Der Siegeszug der LED-Beleuchtung

Ob Taschenlampe, Autoscheinwerfer, Büro-, Industrie- oder Außenbeleuchtung – die LED hält Einzug in alle Bereiche der Beleuchtungstechnik. Stetige Weiterentwicklung, steigende Qualität und sinkende Preise der Leuchtdioden lassen den Anteil an Leuchten mit LED-Leuchtmittel rasant steigen. 

In der Folge nimmt auch die Zahl an LED-Leuchten, die zusätzlich zur Allgemeinbeleuchtung als Sicherheitsleuchten genutzt werden, stark zu. Doch der Betrieb von Allgemeinleuchten an Zentralbatteriegeräten sollte gut überlegt sein und erfordert im Vorfeld eine genaue Planung. Denn Aufschriften wie „notlichttauglich“ oder „suitable for emergency lighting“ sagen nichts über die Kompatibilität mit den eingesetzten Zentralbatterieanlagen aus.

Zur Anbindung von „Fremdleuchten“ an Zentralbatteriegeräte bieten die meisten Notlichthersteller Schalt- und Überwachungsmodule an. Diese Module schalten die Leuchten bei Netzausfall oder Funktionstest ein und überwachen die angeschlossene Last. Bei defektem Leuchtmittel meldet der Überwachungsbaustein eine Leuchtenstörung an die Zentralbatterieanlage. 

Soweit die Theorie. Denn damit die Fehlererkennung sicher funktioniert, müssen die Leuchten bzw. die eingebauten Treiber bestimmte Kriterien erfüllen.

Systeme mit Mischbetrieb: Spannungsformen beachten

Damit Fremdleuchten an Zentralbatterieanlagen betrieben werden können, müssen die LED-Treiber nicht nur für den Betrieb an 230V Wechselspannung ±10% 50Hz geeignet sein, sondern auch im ­Batteriebetrieb an 186V – 260V DC sicher funktionieren. 

Systeme mit Mischbetrieb, bei denen innerhalb eines Stromkreises die Leuchten in Dauer-, Bereitschafts- oder geschaltetem Dauerlicht betrieben werden können, müssen alle Leuchten im Test- und Notbetrieb einschalten. Damit auch die Bereitschaftslichtleuchten und geschalteten Sicherheitsleuchten in diesen Fällen einschalten, wird in der Regel die Spannungsform oder der Sinus (Phasenanschnitt, pulsierende Gleichspannung etc.) geändert. Beim Anschluss von Fremdleuchten ist also darauf zu achten, dass die eingebauten LED-Treiber ebenfalls mit diesen geänderten Spannungsformen betrieben werden können. Im schlimmsten Fall schaltet sonst die umgerüstete Allgemein­leuchte im Notbetrieb nicht ein.

Um Rettungszeichen- und Sicherheitsleuchten in den oben genannten Schaltungsarten innerhalb eines Stromkreises zu versorgen und zu schalten, nutzen INOTEC-Zentralbatterieanlagen die patentierte JOKER-Technik – eine pulsierende Gleichspannung (siehe Bild Spannungsformen).

Wechselspannung
Gleichspannung
JOKER-Spannung (pulsierende Gleichspannung)

Umschaltzeit: nicht jede Leuchte ist geeignet

Damit die normativen Anforderungen an die Umschaltzeiten erfüllt werden, müssen Zentralbatterieanlagen im Notbetrieb innerhalb einer Sekunde von Netz- auf Batteriebetrieb bzw. von AC- auf DC-Spannung umschalten. Nach Netzwiederkehr wird im gleichen Zeitraum wieder von DC- auf AC-Spannung zurückgeschaltet. Einige Mikrocontroller-­gesteuerte LED-Treiber haben mit Umschaltzeiten unter einer Sekunde Probleme. So kann es passieren, dass sich sporadisch der Mikrocontroller im Programm „aufhängt“ und die Leuchten während des Testbetriebs und im Notfall nicht einschalten.

Planung der Endstromkreise: Ströme berücksichtigen

Bei der Planung und Dimensionierung von Zentralbatterieanlagen ist die maximale Stromaufnahme je Stromkreis zu berücksichtigen. Dazu ist die Stromaufnahme der einzelnen Leuchten im AC-Betrieb zu messen. 

Zentralbatterieanlagen nutzen zur Umschaltung zwischen Netz- und Ersatzstromquelle Schütze und Relais mit begrenzter Strombelastbarkeit. Deshalb müssen zusätzlich die Einschaltströme der angeschlossenen Leuchten ermittelt werden. Doch auf Grund fehlender Normierung gibt es unterschiedliche Messverfahren, die zu abweichenden Ergebnissen führen. 

Zu hohe Einschaltströme können zur Beschädigung des Zentralbatteriegeräts und der eingebauten Komponenten führen.

Module zur Einzelleuchtenüberwachung

Überwachungsmodule mit Einzelleuchtenüberwachung überwachen die Stromaufnahme auf der Primärseite des LED-Treibers. Beim Funktionstest (Batteriebetrieb/DC) werden alle angeschlossenen Leuchten eingeschaltet, und die Überwachungsmodule messen die Stromaufnahme der Leuchten. Die Auswertung erfolgt über definierte Schwellwerte. Wird der obere Schwellwert überschritten, sendet das Überwachungsmodul eine OK-Meldung an die Zentralbatterieanlage. Wird der untere Schwellwert unterschritten, so meldet die Zentralbatterieanlage eine Leuchtenstörung. 

Bei Überschreitung des oberen Schwellwerts sendet das Überwachungsmodul eine OK-Meldung an die Zentralbatterieanlage. Bei Unterschreitung des unteren Schwellwerts wird eine Leuchtenstörung gemeldet.

Messung der Stromaufnahme: auf das Messequipment kommt es an

Zur Auswahl des passenden Überwachungsmoduls muss der Eingangsstrom des LED-­Treibers mit angeschlossenem LED-­Modul im DC-Betrieb (186V – 260V DC) gemessen werden. Der kleinste Wert muss über dem Schwellwert für die OK-Meldung liegen.

Mit dem falschen Messequipment kann es hierbei schnell zu Fehlinterpretationen kommen. Einige auf dem Markt befindliche LED-Treiber weisen primärseitig eine „gepulste“ Stromaufnahme auf, die mit einem normalen Multimeter bzw. Amperemeter nicht als solche erkannt werden kann, da diese oft den Mittelwert messen. Ist dies der Fall, kann die Stromaufnahme zum Zeitpunkt der Messung des Überwachungsmoduls unterhalb der Fehler-Schwelle liegen, obwohl der mit dem Multimeter gemessene Strom oberhalb dieser Schwelle liegen müsste. In der Folge melden Leuchten bei einem Funktionstest sporadisch eine Leuchtenstörung, obwohl das Leuchtmittel in Ordnung ist. 

Im Beispiel unten wurde die Stromaufnahme des LED-Treibers mit einem Multimeter und mit einem Oszilloskop gemessen.

Links: „Pulsierende“ Stromaufnahme, gemessen mit einem Oszilloskop
Rechts: „Pulsierende“ Stromaufnahme, gemessen mit einem Multimeter. Angezeigt wird der Mittelwert.

Messung der Stromaufnahme im Fehlerfall

Um einen Fehlerfall zu simulieren, wird die Stromaufnahme des LED-Treibers bei nicht angeschlossenem Leuchtmittel gemessen. Bei der Überwachung von Fremdleuchten wird nur der Ausfall des kompletten Leuchtmittels betrachtet. Der Ausfall von einzelnen LEDs oder LED-Strängen kann nicht detektiert werden. 

Bei der Messung des Fehlerstroms kommt es ebenfalls auf das richtige Messequipment an. Bei Untersuchungen zahlreicher LED-Treiber von verschiedenen Herstellern konnte festgestellt werden, dass bei einigen Treibern die Stromaufnahme bei defektem Leuchtmittel nicht konstant ist. Das Bild unten zeigt ein Oszillogramm der Stromaufnahme eines Treibers ohne angeschlossenes Leuchtmittel. Der Treiber versucht in kurzen Abständen, das Leuchtmittel wieder einzuschalten und erzeugt dabei einen Stromimpuls. Erfolgt die Messung des Überwachungsmoduls während dieses Impulses, so wird das Leuchtmittel unter Umständen als „in Ordnung“ gewertet, obwohl das Leuchtmittel defekt ist.

Messung des Fehlerstroms mit einem Oszilloskop

Überwachung von DALI-Leuchten: Zahlreiche Fehlerquellen

Die meisten DALI-Treiber haben eine fest einprogrammierte Lichtstromreduzierung im DC-Betrieb (üblicherweise sind 15 % voreingestellt). Erkennt der LED-Treiber DC-Spannung am Eingang, schaltet die Leuchte ein und dimmt auf das eingestellte „DC-Level“. Der Treiber reagiert während des DC-Betriebs nicht mehr auf Befehle des DALI-Controllers. Diese Lichtstromreduzierung ist besonders bei Planungen mit erhöhten Beleuchtungsstärkeanforderungen, wie z.B. Sportstätten, Arbeitsplätzen mit besonderer Gefährdung etc., zu beachten. Das DC-Level kann mit entsprechender Hard- und Software vom Hersteller am Treiber eingestellt werden.

Da die Reduzierung des Lichtstroms mit einer Reduzierung der Stromaufnahme einhergeht, ist dies bei der Messung der Stromaufnahme im Vorfeld mit dem Leuchten- bzw. Treiberhersteller abzustimmen.

Um den sicheren Betrieb von DALI-Treibern an Zentralbatterieanlagen sicherzustellen, muss die Kompatibilität mit den auftretenden Spannungsformen geprüft werden. Interpretiert der DALI-Treiber die anliegende Spannung falsch, kann es passieren, dass der Treiber zwischen Normalbetrieb und DC-Level hin- und herschaltet: Es entsteht der Eindruck, die Leuchten würden flackern.

Einige Notlichthersteller bieten spezielle DALI-Überwachungsmodule an, damit eine Trennung zwischen der Steuerung der Allgemeinbeleuchtung und der Sicherheitsbeleuchtung sichergestellt werden kann. Diese Module unterbrechen den DALI-BUS und übernehmen die Steuerung der Leuchte. Dazu muss sichergestellt sein, dass die Funktion DC-Level durch den Hersteller deaktiviert ist. Die Überwachung des Leuchtmittels erfolgt durch Abfrage des Fehlerspeichers im DALI-Treiber. Eine korrekte Überwachung kann in solchen Fällen nicht garantiert werden.

Um die Sicherheit von Notbeleuchtungssystemen in Verbindung mit BUS-gesteuerten Leuchten zu garantieren, müssen die Leuchten bei einer Störung des BUS (Unterbrechung, Kurzschluss) in den sicheren Betrieb schalten. In der Praxis wurde festgestellt, dass nicht jedes Betriebsgerät diese Funktion unterstützt. Teilweise musste die Funktion im Betriebsgerät aktiviert werden.

Einbau von Überwachungsmodulen: gesetzliche ­Verpflichtungen beachten

Der Einbau von Überwachungsmodulen in Allgemeinleuchten bedeutet eine bauliche Veränderung der Leuchte. Eventuelle Prüfzeichen, die CE-Kennzeichnung und die EU-Konformitätserklärung verlieren dadurch ihre Gültigkeit.

Der Eingriff in die Leuchte macht den Umrüstenden zum Hersteller mit allen gesetzlichen Pflichten. So ist der Umrüstende zur Anbringung eines neuen Typenschildes, der CE-Kennzeichnung und der Erstellung einer EU-Konformitätserklärung verpflichtet. Er erklärt damit die Einhaltung aller gesetzlichen Richtlinien, wie Niederspannung-, EMV- und RoHS-Richtlinie und der dazugehörigen Normen.

Achtung bei Nach- und Ersatzteillieferungen

Die meisten Allgemeinleuchtenhersteller setzen je nach Verfügbarkeit verschiedene Treiber in der gleichen Leuchte ein. Ändert sich der LED-Treiber, muss die Leuchte im Zusammenspiel mit der Notbeleuchtung erneut geprüft werden. Es ist also sicherzustellen, dass bei der Auslieferung, einer Nachlieferung oder der Lieferung von Ersatzteilen die gleichen geprüften Treiber verwendet werden. Auch neue LED-Leuchtmittel, die z. B. als Ersatz geliefert werden, können die Leistung der Leuchte und somit die Überwachung beeinflussen.

Verbesserungen und Änderungen von LED-Treibern im Laufe ihres Produktlebenszyklus sind nicht immer erkennbar. Kleine Hardware- oder Softwareänderungen können dazu führen, dass im Vorfeld geprüfte Treiber nicht mehr mit den Zentralbatterieanlagen kompatibel sind. Nicht jede Änderung wird entsprechend kommuniziert, so dass nur der Treiberhersteller die Kompatibilität garantieren kann.

Fazit: Sicherheit nur durch ­separate Sicherheitsleuchten

Die Einbindung von Allgemeinleuchten in die Sicherheitsbeleuchtung kann zu vielfältigen Kompatibilitätsproblemen führen. Der einwandfreie Betrieb muss im Vorfeld durch den Treiber- oder Leuchtenhersteller geprüft und freigegeben werden. Die Behebung der zuvor beschriebenen Probleme, die ausschließlich auf eine unzureichende Planung, Änderung der LED-Treiber oder falsche Messverfahren zurückzuführen sind, ist mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand aller Beteiligten verbunden.

Für die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften empfehlen wir, den Einbau von Schalt- und Überwachungsmodulen durch den Allgemeinleuchtenhersteller vornehmen zu lassen. Dieser hat die technischen Möglichkeiten, die geforderten Messungen durchzuführen. 

Um eine einwandfreie Funktion und das Schutzziel sicherzustellen, sollten separate Sicherheitsleuchten des Zentralbatterieanlagenherstellers zusätzlich zur Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden. Nur dadurch können wir als Notbeleuchtungshersteller einen sicheren Betrieb gewährleisten. 

Häufige Fehlerbilder durch unzureichende Planung

Eigenschaften LED-TreiberFehlerAuswirkung
Pulsierender Eingangsstrom am LED-TreiberDer gemessene Strom kann während des Funktionstests unter der OK-Schwelle liegen.Es wird eine Leuchtenstörung angezeigt, obwohl das Leuchtmittel in Ordnung ist.
Einschalt-Peaks bei defektem Leuchtmittel am TreiberDer gemessene Strom kann während des Funktionstests über der Schwelle für Leuchtenstörungen liegen.Ein defektes Leuchtmittel wird unter Umständen nicht erkannt.
LED-Treiber nicht mit der Umschaltzeit kompatibelDer Mikrocontroller hängt sich im Programm auf.Leuchten schalten im Notfall nicht ein.
Ungenau gemessener Einschaltstrom der LeuchtenDer zulässige Einschaltstrom für ein Überwachungsmodul oder für einen Stromkreis kann überschritten werden.Dies kann zur Beschädigung der Komponenten führen.
Dimmlevel im DC-Betrieb bei LED-Treibern wird bei der Planung nicht berücksichtigt 
  • Beleuchtungsstärke wird unter Umständen nicht erreicht
  • Stromaufnahme kann bei einem Funktionstest unter die OK-Schwelle absinken
Es wird eine Leuchtenstörung angezeigt, obwohl das Leuchtmittel in Ordnung ist. Verhalten im DC muss an den Leuchten umprogrammiert werden.
Leuchtmittelfehler wird vom DALI-Treiber nicht übermitteltDas Fehlerbit wird nicht korrekt an das DALI-Überwachungs­modul übermittelt.Eine Leuchtenstörung wird nicht erkannt.
DALI-Treiber interpretiert Spannungsform falsch Der DALI-Treiber schaltet zwischen Normal-Betrieb und DC-Level hin und her.

Leuchten dimmen hoch und runter.

Treiber muss ausgetauscht werden oder DC-­Level muss angepasst werden.

DALI-Treiber reagiert auf BUS-Störung nichtDie DALI-Anforderungen werden nicht erfüllt.Leuchte schaltet bei gestörtem BUS nicht sicher ein.

Diese Tabelle beruht auf festgestellten Praxis-Problemen mit LED-Treibern verschiedener Hersteller.