Vernetzte Leuchten Power over Ethernet und die Chancen für die LED-Beleuchtung

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Werden LED-Leuchten über PoE mit Energie versorgt, ist das zwar teurer, aber die LED-Leuchten lassen sich ins Internet of Things integrieren und sind sicher für die Zukunft.

Nach Glühlampe, Halgogenlampe und Energiesparlampe hat sich die LED in der Beleuchtung auf breiter Front durchgesetzt. Ihr großer Vorteil ist die Energieeffizienz und die längere Lebensdauer im Vergleich zu den bisherigen Beleuchtungsmitteln. Zudem erlauben es die kleineren Abmessungen der LED, sie platzsparend in Leuchten zu integrieren. Für Industrie und Gewerbe sprechen Lebensdauern von 50.000 Stunden. Der umständliche Austausch mit den verbundenen Sicherheitsrisiken wird reduziert. Auch die reinen Betriebskosten sind bei LEDs geringer, und nicht zuletzt entspricht die von einem LED-Leuchtmittel mit 10 W erzeugte Helligkeit ungefähr der einer Glühlampe mit 60 W [1].

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Die Vorteile der LED-Beleuchtungen sind also umfassend erforscht und unstrittig. Uneins ist man hingegen noch, wie man sie effizient mit Strom versorgt. Der vorliegende Artikel erläutert, wie sich LEDs mithilfe der PoE- (Power-over-Ethernet-)Technik mit Gleichstrom versorgen lassen. Vergleicht man die PoE-Technik mit der traditionellen Versorgung aus dem Wechselstromnetz, so liegt der Systemwirkungsgrad ungefähr auf dem gleichen Niveau. Einen Vorsprung verbucht die PoE-Technik allerdings, sobald man die weiteren Vorteile der Vernetzung von Beleuchtungen per LAN und die niedrigen Wartungskosten der LEDs mit einbezieht.

LEDs mit Gleichstrom über PoE versorgen

LEDs werden prinzipbedingt mit kleinen Gleichspannungen betrieben. Um die Kompatibilität zur traditionell verwendeten Wechselspannung sicherzustellen, enthalten die meisten für Beleuchtungszwecke verwendeten LED-Treiber einen AC/DC-Wandler, der die Gleichspannung aus der Netzwechselspannung erzeugt. Weil dieser Umwandlungsprozess den Systemwirkungsgrad verringert, wurde die Verwendung DC-basierter Stromversorgungs-Systeme vorgeschlagen. In verschiedenen Studien wurden die Kosten des bestehenden AC-Systems mit denen eines DC-basierten Systems verglichen.

Die Gleichstromversorgung von LED-Leuchten lässt sich heute mit der PoE-Technik realisieren. Sie unterliegt der Norm IEEE 802.3, die ursprünglich 2003 herausgegeben und 2009 aktualisiert wurde. Diese Norm sieht vor, dass Stromversorgung und Datenkommunikation über ein und dasselbe genormte Netzwerkkabel, beispielsweise über Cat5, direkt an die zu vernetzenden Geräte geführt werden können. Die Stromversorgung erfolgt durch das im Switch bzw. Hub befindliche PSE (Power Sourcing Equipment). Das mit Strom versorgte Gerät, also im hier erwähnten Fall eine LED, wird dagegen als ein sogenanntes „Powered Device“ (PD) bezeichnet.

Mehr Leistung als das PD maximal aufnehmen darf

Um die im ungünstigsten Fall zu erwartenden Verluste im Netzwerkkabel zu berücksichtigen, stellt das PSE mehr Leistung zur Verfügung, als das PD maximal aufnehmen darf. Der ursprüngliche PoE-Standard IEEE 802.3af legte fest, dass das PSE mindestens 15,4 W mit einer Spannung von 44 bis 57 V_DC zur Verfügung zu stellen hat. Das erfolgt auf Kabeln der Kategorie 3 oder besser. In diesem Szenario darf das PD eine maximale Leistung von 13 W aufnehmen bei einer Spannung von 37 bis 57 V_DC.

Später wurde in der Norm IEEE 802.3at die Leistung des PSE auf 30 W bei Spannungen von 50 bis 57 V_DC angehoben; dabei kommen Kabel der Kategorie 5 oder besser zum Einsatz. Das PD darf in diesem Szenario maximal 25,5 W in einem Spannungsbereich von 50 bis 57 V_DC aufnehmen. Die Norm IEEE 802.3bt, deren Ratifizierung demnächst zu erwarten ist, wird den Leistungsbereich der PoE-Technik noch weiter vergrößern: am Ausgang des PSE können hier Leistungen bis 90 W verfügbar sein (siehe dazu Tabelle 1).

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