzvorrichtungen und modernen Stromspeichersystemen

LED-Notbeleuchtungssysteme sind nicht gerade neu auf dem Markt. Die LED-Technologie wird bereits seit über 20 Jahren für Fluchtwegbeschilderungen eingesetzt, kam jedoch erst in den letzten sechs Jahren auch im Notbeleuchtungssegment zum Zuge. Begünstigt wurde diese Entwicklung durch die verbesserte Effizienz und Farbkonsistenz von weißen LEDs sowie durch den spürbaren Preisrückgang.

Durch die technologische Weiterentwicklung und die immer kostengünstigere Herstellung können LEDs nun vielseitiger und in neuen Notbeleuchtungsbereichen eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet die LED-Technologie mit ihrem innovativen Designpotenzial einen nicht zu unterschätzenden Wettbewerbsvorteil für Lichtplaner. Moderne Batterie-/Energiespeichersysteme für Sicherungs- und Schutzvorrichtungen sowie die LEDs an sich eröffnen hier neuartige Möglichkeiten.

In diesem Artikel geht es um die neuesten Entwicklungen im Bereich LED-basierter Notbeleuchtungssysteme, wobei besonders auf moderne Komponententechnologien eingegangen wird. So sorgen beispielsweise die verbesserte Effizienz, der niedrigere Temperaturbereich, der geringere Stromverbrauch sowie die robusteren LEDs für eine höhere Zuverlässigkeit und geringere Betriebskosten. Gängige Komponenten sind Golden Dragon Plus und Duris P5 von Osram, LUXEON® Z von Philips Lumileds und die Serie STW8 von Seoul Semiconductor.

Schaltungsschutzlösungen eignen sich besonders für Notfallbeleuchtungen in sicherheitskritischen Anwendungen mit erhöhter Brand- oder Explosionsgefahr. Großer Beliebtheit erfreuen sich z. B. die LED-Shunt-Geräte von Bourns und die Schaltungsschutzlösungen Polyswitch von TE Connectivity.

Nicht zuletzt hat sich in den vergangenen Jahren auch hinsichtlich der Batterietechnologie viel getan, wobei der Trend eindeutig in Richtung Lithium-Ionen für kleinere, leistungsfähigere Sicherungsbatterielösungen geht. In bestimmten sicherheitskritischen Anwendungsbereichen jedoch stellen sie bei nicht ausreichendem Schutz eine Brandgefahr dar. Eine alternative und manchmal auch ergänzende Lösung sind Ultrakondensatoren. Die Serie PowerStor von Eaton kommt in einer Vielzahl von Anwendungen wie Notbeleuchtungen zum Einsatz.

Sicherheit geht vor

Wo viele Menschen zusammenkommen, ob innerhalb oder außerhalb von Gebäuden, Einkaufszentren, Tiefgaragen, Flugzeugen oder öffentlichen Verkehrsmitteln, ist das Thema Notbeleuchtung von besonderer Wichtigkeit. Nur eine zuverlässige und gute Notfallbeleuchtung ermöglicht im Ernstfall eine schnelle und panikfreie Evakuierung. Gut beleuchtete, ausreichend große Piktogramme, die den kürzesten Fluchtweg anzeigen, helfen, in Gefahrensituationen nicht die Orientierung zu verlieren. Menschen tendieren dazu, denselben Weg zurück zu nehmen, den sie gekommen sind – auch wenn dies im Einzelfall nicht unbedingt der beste ist.

Leuchtstofflampen sind insbesondere noch in älteren Anwendungen vorzufinden, sie werden jedoch zunehmend durch moderne LED-Leuchten ersetzt. Immer häufiger werden herkömmliche T8-Leuchtstoffröhren gegen neue LED-Module ausgetauscht. LED-Leuchten weisen im Allgemeinen zahlreiche Vorteile in Bezug auf Kosten und Leistung auf, die einen vielfältigeren Einsatz in verschiedenen Notbeleuchtungsanwendungen ermöglichen. Wenn umfangreiche Beleuchtungssysteme modernisiert oder durch LED-Technologie ersetzt werden, werden meistenteils auch die ergänzenden Notfallbeleuchtungssysteme durch LEDs ersetzt.

Dank ihrer zahlreichen Vorzüge führt an der LED-Technologie heute kein Weg mehr vorbei. Mit ihrer Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sind LED-Leuchten bestens für den Einsatz in Notfallsystemen geeignet. Sie kommen ohne Blei oder Quecksilber aus und leisten damit einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz. LEDs gelten als eigensicher, wodurch sie das Beleuchtungsmittel der Wahl im Bergbau, in der Ölförderung und in anderen potenziell explosionsgefährdeten Anwendungsbereichen sind. Sie haben keinen Glasanteil und sind deshalb robuster, unempfindlicher gegen Stoß und Vibration sowie in öffentlichen Bereichen weniger zerstörungsanfällig bei Vandalismus.

Mit ihrem im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungstechnologien geringeren Stromverbrauch eignen sich LEDs hervorragend für Beleuchtungssysteme, die bei Unterbrechung der Hauptstromzufuhr von Sicherungsbatterien oder Notfallgeneratoren versorgt werden.

Aufgrund ihrer Beschaffenheit als punktuelle Lichtquellen lässt sich der Lichtstrahl von LED-Lampen bei Bedarf besser steuern. Dadurch und dank ihrer hohen optischen Effizienz kann der Stromverbrauch weiter gesenkt werden. Laut Empfehlungen des britischen ICEL (Industry Committee for Emergency Lighting)¹ reichen im Normalfall bereits zwei einfache, in einer Höhe von 3 Metern über dem Boden und im empfohlenen Abstand angebrachte 1-W-LEDs mit 60°-Beam-Plus-Versorgungseinheit, Konverter und 3,6-V-Batterie aus, um die internationalen Anforderungen in Bezug auf Helligkeit zu erfüllen.

Ästhetisch ansprechend 

Ein weiterer Vorteil von LEDs besteht insbesondere bei größeren Beleuchtungsanlagen darin, dass sie formschön sind und sich für architektonische wie auch funktionelle Lichtsysteme (Notfallbeleuchtung) kombinieren lassen. Leuchten können in nahezu beliebiger Größe und Form konzipiert werden und problemlos in vorhandene Gebäudestrukturen und -materialien eingebunden werden. Für Flure und Treppenhäuser bieten sich vor allem Lichtleisten an. Darüber hinaus können Lichtmodule unter Putz im Boden oder in der Wand verlegt bzw. in vorhandene Strukturen integriert werden. Notbeleuchtungen lassen sich unauffällig und auf ästhetische Weise in Gebäudekonzepte einfügen und ermöglichen Lichtplanern und deren Kunden eine größere gestalterische Flexibilität.

In einer von Osram Semiconductor² vorgelegten Fallstudie werden die vielfältigen Möglichkeiten in diesem Bereich aufgezeigt. Im Eingangsbereich zur Münchener U-/S-Bahnstation Karlsplatz (Stachus) befindet sich ein Treppenaufgang, der aufgrund baulicher Gegebenheiten nur durch den Handlauf beleuchtet werden konnte – über eine Länge von insgesamt 700 Metern. Diese Beleuchtung dient gleichzeitig als Notbeleuchtung und wird im Falle eines Stromausfalls per Batterie versorgt. Durch die Installation von Osram-LEDs mit geringem Strombedarf beträgt der Verbrauch pro 18 m Handlaufbeleuchtung lediglich 100 W.

Abbildung 1: Eingangsbereich zur S- und U-Bahn München-Stachus mit LED-beleuchtetem Handlauf, der im Falle eines Stromausfalls zugleich als Notbeleuchtung dient.

Die Art und Auslegung von LEDs für Notbeleuchtungssysteme richtet sich maßgeblich nach den örtlichen Gegebenheiten. Es gibt jedoch einige generelle Kriterien, die nach Möglichkeit erfüllt werden sollten, z. B. sparsamer Verbrauch, geringer Temperaturbereich und hohe Lichtausbeute. Typische Anforderungen sind beispielsweise kaltweiße LEDs mit einer Farbtemperatur zwischen 3000 und 6500 K, einem CRI-Wert von 80 oder höher und einer Lichteffizienz von etwa 75 bis 100 lm/W.

Weitere Kriterien sind je nach Einsatzort eine geringe Größe, eine hohe Gehäusestabilität, eine einfache und flexible Modulierbarkeit zu Formen wie Lichtketten u. v. m. sowie die Möglichkeit zum Betrieb per Batterie oder anderer temporärer Stromquellen.

Markierungsbeleuchtung

Komponenten wie die LED-Serie Duris P5 von Osram Opto Semiconductor können ohne Bedenken in Notbeleuchtungssystemen eingesetzt werden. In neutralem Weiß (4000 K) kommt die GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1 daher, die mit hoher Lichteffizienz, mittlerem Verbrauch und einer langen Lebensdauer überzeugt und damit ebenfalls bestens für Markierungsbeleuchtungen an Stufen, Ausfahrten u. Ä. geeignet ist. Das Bauteil mit einem typischen Lichtstrom von 29 lm bei 100 mA, einer optischen Effizienz von 96 lm/W und einem CRI von 80 besitzt ein unbedrahtetes SMD-2-Gehäuse. Die typische Durchlassspannung beträgt 3,02 V, der maximale Durchlassstrom 250 mA und der Ausleuchtungswinkel 130 °. In der Duris P5-Palette finden sich wärmere (3000 K) und kältere (5000 K) Leuchten mit vergleichbaren Spezifikationen wie die 4000-K-Version.

Für Anwendungen, die eine höhere Lichteffizienz erfordern (wenn auch mit höherem Stromverbrauch einhergehend), bietet Osram im Rahmen seiner Golden Dragon Plus-Linie die Reihe LUW W5AM an. Der typische Lichtstrom beträgt 116 lm bei 350 mA und max. 273 lm bei 1 A. Auch diese Komponenten wurden speziell für den Einsatz als Markierungsbeleuchtung in Notbeleuchtungssystemen entwickelt und bieten eine hocheffiziente Lichtquelle in kompaktem Gehäuse. Die optische Effizienz wird mit 146 lm/W bei 100 mA angegeben, der maximale Durchlassstrom mit 1 A, die typische Durchlassspannung mit 3,2 V und die thermische Resistenz mit 6,5 K/W.

Abbildung 2: Hocheffiziente Golden Dragon Plus-LED von Osram für Markierungsbeleuchtungen.

Ähnlich leistungsstark ist auch die Lumileds-Serie von Philips. Die LUXEON Z 4070 verfügt über eine Farbtemperatur von bis zu 4000 K und einen CRI von 70. Der typische Lichtstrom beträgt 138 lm bei 500 mA. Die Effizienz liegt bei 95 lm/W. Im Datenblatt wird darüber hinaus als weiterer attraktiver Parameter das Verhältnis von Komponentengröße und Lichtausbeute erwähnt, welches mit 63 lm/mm² für die mittlere LED-Größe angegeben wird. Die Teile sind ohne Gehäuse lieferbar und lassen sich so ideal in Streifen oder Module einbauen.

Abbildung 3: LumiLEDs LUXEON Z LED von Philips in 2,2 mm² kleinem Mikrobauteil.

Mit seiner umfangreichen Acrich-Palette, die sowohl aus einfachen wie auch aus Multi-LED-Modulen besteht, bietet Seoul Semiconductor eine Vielzahl von Bauteilen im kaltweißen Spektrumsbereich. Die 6500 K STW8Q14BE ist nur ein Beispiel für eine Einzel-LED, die insbesondere für allgemeine, für Innenraum- sowie für Architekturbeleuchtungen infrage kommt. Die LED mit integriertem ESD-Schutz und Silikonkapsel besitzt ein hitzebeständiges Thermoplastgehäuse. Als elektrische Spezifikationen werden u. a. eine Durchlassspannung von 3,2 V (typisch), ein Durchlassstrom vom 160 mA (max.), eine Lichtintensität von 35 lm (3700 bis 7000 K), ein CRI von 80 (min.) sowie eine thermische Resistenz von 18 °C/W angegeben.

Schaltschutz

Obgleich vorkonfektionierte LED-basierte Notbeleuchtungsmodule teils mit einer Schaltung ausgestattet sind, die automatisch von Haupt- auf Notstromversorgung umstellt, können zugunsten einer längeren Haltbarkeit und höheren Zuverlässigkeit zusätzliche LED-Shunt-Schutzgeräte eingebaut werden. Durch diesen Extraschutz lassen sich die Kosten für Reparatur und Austausch von LED-Lampen in Grenzen halten, besonders bei langen LED-Strings, die durch eine spannungsfeste Stromversorgung mit Konstantstrom versorgt werden können.

Die Konfiguration von Multi-LED-Strings bietet eine Vielzahl von Vorzügen. Eine einfacher ausgelegte Speisung ist primär von Vorteil; bei der Speisung mit hohen Spannungen und Schwachstrom arbeitet die Versorgungseinheit selbst jedoch noch effizienter. Skalierbarkeit, Modularität und Flexibilität sind Faktoren, welche LED-Streifen klar den Vorzug gegenüber anderen Lichttechnologien geben. Der Nachteil von LED-Strings besteht jedoch darin, dass ein geöffneter Kontakt das Erlöschen aller LEDs an diesem Streifen zur Folge hat. LED-Ausfälle können durch hohe Temperaturen, elektrostatische Entladung oder Überspannung und Überstrom verursacht werden.

LED-Strings mit geringem Stromverbrauch können problemlos mithilfe von Zener-Dioden geschützt werden. Für Hochleistungsanwendungen (mit Betriebsstrom von mehr als 75 mA) empfehlen sich LED-Shunt-Schutzgeräte, die im aktiven Modus weniger Strom ableiten, als dies bei einem geöffneten LED-Kontakt der Fall wäre. Diese thyristorbasierten Geräte leiten die Spannung um die defekte LED herum und überbrücken diese, sodass die intakten Dioden im String weiterleuchten können.

Ein führender Hersteller von LED-Shunt-Schutzkomponenten ist Bourns. Das LSP0600BJR-S hat eine Betriebsspannung von 6 V. Zur Maximierung des zur Verfügung stehenden Schutzniveaus sollte idealerweise ein Gerät pro LED vorgesehen werden. Alternativ bietet Bourns weitere kostengünstige Komponenten mit Sperrspannungen von 9, 13 und 18 V an, die zum Isolieren von Gruppen aus zwei, drei bzw. vier LEDs verwendet werden können.

Von Bourns stammt ein interessantes Whitepaper,³ in welchem Aspekte der Stromversorgung in Bezug auf die Ausgangsspannung einer Konstantstromquelle untersucht werden. Zur Veranschaulichung dienen Beispielschaltungen und -auslegungen, welche unter Einbindung der LSP-Komponenten von Bourns die verschiedenen Anforderungen an die Stromversorgung in unterschiedlichen Ausfallsituationen illustrieren. Darüber hinaus werden Empfehlungen zu Stromversorgungsarchitekturen für LED-Strings gegeben.

Überspannungsschutz

Der Schutz von LED-Leuchten und Notbeleuchtungsbatterien vor Überspannungs- und Überhitzungsschäden ist das zentrale Augenmerk der Raychem-Schaltungsschutzprodukte von TE Connectivity. Der Hersteller weist darauf hin, dass, obgleich deutlich langlebiger als herkömmliche Lichttechnologien, die Lebensdauer von LEDs von Faktoren wie Chiptemperatur, Betriebsspannung sowie Betriebsstrom begünstigt wird.

Selbstrückstellende Sicherungen (PPTC), z. B. aus den leistungsfähigen TE-Reihen PolySwitch und PolyZen, haben sich beim Schutz von LED-Schaltkreisen als äußerst wirksam erwiesen. Typische Anwendungen dafür sind Eingangsschutzschaltungen für kurzzeitige netzseitige Spannungsüberhöhungen und Spannungsschwankungen, LED-Treiberschaltschutz sowie der ESD-Schutz für LED-Systeme. Sie eignen sich besonders für hochzuverlässige Notbeleuchtungsinstallationen, da sie sich selbst zurückstellen, sobald der Strom wieder störungsfrei fließt.

Abbildung 4: Auswahl aus diversen selbstrückstellenden PolySwitch-Bausteinen zum Schutz von LED-Notbeleuchtungssystemen.

Laut Hersteller werden bei LED-Anwendungen üblicherweise Stromwandler und Steuervorrichtungen angeschlossen, um die Stromverteilung aus dem LED-Treiber steuern zu können. Selbstrückstellende Sicherungen (PPTC) wie die der PolySwitch-Reihe haben die Funktion, diese Anschlüsse vor Schäden durch Überspannung und Überhitzung zu schützen.

Im normalen Betrieb hat die Sicherung einen geringen Widerstandswert. Im Falle einer Überspannung wird sie in einen hochohmigen Zustand versetzt. Damit werden die Bauteile im System geschützt, da die im Störungszustand eindringende Spannung auf ein geringes, gleichmäßiges Niveau gesenkt wird. Das Bauteil bleibt so lange gesperrt, bis die Störung behoben wurde. Sobald der Strom wieder störungsfrei fließt, wird die Sicherung zurückgestellt und der Durchfluss aktiviert, sodass die Schaltung wieder normal funktioniert. Ausführlichere Informationen und Schaltdiagramme finden Sie in einem älteren Artikel aus der DigiKey TechZone.⁴

Viele LED-Treiber-ICs erfordern einen geschützten DC-Eingang, um eine gleichmäßige Spannungszufuhr zur Diode zu garantieren. PolySwitch-Geräte, in Reihe geschaltet mit dem LED-Treiber-IC sowie einem parallel angeschlossenen Spannungsbegrenzer wie einer Zener- oder TVS-Diode, bieten optimalen Schutz. Die PolySwitch-Komponenten sind in verschiedenen Größen erhältlich, wobei die 1608-mm-Ausführung für die gängigsten kompakten Anwendungen geeignet ist und durch ihren geringeren Platzbedarf und ihre Kosteneffizienz punktet. Die Bauteile sind für Nennstromwerte von 50 mA bis 3 A und Spannungswerte von 6 bis 60 V erhältlich.

Ein typisches Bauteil zum IC-Schutz ist das 6 V NanoSMDC150F, welches einen Haltestrom von 1,5 A, einen Auslösestrom von 3 A und einen maximalen Stromwert von 100 A besitzt. Die Auslösezeit beträgt 0,3 s.

Reservestromversorgung

Superkondensatoren erfreuen sich als Notstromquelle für bestimmte Anwendungen, insbesondere für sicherheitskritische Systeme, bei denen Lithium-Ionen-Batterien ein potenzielles Brandrisiko darstellen, zunehmender Beliebtheit. Superkondensatoren stellen mehr als das Zehnfache an Strom bzw. – gerechnet auf die Gesamtlebensdauer – mehr als tausendmal soviel Strom wie Batterien bereit. Sie bieten eine dreimal höhere Energiedichte als herkömmliche Elektrolytkondensatoren.

Darüber hinaus können Sie gemeinsam mit konventionellen Sicherungsbatterien betrieben werden, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer kritischer Systeme weiter zu erhöhen. Besonders interessant in Bezug auf Notbeleuchtungssysteme ist ihre Nutzung in Stromspeicher- und Überbrückungssystemen, die im Falle eines Stromausfalls eine konstante Versorgung gewährleisten sollen. Superkondensatoren sind umweltschonender als Batterien und können Lichtplaner dabei unterstützen, ihren Batteriebedarf zu senken und ferner die Nutzungsdauer von Batterien zu verlängern.

Ein führender Player im Bereich Superkondensatoren ist Cooper Bussmann. Die zylindrischen Bauteile der Reihen XB und XV bieten Kapazitäten von 300 bis 400 F und Betriebsspannungen von 2,5 V bzw. 2,7 V. Mit ihrem sehr niedrigen ESR-Wert für hohe Leistungsdichte garantieren diese Geräte einen minimalen Spannungsabfall bei Spitzenstrombedarf. Sie eignen sich besonders für UPS- und Reservestromsysteme sowie für Notbeleuchtungsanlagen.

Ein gängiges Bauteil aus der XB-Serie ist der PowerStor XB3550 mit Kapazitäten von 300 F bei 2,5 V. Eine Stufe darüber ist der Superkondensator PowerStor XB3560 mit 400 F bei 2,7 V.

Abbildung 5: Superkondensatoren PowerStor von Cooper-Bussmann für Sicherungszwecke und Netzausfallüberbrückung in sicherheitskritischen und Industrieanwendungen.

Fazit

Als Anwendungsbereich sind Notbeleuchtungssysteme zwar alles andere als glamourös, dennoch profitieren sie stark von den technischen Entwicklungen – nicht nur in Bezug auf die LEDs selbst, sondern auch hinsichtlich der ergänzenden Subsysteme für wichtige Schaltungsschutz- und Sicherungsbatteriefunktionen. Den Planern von Notbeleuchtungen eröffnen sich damit neuartige Möglichkeiten für individuelle und peppige Lösungen – sowohl für Neuinstallationen als auch für die Nachrüstung von Altsystemen.

Referenzen:

1. The Industry Committee for Emergency Lighting (ICEL)
2. Fallstudie von Osram Semiconductor, Beleuchtung Karlsplatz München
3. Whitepaper von Bourns: New Open LED Shunt Protection Devices (Neue Shunt-Schutzkomponenten für offene LEDs)
4. Circuit Protection for LED Lighting (Koordinierter Schaltungsschutz für LED-Beleuchtung)