Kaltes Licht - ganz heiß
- Bild 1: Lichtstark und energieeffizient: LED-Signalleuchten von R. STAHL
LED-Anwendungen für explosionsgefährdete Bereiche
von Dr.-Ing. Thorsten Arnhold
Kaltes Licht - ganz heiß (pdf, 226 kB)
Totgesagte leben länger! Dieser Spruch scheint sich auch für die guten alten Glühlampen zu bewahrheiten. Trotz oder besser wegen des am 1. September 2009 in Kraft getretenen Verbotes des Verkaufs von 100 W Glühlampen innerhalb der EU, welches bis 2012 schrittweise auf alle Leistungsklassen ausgeweitet wird, gab es 2009 z.B. in Deutschland einen Anstieg der Verkaufszahlen von Glühlampen um 50 –60% des Vorjahreswertes.
Totgesagte leben länger – aber auch nicht ewig. So ist abzusehen, dass in den kommenden Jahren neue Leuchtmittel die Beleuchtungsaufgaben in allen Anwendungsbereichen sicherstellen werden.
Ein ganz heißer Kandidat für eine führende Position am Markt für Leuchtmittel ist dabei die LED: Im Jahr 2008 wurden weltweit bereits 61 Mio. LED-Einheiten ausgeliefert. Laut ZVEI macht heute der Anteil der LEDs bei deutschen Herstellern von Leuchtmitteln 15% des Gesamtumsatzes aus, und es ist mit einem weiteren starken Wachstum des LED-Marktes zu rechnen. Analysten gehen davon aus, dass die weltweiten Umsatzsteigerungen für den LED-Markt bis 2012 jährlich ca. 100% betragen können.
Zurückzuführen ist diese beachtliche Entwicklung vor allem auf drei Gründe: Neuentwicklungen von Hochleistungsdioden mit einer stetigen Erhöhung der Lichtausbeute.
- Durch neue Erkenntnisse in der Grundlagenentwicklung und die Überführung in die Fertigungsprozesse der Halbleiterhersteller können heute LEDs in verschiedenen Farben (blau, gelb, grün, rot u.a.) mit unterschiedlichen Farbtemperaturen hergestellt werden. Durch die Mischung der Farben oder die Verwendung von blauen LEDs mit photolumineszierendem Material wird weißes Licht erzeugt.
Verbesserte Herstellungsverfahren und die Produktion der LEDs in hohen Stückzahlen ermöglichen günstigere Herstellkosten. Dadurch sinken die Marktpreise für LEDs und machen diese für den breiten Einsatz in Beleuchtungsanlagen attraktiv. Daneben zeichnen sich LEDs durch einige Eigenschaften aus, die sie besonders für den Einsatz unter rauer Industrieumgebung geeignet machen:
- Realisierung von sehr kompakten und effizienten Beleuchtungslösungen, z.B. an schwer zugänglichen Stellen.
- Die hohe Vibrationsfestigkeit macht LEDs als Leuchtmittel besonders interessant für Applikationen im Maschinenbau oder in Anlagen mit großen Dieselaggregaten (Schiffe, Offshore-Anlagen).
Die Leuchtstärke einer LED kann sehr einfach durch Veränderung des Betriebsstromes variiert werden. Im Vergleich zu Entladungslampen verringert sich dadurch weder die Energieeffizienz noch die Lebensdauer. Aus diesem Grund eignen sich Leuchten mit LEDs hervorragend für intelligente Lichtlösungen, wie z.B. die Regelung der Lichtstärke einer damit ausgerüsteten Leuchte in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit.
- Die Lebensdauer von LEDs übersteigt die Werte von Glühlampen und Leuchtstofflampen um ein Vielfaches. Je nach Qualität und Einsatzbedingungen kann mit einer Lebensdauer zwischen 30.000 und 100.000 Stunden gerechnet werden. Dadurch ist eine deutliche Reduzierung des Austauschintervalls für das Leuchtmittel und damit der Wartungskosten möglich.
- Je tiefer die Umgebungstemperatur ist, umso höher ist der Wirkungsgrad der LEDs und umso länger ist deren Lebensdauer. Dies macht LEDs auch als Leuchtmittel für Einsatzbereiche mit langanhaltend tiefen Temperaturen besonders geeignet. Umgekehrt muss aber festgestellt werden, dass Wirkungsgrad und Lebensdauer mit ansteigender Umgebungstemperatur abfallen.
Aufgrund der genannten Eigenschaften sind die LEDs auch für den Einsatz in der explosionsgeschützten Beleuchtungstechnik interessant. Allerdings muss man hier den gegenwärtig zu verzeichnenden Boom mit Nüchternheit und Überlegung betrachten. Rein technisch gesehen besteht aufgrund der oben genannten technologischen Entwicklung mittlerweile die Möglichkeit, die meisten Beleuchtungsaufgaben in explosionsgefährdeten Bereichen auch mit LEDs zu lösen. Es muss jedoch berücksichtigt und gegengerechnet werden, ob die Vorteile der LED-Leuchten, wie längere Lebensdauer und geringere Wartungskosten, die höheren Anschaffungspreise rechtfertigen. Ein einfaches Beispiel soll dies verdeutlichen: Beim Ersatz einer herkömmlichen einflammigen 36W Langfeldleuchte durch eine lichttechnisch gleichwertige LED-Lösung muss die eine Leuchtstofflampe, die bei großen Abnahmemengen einen Anschaffungspreis von weniger als 1 Euro hat, durch ca. 30 Leistungs-LEDs ersetzt werden, von denen jede einzelne gegenwärtig noch ca. 1 Euro kostet. Rechnet man den Verdrahtungsaufwand hinzu, kostet das komplette LED-Leuchtmittel ca. 40 Euro. Gute Leuchtstofflampen haben mittlerweile eine Lebensdauer von 30.000 bis 60.000 Stunden. Selbst wenn man mit der weit höheren LED-Lebensdauer rechnet, muss man feststellen, dass ein Ersatz der herkömmlichen Beleuchtung gegenwärtig nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich Sinn macht, z.B. dann, wenn der Installationsort der Leuchten extrem schwer zugänglich und damit ein Austausch der Leuchtmittel mit hohen Kosten verbunden ist. Diese Aussage beschreibt allerdings nur eine Momentaufnahme der Situation am LED-Markt. Dieser entwickelt sich durch den technischen Fortschritt und die damit verbundene Reduzierung der Herstellkosten momentan so rasant, dass bereits in absehbarer Zeit eine großflächige Ablösung der konventionellen Beleuchtungstechnik durchaus möglich sein könnte. Bevor einige interessante Beleuchtungslösungen für explosionsgefährdete Bereiche mit LED-Technik vorgestellt werden, wird im folgenden Abschnitt versucht, einen groben Abriss des Standes der LED-Technik mit besonderer Beachtung des Explosionsschutzes zu geben.
- Bild 2: Patentierter explosionsgeschützter Leuchtmelder mit LEDs
Technische Entwicklungen und Einschränkungen der LED Technik
Light Emitting Diode(s) oder LEDs werden bereits seit vielen Jahren in der Industrie eingesetzt. Einen kompakten Überblick dieser Entwicklung sowie der physikalischen Grundlagen gibt der Artikel ›Weißes Licht‹ aus Leuchtdioden‹ in der Ex-Zeitschrift 2004. Besonders die Vibrationsunempfindlichkeit und die lange Lebensdauer bewirkten, dass LEDs in großen Stückzahlen zu Signalzwecken eingesetzt werden. Muss man herkömmliche Glühlampen im Schnitt alle 1.000 Stunden austauschen, kann man bei LEDs mit einer Lebensdauer von ca. 50.000 Stunden und mehr rechnen. Auch im explosionsgefährdeten Bereich hielt daher die LED-Technik bereits frühzeitig Einzug: Seit den siebziger Jahren bietet R. STAHL patentierte explosionsgeschützte Leuchtmelder mit LEDs an (Bild 2).
- Bild 3: Lichtausbeute der verschiedenen Lampentypen
Allerdings beschränkten anfangs die relativ geringe Lichtausbeute sowie die Tatsache, dass man LEDs lediglich in den Farben Rot, Grün und Gelb erzeugen konnte, die Einsatzmöglichkeiten. Erst um die Jahrtausendwende kam der Durchbruch. Zunächst wurde in Japan durch die Verwendung der Materialkombination InGaN auf Saphirsubstrat eine LED entwickelt, die leuchtend blaues Licht emittieren konnte. Anschließend gelang es durch die Kombination einer blauen LED mit einem Leuchtstoff, der das blaue Licht absorbiert, womit dann ein breiteres Spektrum im sichtbaren Bereich ausgestrahlt wird, leistungsfähige weiße LEDs herzustellen. Zusammen mit der stetigen Steigerung des Wirkungsgrades führten diese Entwicklungen dazu, dass sich die LEDs zunehmend Anwendungsgebiete eroberten, die bislang konventionellen Leuchtmitteln, wie Glüh- oder Gasentladungslampen, vorbehalten waren. Ein wichtiges Charakteristikum eines Leuchtmittels ist die Lichtausbeute. Sie sagt aus, wie viel die einer Lampe zugeführten elektrischen Leistung in einen, vom Auge erfassbaren Lichtstrom umgewandelt wird. Bild 3 gibt einen Überblick über die Lichtausbeuten verschiedener Leuchtmittel.
- Bild 4: Explosionsgeschützte LED-Taschenleuchte
Viele der heute am Markt erhältlichen LEDs weisen zwischen 40 und 90 Lumen/Watt Lichtausbeute auf. Damit liegen sie zwar teilweise noch knapp hinter den Leuchtstofflampen (50–100 Lumen/Watt), aber bereits deutlich vor den Glühlampen bzw. Halogenlampen. Den Wert des Spitzenreiters, der Natrium-Hochdruckdampflampe von 175 Lumen/Watt, erreichen die effizientesten weißen LEDs bislang mit 160 Lumen/Watt zwar noch nicht, dennoch ist absehbar, dass auch diese Schwelle in absehbarer Zeit überschritten werden kann. Gegenwärtig sind LEDs mit solch einer hohen Lichtausbeute noch sehr teuer, da sie nur mit aufwändigen Selektionsverfahren hergestellt werden können. Eine zentrale Problematik beim Einsatz von Hochleistungs-LEDs ist ein bestimmter Temperatureinfluss. Die damit verbundenen Temperaturprobleme sind nicht auf die Lichterzeugung an sich zurückzuführen – LEDs erzeugen Licht durch Elektroluminiszenz und können daher nur ›kaltes‹ monochromatisches Licht ausstrahlen. Da die elektrische Verlustleistung aber nicht wie bei der Glühlampe über die Lichtabstrahlung umgesetzt wird, muss die gesamte Verlustleistung über die Chipfläche, die eine Größe von nur wenigen mm² hat, abgeführt werden. Erfolgt dies nicht, können sehr hohe Temperaturen am Halbleitermaterial der LED entstehen, was zu einer Verringerung der Lebensdauer oder zur Zerstörung der LED führt. Die Vermeidung von Heißpunkten hat, neben der Beeinträchtigung der Funktion und Lebensdauer der LED, speziell im Explosionsschutz, eine besondere Bedeutung. Unter normalen Temperaturbedingen, wie sie in den Datenblättern der Hersteller angegeben sind, erreichen LEDs, die mit niedrigen Strömen betrieben werden eine Lebensdauer von mehr als 100.000 Stunden. Die Angabe der Lebensdauer in den Herstellerunterlagen informiert in der Regel über den Anteil der noch funktionierenden LEDs an der Gesamtheit der Testlampen. So bedeutet die Angabe: ›B 50 bei 100.000 Stunden‹, dass nach einer Betriebszeit von 100.000 Stunden unter den spezifizierten Bedingungen noch 50% der getesteten Dioden funktionieren oder umgekehrt, dass nach dieser Zeit die Hälfte der LEDs nicht mehr funktioniert.
Anwendungen in explosionsgeschützten elektrischen Betriebsmitteln
Wie oben bereits erwähnt, können fast alle bekannten Beleuchtungsaufgaben für industrielle Anlagen einschließlich der explosionsgefährdeten Bereiche mittlerweile auch mit LEDs gelöst werden. Die Frage ist nur, ob das insgesamt erzielbare Preis-Leistungs-Verhältnis von den Kunden akzeptiert wird. Viele der derzeit am Markt angebotenen LED-basierten Lösungen sind zwar preislich vergleichbar mit herkömmlichen explosionsgeschützten Leuchten, beim näheren Hinschauen stellt man allerdings fest, dass die lichttechnischen Eigenschaften nicht immer befriedigend sind. Oder es gibt dafür Ausführungen, die mit konventionellen Produkten technisch vergleichbar sind, aber dafür einen wesentlich höheren Preis haben. Im Folgenden sollen einige explosionsgeschützte Leuchten mit LED-Technik vorgestellt und dabei auf ihre Vorteile bei der Anwendung eingegangen werden. Eine Leuchtenart, bei der die Vorteile der neuen Technik eindeutig in den Vordergrund treten und sich LEDs als Leuchtmittel bereits durchgesetzt haben, sind Hand- und Taschenleuchten. Für diese Leuchten standen bislang lediglich Glühlampen mit kurzer Lebensdauer und schlechter Lichtausbeute zur Verfügung, so dass dort LEDs bereits seit einigen Jahren ihre Überlegenheit ausspielen können. In den meisten Fällen reicht der hohe Innenwiderstand der Batterien aus, um einen relativ konstanten Versorgungsstrom zu gewährleisten. Auch der LED-typische enge Abstrahlwinkel ist bei dieser Leuchtenart nicht störend. In Bild 4 ist eine explosionsgeschützte LED-Taschenleuchte mit den Kenndaten II 2G Ex ib IIC T4 bzw. II2DExibD21T81°CIP68 von R. STAHL dargestellt.
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Bild 5: LED-Cluster-Leuchte Typ 6590 | Bild 6: Druckfest gekapselte Signalleuchte Typ 6162 |
Ein weiteres Produkt, bei dem die Vorteile von LEDs zum Tragen kommen, ist die LED-Cluster Leuchte Typ 6590 (Bild 5). Die Besonderheit dieser für die Zone 2 zugelassenen Leuchte ist die schnelle und flexible Montage auf einem speziellen Flachbandkabel. Die Kontaktierung erfolgt mittels Piercingtechnik beim Zuschnappen des Leuchtengehäuses ohne weitere Arbeitsschritte. Da das Isolationsmaterial des Kabels Selbstheilungseigenschaften besitzt, kann eine spätere Veränderung der Montageposition auf einfachste Weise vorgenommen werden. Typische Anwendungsfälle für diese LED-Leuchte sind die Kennzeichnung von Rettungswegen sowie die Beleuchtung von Geländern, Handläufen, Treppenabgängen und in Schaltschränken. Die Zündschutzart ist ›nonsparking‹ (Ex nA). Der bei LEDs gegebene Sofortstart und die hohe Schalthäufigkeit ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer wird mehr und mehr auch für Anwendungen im Signalbereich genutzt. In Bild 6 ist die druckfest gekapselte Signalleuchte Typ 6162 dargestellt, die in den Zonen 1, 2, 21 und 22 eingesetzt werden kann. Durch den Einsatz der LED-Technik wird außerdem eine energiesparende Lösung bei einer sehr guten Signalwirkung erreicht. Durch die geringe Stromaufnahme ist die Eigenerwärmung der Leuchte gering, so dass die Temperaturklasse T6 bzw. die zulässige Maximaltemperatur von 80°C eingehalten wird und damit auch die breite Anwendung im Staubexplosionsschutz möglich ist. Die verschiedenen Funktionen der Signalleuchte werden über ein Terminal mit der entsprechenden Software eingestellt. Im dargestellten Beispiel ist der Einsatz mit Dauerlicht oder rotierendem Licht (Rundumleuchte) möglich. Bei der Anwendung als Rundumleuchte werden keine mechanisch bewegten Teile mehr in der Leuchte verwendet, wodurch die Lebensdauer deutlich erhöht wird. (s. Produkt-Neuheiten)
Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Blitz- oder Blinkleuchten mit LEDs. Auch hier ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Signalleuchten mit herkömmlichen Halogen- oder Xenonlampen, die sehr lange Lebensdauer des LED-Leuchtmittels. Für Langfeldleuchten gibt es mittlerweile ebenfalls Alternativprodukte auf LED-Basis. In Bild 7 ist eine rohrförmige LED-Langfeldleuchte dargestellt. Das transparente Kunststoffrohr stellt einen abgeschlossenen druckfesten Raum in der Zündschutz ›d‹ dar. Mit mehreren LEDs wird eine Lichtleistung erzielt, die in etwa mit einer 14W Leuchtstofflampe vergleichbar ist. Typische Einsatzmöglichkeiten einer solchen Leuchte z.B. sind Maschinenbeleuchtungen, die Beleuchtung von Rettungswegen und Hinweisschildern sowie die Beleuchtung an schwer zugänglichen Stellen. Aufgrund der robusten Konstruktion und der Verwendung hochwertiger LEDs kann man von praktisch wartungsfreien Leuchten sprechen.
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Bild 7:Rohrförmige LED-Langfeldleuchte | Bild 8:Druckfest gekapselte Hängeleuchte mit einem Hochleistungs-LED-Einsatz |
Auch die altehrwürdige Hängeleuchte kann mittels LED Technik modernisiert werden. Bild 8 zeigt eine druckfest gekapselte Hängeleuchte mit einem Hochleistungs-LED-Einsatz. Die Anordnung und Anzahl der LEDs wird durch die Beleuchtungsaufgabe mit der vorgegebenen Lichtstärkeverteilung bestimmt. Im Gegensatz zu Hochdruck-Entladungslampen und Glühlampen weisen LEDs einen kleineren Abstrahlwinkel auf. Ist eine Abstrahlung über 360° notwendig, müssen entweder mehrere LED-Module in der Hängeleuchte so angeordnet werden, dass diese in verschiedene Richtungen abstrahlen oder es muss eine spezielle Optik verwendet werden, die das Licht entsprechend verteilt. Die Mehrkosten solcher Lösungen sind in speziellen Anwendungsfällen, wie z.B. mit den Forderungen nach langer Lebensdauer, Einsatz bei Temperaturen unterhalb –30°C oder nach sofortigem Wiedereinschalten der Leuchte nach einem Netzausfall, gerechtfertigt.
Ausblick
Zweifellos stellen LEDs das Leuchtmittel dar, welches in Zukunft die Mehrzahl der Beleuchtungsaufgaben übernehmen wird. Die rasante Entwicklung der LED-Technik der vergangenen 10 Jahre ist noch lange nicht zu Ende. Und so werden die Produkteigenschaften in den kommenden Jahren sicher weiter verbessert. Welche Werte dabei erzielt werden können, wurde oben bereits erwähnt. Weitere Verbesserungen der Herstellungstechnologien, die ständig steigenden Fertigungsstückzahlen sowie die zunehmende Konkurrenz auf den Weltmärkten werden dafür sorgen, dass die Kosten und damit Marktpreise weiter fallen. Interessant ist auch, welche Fortschritte in den nächsten Jahren auf dem Gebiet der OLED-Technik erzielt werden können. Organisch basierte LEDs strahlen, im Vergleich zu den bisher bekannten LEDs, das Licht großflächig ab und kommen damit der natürlichen Lichtverteilung sehr nah. Im Moment ist diese Technologie, die Lebensdauer und Lichtausbeute betreffend, jedoch noch nicht ausgereift und wird aus diesen Gründen nur für spezielle Anwendungsfälle eingesetzt. Die Entwicklung und Produktion von 200W und 400W-Scheinwerfern für die Zone 1 ist schon heute realisierbar, es stellt sich jedoch die Frage, ob die Kunden in diesem Fall bereit sind, den erhöhten Anschaffungspreis für LED-Leuchten zu bezahlen. Bei allem Optimismus hinsichtlich der Anwendung von LEDs als Leuchtmittel sollte man nicht verkennen, dass die Ablösung von Beleuchtungsanlagen mit älternen Lichtquellen nur nach und nach in einem längeren Zeitraum erfolgen kann. Dafür sprechen langjährige Gewohnheiten, der massenhafte Einsatz der bisherigen Technik in bestehenden Anlagen sowie Defizite in der Information über die neue Technik beim Personal und in den Unterlagen der Planungs-, Installations- und Betreiberfirmen.