Smart Cities: Hybridlösungen für LED-Straßenbeleuchtungssysteme

Vor etwa einem Jahrzehnt funktionierten die meisten Straßenlaternen mit Fotozellen, damit sie bei Tageslicht ausgeschaltet werden konnten. Die ANSI C136.10-Norm für Straßen- und Flächenbeleuchtungsanlagen bietet eine gemeinsame Plattform für die Austauschbarkeit von Fotozellen und Buchsen auf Basis von Netzwechselspannung mit 3-poligen Anschlüssen. In Nordamerika entwickelte der Markt für Straßen- und Flächenbeleuchtung ANSI C136.10 als Standardschnittstelle, während er auch in weiten Teilen der Welt zur De-facto-Norm wurde.

Aufgrund gestiegener Energiekosten und der weiten Verbreitung von LED-Technologien wurde ANSI C136.41 entwickelt, um Geräte und Buchsen zur Steigerung der Effizienz von Straßenleuchten zu fertigen. Dieser Standard wurde konzipiert, um mit bestehenden Beleuchtungssystemen abwärtskompatibel zu sein. Er behält den 3-poligen Stromnetzspannungsanschluss bei und fügt Kontakte für den Signalausgang hinzu. Diese Schnittstelle ermöglicht entweder eine digitale oder analoge Dimmsteuerung durch eine Photodiode oder einen Bewegungssensor.

Die Architektur ist so ausgelegt, dass die Stromnetzversorgung in die ANSI C136.41-Fotozellen geleitet wird und diese Leistung auf den LED-Treiber schaltet. Ein internes Netzteil (PSU) wandelt diese Stromnetzversorgung in eine logische Spannung um, um die Steuerungen mit Strom zu versorgen. Oft ist das Dimmsignal in Nordamerika analog (0–10 V), was als kostengünstig und zuverlässig wahrgenommen wird. Die Vernetzung der Straßenlaternen wird durch eine Vielzahl drahtloser Protokolle sichergestellt.

Der ANSI C136.41-Standard enthält nicht viele Details darüber, wie Sensoreingänge in Leuchten integriert werden können. Die Vielzahl der Entscheidungen zur Verdrahtungskonfiguration macht es schwierig, Komponenten zu optimieren. Außerdem beschränkt der analoge Steuerausgang für 0–10 V die Leuchte auf nur einen Eingang. Es werden jedoch erhebliche Anstrengungen unternommen, das D4i-Protokoll, das auf DALI-2 basiert, in zukünftige Standard-Updates aufzunehmen, um dieses Problem zu lösen.

Im Jahr 2010 wurde Zhaga, ein globales Konsortium der Beleuchtungsindustrie, gegründet, um die Schnittstellen von LED-Komponenten in Leuchten zu standardisieren. In jüngster Zeit haben sie ihre Mission auf die Interoperabilität von Komponenten ausgeweitet. In Zusammenarbeit mit der DALI Alliance haben sie das D4i-Protokoll und das Zertifizierungsprogramm für IoT-fähige Leuchten konzipiert. Der Zhaga Book 18-Standard wurde speziell für LED-Beleuchtung entwickelt und unterscheidet sich von ANSI C136.41 dadurch, dass die Stromversorgungseinheit anstelle der Fotozelle, entweder als Teil des LED-Treibers oder separat, in die Leuchte integriert wird. Dies vereinfacht die Verdrahtung der Steuerknoten der Leuchte und ermöglicht eine Dual-Node-Architektur.

Die Dual-Node-Architektur enthält einen nach oben gerichteten Knoten, der eine Fotozelle oder einen Kommunikationsknoten beherbergt. Ergänzt wird dieser um einen zweiten Knoten für Bewegungs- oder andere Sensortypen, für die ein Abwärtsblickwinkel geeignet ist. Der Kommunikationsbus ist speziell für das D4i-Protokoll ausgelegt. Die Sensorknoten selbst sind kleiner, was es leichter macht, sie gegen das Eindringen von Staub und Niederschlag zu versiegeln. Mit einer neuen Generation auswechselbarer Treiber erweitert Zhaga die Fähigkeiten von Außenleuchten. Sie können nun als Plattform für Sensoren und Kommunikationsgeräte fungieren. Für die Zukunft erwarten wir Sensoren für Fahrzeug- oder Fußgängerzählungen, Verkehrsmeldungen, Schadstofferkennung und andere Zwecke.

Die hybride 2-Knoten-Architektur nutzt die Dominanz von ANSI C136.41 und gleichzeitig die Einfachheit und offene Architektur von Zhaga-D4i. In dieser Konfiguration ist der nach oben gerichtete Knoten ein Fotozellen- oder Kommunikationsknoten, der über eine 7-polige ANSI C136.41-Schnittstelle verbunden ist, welche die Stromnetzversorgung nicht auf den LED-Treiber umstellt. Der nach unten gerichtete Knoten ist ein Sensoreingangsgerät, wie etwa ein Bewegungssensor. Sowohl die Knoten als auch die gesamte Leuchte sind Zhaga-D4i-zertifiziert.

Der ANSI C136.41-Knoten kann über ein zusätzliches Netzteil, intern oder extern zum Treiber oder den DALI-Bus mit Strom versorgt werden. Das daraus resultierende Leuchtendesign hat Verdrahtung und Architektur vereinfacht und eine Infrastruktur geschaffen, die intelligente Städte mit Zhaga Book 18-Sensoren und digitalem Kommunikationsprotokoll ermöglicht.

NEMA/ANSI C136-konforme Endurance N-Komponenten bieten eine robuste Schnittstelle, die 0-10 VDC analoges Dimmen oder D4i-Steuersysteme unterstützt. Egal, ob Sie eine ANSI C136 Ein-Knoten-Leuchte oder ein hybrides 2-Knoten-System entwerfen – TE hat eine Produktlösung parat. Dimmbare Buchsen für 5/7-polige Anschlüsse können fest oder drehbar sein, um die Fotozelle perfekt auszurichten. Außerdem haben sie eine drehbare Buchse entwickelt, die keinerlei Werkzeuge benötigt.

Eine Endurance-N-Standardbuchse enthält die C136-Schnittstelle mit zusätzlichen Kontakten zur Steuerung des LED-Treibers und/oder eines zusätzlichen Netzteil. Die erweiterte Basis enthält ein eingebautes Netzteil. Das kostengünstige, vorzertifizierte Design verfügt über ein Layout, das einer thermischen Analyse und Vibrationsprüfungen unterzogen wurde. Die Abdeckungen der Steuergeräte sind in klarem oder transparentem Rauchgrau und in verschiedenen Größen erhältlich.

Entwickelt als Lösungen für das Ökosystem in intelligenten Städten, sind die Produkte Endurance S und S2 sensorfähige Lösungen für die Zukunft der Straßen- und Flächenbeleuchtung. Die Zhaga Book 18-Steckverbinder von TE Connectivity machen DALI-gesteuerte Zhaga-D4i-konforme Leuchten möglich.

Als Schlüsselelement für die Zukunft von intelligenten Städten sind diese Komponenten so ausgelegt, dass sie sich an die Entwicklung neuer Sensortechnologie anpassen können. In der Zwischenzeit bieten die Kombinationen aus Buchse, Basis und Kuppel gemäß IP66 eine abgedichtete elektrische Schnittstelle, die rauen Umgebungen und ständiger UV-Belastung gewachsen ist. Die Endurance S2-Produktlinie ermöglicht eine Daisy-Chain-Verbindung beider Knoten, ohne dass zusätzliche Anschlusskomponenten erforderlich sind. So werden weniger Teile benötigt und Zeit gespart, was die Gesamtkosten der Leuchte reduziert.

• Jonathan Catchpole, Principal Systems Architect
• Scott Hamilton, Sr. Manager, Product Management
• Alexander Hunt III, Product Manager