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ProtoNews

LEDs versprechen drastische Kosteneinsparungen und wichtige betriebliche Vorteile bei der neuen Generation von Sportplatzbeleuchtungen.

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Während die meisten anderen Beleuchtungsanwendungen nun den Übergang zu LED-Lichtquellen vollziehen, haben Hersteller von Flutlichtstrahlern, die Fußballfelder, Tennisplätze und andere große Außensportplätze beleuchten, bis vor kurzem eine weit verbreitete Präferenz für konventionelle Hochdruckentladungslampen (HID) beibehalten. HID-Lampen bieten einen hohen Lichtstrom und eine hochwertige Lichtausbeute. Darüber hinaus sind die elektrischen und optischen Aspekte für Flutlichtplaner leicht zu handhaben.

Die ArenaVisionDie ArenaVision MVF404 Halogen-Metalldampflampe von Philips Lighting, Teil des Sortiments an High-Flux-HID-Lampen für die Sportplatzbeleuchtung. (Bildnachweis: Philips Lighting, eine Marke von Signify.)

Es gibt jedoch Anzeichen dafür, dass sich eine Trendwende in Richtung neuer und verbesserter LED- und Treiberlösungen vollziehen könnte: So sorgte Signify (ehemals Philips Lighting) mit der Installation von LED-Leuchten für Schlagzeilen, um die Spielfläche der Jekaterinburg-Arena in Jekaterinburg, einem der russischen Stadien, in denen Fußballspiele der Weltmeisterschaft 2018 stattfanden, zu beleuchten.

Welche Faktoren sprechen also für den Wechsel hin zu LED-Lichtquellen in der Sportplatzbeleuchtung? Und wie unterscheidet sich das Design einer LED-basierten Sportplatzleuchte von dem eines HID-basierten Scheinwerfers?

Hohe Kosten für den Austausch von HID-Lampen

Es gibt zwei gute Gründe, warum sich die Betreiber von Stadien und Sportstätten über das Ende der HID-Lampentechnologie freuen werden. Zunächst die begrenzte Lebensdauer der Lampen: eine typische B50-Lebensdauer (mittlere Zeit bis zum Ausfall) von nur 5.000 Stunden. Das bedeutet, dass HID-Strahler häufig ausgetauscht werden müssen. Und da die zu ersetzende Lampe sich an der Spitze eines schmalen Mastes in einer Höhe von bis zu 25 m liegen kann, sind spezielle Zugangs- und Sicherheitseinrichtungen sowie qualifizierte Techniker erforderlich – was mit erheblichen Kosten verbunden ist.

Der andere Hauptnachteil von HID-Lampen ist ihr Verhalten im Falle eines unerwarteten Abschaltens, z.B. bei Ausfall des Stromkreises eines Stadions. HID-Lampen benötigen vor dem Neustart eine Abkühlzeit von 10-15 Minuten und nach dem Neustart 5 Minuten, um die volle Helligkeit zu erreichen. Diese Dunkelperiode oder Zeit bei partieller Beleuchtung kann potenziell verheerend sein, wenn während eines gut besuchten Spiels ein Stromausfall auftritt: Die Folgen für die Sicherheit und die öffentliche Ordnung, wenn Zehntausende von Menschen in einem dunklen Stadion bei Spielunterbrechung festsitzen, sind äußerst schwerwiegend.

Eine LED-basierte Lichtquelle schließt beide Probleme aus: Die Lebensdauer einer LED-Lichtquelle in einem Scheinwerfer hängt von der Art und Weise ab, wie das Design umgesetzt wird, liegt aber typischerweise im Bereich von 50.000 bis 100.000 Stunden; und LEDs können sofort mit voller Helligkeit eingeschaltet werden, wenn die Stromversorgung eingeschaltet oder nach einem Netzausfall wiederhergestellt wird.

Der Einsatz von LED-Lichtquellen für die Sportplatzbeleuchtung bringt weitere wichtige Vorteile mit sich:

  • Effizienz – von einem LED-System wird eine Lichtquellenwirksamkeit von mehr als 120lm/W erwartet, während die nominale Effizienz einer HID-Lampe bei etwa 90lm/W liegt.
  • Niederspannungsanlauf – eine HID-Lampe benötigt einen Hochspannungszünder zur Zündung von ca. 5kV. Dies erfordert den sorgfältigen Einsatz von Sicherheits- und Stromkreisschutzfunktionen. Darüber hinaus kann die Zündung von HID-Lampen bei Temperaturen unter 0 °C schwierig sein. LEDs benötigen keinen derartigen Hochspannungszünder.
  • Dimmen – HID-Lampen lassen sich nicht dimmen. Im Gegensatz dazu kann die Leistung von LEDs leicht auf sehr niedrige Werte heruntergedimmt werden. Dies ist nützlich für die Energieeinsparung durch Tageslichtnutzung oder, um eine geringere Ausleuchtung für Trainingseinheiten oder Juniorenspiele, die weniger Zuschauer als große Wettkämpfe haben, zu erreichen.
  • Dynamische Lichteffekte – da LEDs sofort ein- und ausgeschaltet werden können, können Stadien dynamische Lichteffekte einsetzen, um Spannung in der Zuschauermenge zu erzeugen, z.B. nachdem ein Tor erzielt wurde oder wenn eine „Power Play“-Phase beginnt und endet.

Überlegungen zur Gestaltung von LED-Flutlichtanlagen

Die Vorteile, die sich aus dem Einsatz von LEDs in Scheinwerfern ergeben, sind daher erheblich. Die Art der Anwendung stellt jedoch besondere Anforderungen an das Design von High-Mast LED-Beleuchtungen, und diese haben bis vor Kurzem die Versuche der Hersteller untergraben, LEDs in der Sportplatzbeleuchtung einzusetzen. Im Jahr 2018 führten die Anbieter von LEDs, Treibern und Optiken jedoch eine Reihe neuer Produkte ein, die den besonderen Anforderungen an die High-Mast-Stadionbeleuchtung gerecht werden, und wie dieser Artikel aufzeigt, ist es heute einfacher als früher, ein effektives Flutlicht Design auf Basis einer LED-Lichtquelle zu entwickeln.

Die Schwierigkeit der Herstellung von LED-Flutlichtern ergibt sich aus einer Kombination von strengen Anforderungen. Die Spielfläche, die eine gleichmäßige Ausleuchtung und keine Schatten benötigt, ist groß: Beim Tennis ist der Platz selbst 260 m² groß und die Gesamtfläche inklusive Platz für Linienrichter, Spielersitze usw. beträgt rund 680m². Beim Fußball ist die Fläche noch größer: Das Spielfeld beträgt rund 7.000 m² und die gesamte beleuchtete Fläche rund 10.000 m². Der Beleuchtungsbedarf hängt davon ab, ob das Feld für Amateure bestimmt ist und weniger helles Licht benötigt, oder für professionellen Zuschauersport auf hohem Niveau: Im letzteren Fall kann eine Beleuchtungsstärke von >1.000 Lux auf der Spielfläche erforderlich sein. Abhängig von der Höhe des Mastes und der Größe der Spielfläche erfordert dies eine Lichtleistung von hundert bis tausend Kilolumen von der Lichtquelle.

Und diese enorme Lichtleistung muss von der kleinstmöglichen lichtemittierenden Fläche aus erbracht werden. So wird die Sicht der Zuschauer nicht beeinträchtigt: Bei Mastleuchten sollte der Mast so schmal wie möglich sein, was eine kleine Lichtquelle erfordert, die den Mast möglichst wenig belastet; bei der Montage auf dem Dach eines Stadions sollte die Lampe klein und ebenfalls leicht sein, da die Struktur eines Stadiondaches normalerweise nicht für schwere Objekte ausgelegt ist.

Auch bei der professionellen Stadionbeleuchtung wird die Lichtqualität von den TV-Sendern genau festgelegt. Der Television Lighting Consistency Index (TLCI) wurde von der Europäischen Rundfunkunion entwickelt, um die Fähigkeit einer Lichtquelle zu messen, Farben beim Betrachten mit einer Videokamera richtig darzustellen. Es besteht eine Korrelation zwischen dem TLCI und dem Colour Rendering Index (CRI), der die Genauigkeit der Farbwiedergabe misst, wie sie vom menschlichen Auge und nicht von einer Kamera wahrgenommen wird. Entwickler von LEDs sollten jedoch nicht davon ausgehen, dass eine High-CRI-LED auch die TLCI-Anforderungen erfüllt.

Die Flutlichtanlage Philips ArenaVision beleuchtete das Phoenix Snow Stadion bei den Olympischen Winterspielen 2018 in Südkorea. (Bildnachweis: Signify [ehemals Philips Lighting])Die Flutlichtanlage Philips ArenaVision beleuchtete das Phoenix Snow Stadion bei den Olympischen Winterspielen 2018 in Südkorea. (Bildnachweis: Signify [ehemals Philips Lighting])

Die HID-Lampe ist eine besonders gute Lösung für die Probleme von Größe und Gewicht: Eine einzige 2kW HID-Lampe produziert 150.000-200.000 lm, so dass nur wenige Lampen an jedem Mast montiert werden müssen (siehe Abbildung 2).

Die Herausforderung beim LED-Design besteht darin, die Lichtaustrittsfläche (LES, Light-Emitting Surface) so klein wie möglich zu halten – was sich bei der Verwendung von universellen LED-Chips als schwierig erweist, die typischerweise jeweils etwa 300 lm produzieren. Mit solchen Geräten würde ein Hochmaststrahler zu viele Einheiten benötigen und eine zu große Fläche einnehmen.

Nun hat Nichia jedoch die NV9W149AM vorgestellt, eine Multi-Die-LED, die bei einem Ansteuerstrom von 2,1 A eine Nennleistung von 2.490lm CRI 90 Licht erzeugt, obwohl sie mit einem Dauerstrom von bis zu 3 A betrieben werden kann. Die LED wird in kompakten Abmessungen von 7 mm x 7 mm x 3,1 mm geliefert. Mit ihrer hohen Effizienz und Lichtqualität ermöglicht sie es Systemdesignern, die selbst von professionellen Sportstadien geforderte sehr hohe Lichtleistung in einer Leuchte mit geringer Gesamtfläche zu erzielen.

Darüber hinaus können Chip-on-Board (CoB)-LEDs eingesetzt werden, die ebenfalls eine hohe Flussdichte bieten, jedoch eine höhere Stellfläche als NV9W149AM-basierte Designs aufweisen. Darüber hinaus führt die relativ hohe Spannung der CoBs und die damit verbundene geringe Kriech- und Luftstrecke zu einer Reduzierung der in Serie schaltbaren CoBs in derselben Schaltung.
In beiden Fällen erzeugt der Betrieb vieler Hochleistungs-LED-Module in unmittelbarer Nähe zueinander eine hohe Abwärme, so dass die Auswahl des Leiterplattenmaterials und des Leiterplattenlayouts ein hohes Maß an Designkompetenz erfordert.

Positionierung von hochleistungsfähigen LED-Treiber

Die Design-Herausforderung beschränkt sich nicht nur auf die Auswahl und Integration der LEDs: Auch die Wahl der Stromversorgung der LEDs hat gravierende Folgen.

Zwei wichtige Faktoren bestimmen die Wahl des LED-Treibers. Zunächst stellt der Treiber eine hohe Last bereit, potenziell mehr als 500 Watt in Beleuchtungssystemen, die beispielsweise in professionellen Fußballstadien eingesetzt werden. Kein Treiber garantiert eine 100%ige Effizienz und die Verlustleistung wird seitens des Treibers als Abwärme abgegeben. Ein 500W-Treiber, der mit einem hohen Wirkungsgrad von 95% arbeitet, erzeugt somit 26 W Abwärme. Bei unsachgemäßer Handhabung kann dies dazu führen, dass das Stromnetz schnell seinen Abschaltschwellenwert für die thermische Sicherheit überschreitet.

Entwickler von LED-Beleuchtungssystemen neigen eher zu dem Konzept einer integrierten Treibereinheit in Form einer selbstverwaltenden Blackbox, die kein externes Wärmemanagement erfordert. In diesem Fall täte der Designer jedoch gut daran zu überlegen, wie große Wärmemengen sicher vom Gehäuse des Treibers an die Umgebungsluft abgegeben werden können, ohne die Luft im Gehäuse des Systems zu überhitzen.

inventronics-transformateur-LED

Ein EFD-1K2SxxxDV LED-Treiber mit 1,2 kW von Inventronics wiegt 6,6kg.

Ein weiteres Problem bei der Treiberauswahl ist das Gewicht: Je leichter die Leuchte, desto schmaler lässt sich der Mast gestalten, und desto weniger strukturelle Unterstützung ist für die Dachbeleuchtung erforderlich. Die EFD-1K2SxxxDV-Serie von 1,2kW LED-Treibern von Inventronics stellt beispielsweise eine ausgezeichnete Wahl für Hochleistungs-Leuchten dar. Mit robusten 6,6 kg (siehe Abbildung 3) wiegt er weniger als ein gleichwertiges Leistungssystem, das aus mehreren Treibern mit jeweils geringerer Leistung besteht.

Eine Alternative zur Montage eines Treibers an der Spitze des Mastes, neben den LEDs, ist die Fernmontage am Fuß des Mastes. Dies ist ein neuartiger Ansatz für das Design von LED-Power-Systemen, für den in anderen Anwendungen keine Anforderungen existieren. Aufgrund der großen Entfernung, die Steuersignale zwischen einem entfernten Treiber und den LEDs zurücklegen müssen, kann die Fernmontage den Betrieb des Rückkopplungskreises beeinträchtigen, was zu Instabilität in der Leistungsabgabe und damit zu einer spürbaren Beeinträchtigung der Lichtabgabe führt. Darüber hinaus muss der Konstrukteur den Spannungsabfall entlang des Kabels und die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Systems berücksichtigen. Die Treiberhersteller beginnen jedoch, die Anforderungen der Fernmontage zu berücksichtigen, wenn sie spezielle neue Treiberprodukte entwickeln.

Bei der Wahl des LED-Treibers werden die Designer von Hochmaststrahler ebenfalls die Spezifikationen für die Ausgangswelligkeit berücksichtigen wollen, die ein Lichtflimmern verursacht und somit für die Beleuchtung von Broadcast-Events von entscheidender Bedeutung ist: Sie sollte auf weniger als 2 % begrenzt werden. Es ist auch wichtig, alle Betriebsbedingungen zu berücksichtigen, insbesondere die Inbetriebnahme bei kaltem Wetter. Die Durchlassspannung der LEDs ist bei Kälte höher als bei normaler warmer Betriebstemperatur. Die Konstrukteure sollten bei der Spezifikation der Ausgangsspannung des Treibers einen erheblichen Spielraum berücksichtigen, der über dem im Normalbetrieb erwarteten Niveau liegt.

Die Wahl der Dimmerschnittstelle ist auch für die Aktivierung dynamischer Beleuchtungsmerkmale wie Blink- oder Dimmmuster von Bedeutung. Gerätehersteller neigen dazu, aufgrund der schnelleren Reaktionszeit im Vergleich zu DALI nach DMX-Steuerung zu greifen. Nur wenige leistungsstarke Treiber bieten eine DMX-Schnittstelle, was DMX-zu-0-10V-Wandler wie den CNV-DMXR von Inventronics wertvoll macht.

Überlegungen zum optischen Design

Die Linse FN16258 STELLA-RS von LEDiL besteht aus hochtemperaturfestem Silikon. (Bildnachweis: LEDiL)

Das letzte wichtige Element des Systems für die Berücksichtigung in der Sportplatzbeleuchtung ist die Strahlführung. In einer typischen Viermasttopologie, mit einem Mast an jeder Ecke einer rechteckigen Spielfläche, muss das Licht aus großer Höhe präzise auf einen Quadranten der Gesamtfläche fallen.

Herkömmliche LED-Kollimatoren sorgen für eine hervorragende Strahlführung aus einer kleinen Punktlichtquelle. Die geringen optischen Verluste in einem Kollimator werden als Abwärme abgeführt. In Systemen mit sehr hoher Flussdichte erzeugt dies viel Wärme, und zwar zu viel für die normalerweise in Linsen für LEDs verwendeten Materialien Polycarbonat (PC) oder PMMA, die sich bei hohen Temperaturen verformen.

> Die Linse FN16258 STELLA-RS von LEDiL besteht aus hochtemperaturfestem Silikon. (Bildnachweis: LEDiL)

 

Auch hier haben Bauteillieferanten spezielle Produkte für die Sportplatzbeleuchtung entwickelt. So liefert LEDiL beispielsweise die FN16258 STELLA-RS, eine Linse, die einen 23°-Punktstrahl mit einem LES von 19 mm erzeugt und mit LEDs mit einem LES von bis zu 30 mm kompatibel ist. Sie wird aus Silikon gefertigt, einem Material, das gegen sehr hohe Temperaturen beständig ist, aber schwer und weniger mechanisch stabil als PC oder PMMA ist.

Ein anderer Ansatz ist der Einsatz von Reflektoren, aber die Notwendigkeit, genügend Luft- und Kriechstrecken zwischen dem Reflektor und der Hochspannungs-LED-Familie zu lassen, könnte zu einigen optischen Verlusten führen, da Licht hinter der Vorderkante des Reflektors austritt.

Verbesserung der Gesamtbetriebskosten und noch mehr

Wie so oft bei der LED-Technologie werden sich die zusätzlichen Anschaffungskosten der LED-basierten Sportplatzbeleuchtung über die gesamte Lebensdauer des Systems amortisieren, was zu geringeren Wartungs- und Austauschkosten sowie niedrigeren Energiekosten führt. Die Qualität und die flexible Betriebsführung eines LED-Beleuchtungssystems bieten wichtige Zusatznutzen. Wie dieser Artikel gezeigt hat, erfordert die Entwicklung eines LED-basierten Ersatzes für traditionelle HID-Lampen eine sorgfältige Abwägung verschiedener elektrischer, thermischer, mechanischer und optischer Aspekte – aber wie das Jekaterinburger WM-Stadion zeigt, ist die LED die Lichtquelle der Zukunft für die Stadionbeleuchtung.

Von Francois Mirand
EMEA Technical Director, Future Lighting Solutions (ein Geschäftsbereich von Future Electronics)
www.futurelightingsolutions.com

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