Anschlusstechnik für LEDs Intelligente Beleuchtung für die intelligente Stadt

Seit den 1970er Jahren haben lichtemittierende Dioden (LEDs) einen technologischen Siegeszug angetreten. Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften wurden die Halbleiter-Bauelemente zunächst vor allem in einfachen, farbigen Signal- oder Zustandsanzeigen verbaut. Inzwischen werden die lichtstarken Komponenten aber in nahezu allen Lebensbereichen eingesetzt: von Taschenlampen über die Architektur- und Straßenbeleuchtung bis hin zu Möbeln, Fernsehgeräten oder Pkw-Scheinwerfern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln oder Energiesparlampen sind LEDs kompakter, verbrauchen weniger Strom und können deutlich länger betrieben werden. Sie enthalten keine schädlichen Stoffe wie Schwermetalle oder Gasgemische, und nach ihrem Lebensdauerende lassen sich alle wertvollen Inhaltstoffe wiedergewinnen.

Der Leuchtenhersteller WE-EF aus dem niedersächsischen Bispingen setzt daher bei der Entwicklung seiner Außenleuchten ausschließlich auf diese Technologie. „LED ist eben nicht nur Licht“, sagt Peter Oetjens, Leiter der elektrotechnischen Entwicklung bei WE-EF. „Dank ihrer intelligenten Elektronik können LEDs heute zielgerichteter und vielseitiger eingesetzt werden als herkömmliche Leuchtmittel.“

Vorteil und Herausforderung

Der Vorteil der Halbleiter-Bauelemente ist gleichzeitig auch eine technische Herausforderung für den Hersteller: Um mit definierter Lichtstärke zu leuchten, werden LEDs über eine Konstantstromquelle betrieben. Sogenannte LED-Treiber sorgen für eine konstante Eingangsleistung mit konstanten Strömen und gewährleisten damit letztlich den sicheren und langlebigen Betrieb der Leuchtdioden.

In seine neuen Straßenleuchten integriert WE-EF neben dem Vorschaltgerät auch ein Kommunikationsmodul zur Datenübertragung der integrierten Sensorik. „Für ein Projekt in Bielefeld haben wir den sogenannten Leuchten-Aufbau-Controller vollständig neu konzipiert“, erklärt Oetjens. „Die Elektronik sollte nicht wie bisher an den Mast, sondern direkt an das Leuchtengehäuse montiert werden.“

Das elektronische Design folgt den festgelegten Spezifikationen des ZHAGA-Konsortiums nach Buch 18. So können Leuchtenplaner und Elektroinstallateure immer sicher sein, dass der elektrische Aufbau der Systeme und damit die Installation weltweit einheitlich und somit spezifikationskonform funktioniert.

Seit Dezember 2019 sorgt diese Kombination aus LED-Beleuchtung, Vorschaltgerät, Sensorik und GPS-Kommunikationsmodul an der Brunnenstraße in Bielefeld für die bedarfsgerechte Ausleuchtung des Fußwegs zwischen Stadttheater und Parkhaus. Aus circa 5 m Höhe registrieren die Bewegungssensoren Bewegungen am Boden, und die jeweiligen Leuchten regulieren ihre Lichtintensität nach Bedarf.

Für den Experten Peter Oetjens ist die bedarfsgerechte Lichtsteuerung aber erst der Anfang intelligenter Beleuchtung. „Hardware können andere auch. Für uns liegt das Potenzial vor allem im Funktionsumfang und Service“, erklärt der 52-Jährige. „Meine Vision: Ich möchte, dass alle unsere Leuchten intelligent und netzwerkfähig sind.“

Schnellinstallation von Leistungsverkabelung

Die Leistungsverkabelung der Straßenleuchten haben die Konstrukteure bei WE-EF mit dem Schnellinstallationssystem QPD von Phoenix Contact realisiert. Der Vorteil des anwenderfreundlichen Prinzips: Aufgrund des bewährten IDC-Schnellanschlusses Quickon können die geschulten Installateure vor Ort die vielen verschiedenen Leitungen ohne spezielle Vorbehandlung oder anwendungsspezifisches Spezialwerkzeug problemlos und intuitiv anschließen.

Mit wenigen Handgriffen werden die Einzellitzen in die vorgefertigten Aderführungen der Steckverbindung eingezogen, die Isolierung dort automatisch durchtrennt und der elektrische Kontakt zuverlässig hergestellt. Wird die Überwurfmutter festgedreht, etabliert der Steckverbinder zudem automatisch eine Zugentlastung. Das Prinzip verkürzt die Anschlusszeit um bis zu 80 Prozent und verhindert Anschlussfehler zuverlässig.

Kerngedanke sei, wie Oetjens schildert, dass die Lösung einfach in Betrieb genommen werden könne, ohne die Leuchte oder die Elektrik für den Anschluss öffnen zu müssen. „Für diese Funktionalität ist QPD heute nicht mehr wegzudenken“, sagt der Fachmann.

Effizient verlötet

Einfach montiert und höchst zuverlässig – diese Kriterien waren auch für das elektrische Innenleben der Mastleuchten entscheidend. Zwar widerstehen die fertig montierten Produkte jahrzehntelang Wind und Wetter. Die integrierte Elektrik erfordert aber dennoch viel konstruktives und fundiertes Know-how und Fingerspitzengefühl vom Anwender.

Immerhin liegen die LEDs auf der Leiterplatte – je nach Ausführung der Leuchte bis zu 144 Stück – zum Teil nur 0,2 mm auseinander. „Bei diesen geringen Abständen wirken schon Molekularkräfte, die die LEDs beim Lötvorgang zueinander ziehen“, erklärt Oetjens die Herausforderung. Der hohe Kostendruck bei der Herstellung von LED-Leiterplatten macht effizient automatisierte Lötprozesse dennoch alternativlos: „Aufwendige Handmontage war gestern.“

Als ideale Anschlusslösung haben sich daher schnell Leiterplattenklemmen und -Steckverbinder der Serie PTSM 0,5 herausgestellt. Die Serie ist speziell für den Einsatz in LED-Leuchten konzipiert und bringt drei enorme Vorteile mit: Die Grundleisten und Klemmen bleiben bei thermischer Belastung farbstabil und können daher gemeinsam mit den LED im SMT-Verfahren auf der Leiterplatte fixiert werden. Zudem bilden die weißen Bauteile keinen Farbkontrast zum ebenfalls weißen Lötstopplack und fallen daher hinter der transparenten Abdeckung nicht als sichtbares Bauteil auf.

Kompakt und vor Fehlstecken geschützt

Je nach Ausführung der LED-Leuchte setzt WE-EF zwei-, vier- oder fünfpolige Ausführungen der Klemmen und Steckverbinder ein. „Die kompakte Bauart der Serie war ausschlaggebend“, bringt Oetjens den Vorteil auf den Punkt.

Die neuen Steckverbinder und Grundleisten sind zudem konstruktiv entsprechend kodiert und können vom Anwender nicht in falscher Ausrichtung zueinander gesteckt werden. „Ein zusätzlicher Vorteil, da auf der dicht bestückten Leiterplatte kein Platz für zusätzliche Schutzdioden wäre.“

Fazit

Aktive elektronische Komponenten wie LED-Treiber und Controller machen aus LED-Leuchten intelligente Beleuchtungskonzepte. Die passive Elektromechanik sorgt dafür, dass diese Beleuchtungskonzepte effizient hergestellt, sicher verkabelt und zuverlässig betrieben werden können. Drei gute Gründe, warum der Bispinger Leuchtenhersteller WE-EF auf das Schnellinstallationssystem QPD und Leiterplattenanschlüsse der Serie PTSM 0,5 setzt.