LED-Beleuchtung mit PoE: effizient, smart & günstig

Power over Ethernet als Basis für die zukunftsweisende Gebäudeautomation

 

Die Vorteile der LED-Beleuchtung sind mittlerweile allgemein bekannt. Laut einer McKinsey-Studie sollen im Jahr 2020 bereits 60 % aller Leuchten mit LEDs ausgestattet sein. Beim Umstieg zur LED fallen häufig Schlagworte wie Energieeffizienz, Kosteneinsparung, Qualität und Automatisierung / IoT. 

Bezüglich der Spannungsversorgung der LED-Leuchten gibt es heute viele verschiedene Ansätze. Grundsätzlich benötigt eine LED zum Betrieb Gleichstrom (DC).  LED-Leuchten und -Leuchtmittel, die an Netzspannung angeschlossen werden, benötigen ein Netzteil mit verlustbehafteter AC/DC-Wandlung.  Im Folgenden wird die  Versorgung über „Power over Ethernet - PoE“ näher betrachtet.

PoE bezeichnet ein Verfahren, bei dem netzwerkfähige Geräte über das 8-adrige Ethernetkabel (z.B. CAT5/6/7) mit Strom versorgt werden. Der aktuelle Standard IEEE 802.3at spezifiziert Abgabeleistungen bis zu 30W über zwei Leitungspaare und ist mit Fast- und Gigabit-Ethernet kompatibel.  Bei Verwendung von 4 Leitungspaaren sind 60 W möglich. Der neue Standard IEEE 802.3bt bis 90 W und 10 Gbit soll 2017 verabschiedet werden.

In der Bürobeleuchtung werden häufig Leuchten mit 30-50W eingesetzt. Diese können schon heute mit bewährter PoE-Technik ausgestattet werden.

Um Nicht-PoE-Geräte zu schützen und ungewünschte Effekte zu vermeiden, wird der Strom erst freigeschaltet nachdem der Verbraucher sich als PoE-Gerät zu erkennen gegeben hat und der Leistungsbedarf bestimmt wurde. Sowohl die Stromversorgungsseite (PSE: Power Source Equipment) als auch die Verbraucherseite (PD: Powered Device) benötigt dafür spezielle Elektronik-Schaltungen. Die Spannung bei PoE beträgt 50-54V DC und kann somit leicht für die LED verwendet werden.

PoE zur Versorgung von LED-Leuchten wird natürlich erst dann richtig sinnvoll, wenn Ethernet zur Datenübertragung genutzt wird. Neben dem Schalten und Dimmern der LEDs ist die Integration weiterer Sensoren und Aktoren in die Leuchte möglich. Durch Hinzufügen von Sensoren, z.B. für Bewegung, Anwesenheit, Temperatur, Helligkeit, Luftqualität oder  Lautstärke entsteht ein „ Smart LED Hub“ im Internet der Dinge  (IoT).  Wird noch ein Nahfeld-Funkmodul hinzugefügt, entsteht ein Access Point  über den ein lokal begrenzter Zugriff mit Smartphones möglich wird.
Eine mögliches Blockschaltbild einer PoE-LED-Leuchte als „Smart LED Hub“


 
Bild: PD_Smart-LED-HUB_dual_MEV.jpg


Damit ist es möglich Gebäude zu automatisieren und verschiedene Gewerke wie Licht, Heizung, Lüftung und Beschattung miteinander zu vernetzen und automatisch auf die Anforderungen anzupassen. Dadurch werden Arbeitsbedingungen verbessert und Betriebskosten eingespart.

Auch beim Bau und bei der Instandhaltung können Kosten gesenkt werden. Anders als bei anderen Automationssystemen wie KNX, DALI oder LON ist bei PoE nur ein gemeinsames Kabel für die Versorgung und die Daten nötig. Das verringert den Installationsaufwand erheblich.  Die Leuchten können von der IT-Abteilung installiert und gewartet werden, da keine Netzspannung verwendet wird.  Die Leuchten sind „Plug & Play“ , der einzige Anschluss ist ein gebräuchlicher RJ45 Steckverbinder.

Wird Energieverbrauch mit herkömmlichen Netzspannungsversorgungen gegenüberstellt, ist die System-Effizienz vergleichbar. Durch die Möglichkeiten der Netzwerksteuerung ergibt sich jedoch ein klarer Vorteil für die Versorgung über PoE. Die Verluste über das CAT-Kabel sind meistens eher gering, da die Leitungslängen innerhalb eines Raumes in der Regel nicht so groß sind. 

Zur praktischen Umsetzung bietet die Firma Microsemi Lösungen als fertige PSE-Systeme wie Switches und Midspans (Injektoren) als auch Chipsets für PSE- und PD-Anwendungen an. Die PoE-Sparte von Microsemi wurde 1995 als PowerDsine gegründet und 2007 zugekauft. PowerDsine war als treibende Kraft wesentlich an der Standardisierung von PoE beteiligt. In über 400 verschiedenen PoE-Switches werden Microsemi PSE-Manager-ICs  verwendet. Der Marktanteil bei Midspans (Injektoren) liegt weltweit bei 80 %.

Speziell für die Installation in die Zwischendecke wurde der neue lüfterlose Gbit-Switch
PDS-208G entwickelt. Er bietet 8 PoE-Ports mit 30W sowie zwei weitere Ethernet Ports. Außerdem gibt es eine große Anzahl an PoE-Midspans (Injektoren) mit 1, 4, 6, 12 und 24 Ports, sowie IP66 geschützte Produkte für den Außenbereich.
Die Struktur einer PoE-Lichtinstallation mit 6 LED-Leuchten:


 
Bild: PoE_Smart-LED-Lighting_MEV.jpg


Für Anwendungen, bei denen die PoE-Versorgung (PSE) in die eigene Elektronik integriert werden soll, gibt es eine Auswahl an 1-, 4- und 8-Port PSE-Chipsets, die kaum externe zusätzliche Bauteile benötigen. Bei einigen gibt es eine automatische Leistungs-Verteilung für die einzelnen Ports.

Für den Verbraucher (PD) – hier die PoE-Leuchte – gibt es zwei mögliche Architekturen: Beim reinen PD-Frontend-IC ist nur der zur Umsetzung von PoE relevante Teil vorhanden. Ein PD-Controller hat zusätzlich einen DC/DC-Regler integriert, so dass nur noch einige externe Bauteile nötig sind. Der MOSFET-basierte Gleichrichter „IdealBridge™“ reduziert die Verluste im PD erheblich und trägt so zur besseren Energieeffizienz bei.

Bereits heute gibt es eine Reihe von Firmen, die Leuchten und Automatisierungs-Lösungen mit PoE anbieten. Eli Ohana, vom Microsemi Produkt Marketing: „Da jetzt Global Player wie Philips, Cisco und Cree in den Markt einsteigen, ist zu erwarten, dass dieser in den nächsten Jahren rasant wächst. Aktuell werden die Weichen für die Marktanteile in der Zukunft gestellt.“

Am 21. September 2016 veranstaltet die MEV ein kostenloses Seminar zum Thema PoE in Nürnberg. Unter anderem werden dort Spezialisten von Microsemi aus Israel ihr Know-How weitergeben. Anmeldungen sind online über die MEV Website möglich.


Dipl.-Ing. Guido Gandolfo
Product Line Manager
ggandolfo@mev-elektronik.com

 

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