Effiziente Beleuchtung dank moderner Leiterplattenklemmen

Immer häufiger verdrängen moderne LEDs konventionelle Leuchten mit Leuchtstofflampen. Dieser Trend führt zu neuen Anforderungen an die Anschlusstechnik und verändert die internationalen Märkte. Gebäude jeglicher Art, ob Bürogebäude, Industriehalle oder Eigenheim, bedürfen einer nicht unerheblichen Menge Energie – beispielsweise in Form von Brennstoffen für die Heizung oder als Elektrizität für das Betreiben von Klimaanlagen, Verbrauchern und Beleuchtung.

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Effiziente Beleuchtung dank moderner Leiterplattenklemmen [Bild: EVE GmbH]

Die Vielzahl an Gewerken und Komponenten innerhalb eines Gebäudes bieten Betreibern beziehungsweise Eigentümern gleichzeitig eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Reduktion des Energieverbrauchs, sofern diese modernen Energieeffizienzstandards entsprechen.

Der nachfolgende Artikel von Patrick Schirrmacher, Firma WAGO und Michael Kujat von der Firma EVE informiert Sie ausgiebig über die Herausforderungen der Miniaturisierung und Anforderungen in der Anschlusstechnik.

Moderne LED-Technik – Hebel für mehr Effizienz
Auch die Beleuchtung – im Außen- wie im Innenbereich – zählt zu den wesentlichen Energiebedarfsträgern und schlägt sich zu einem nicht unerheblichen Maße auf der Energiekostenabrechnung nieder. Nach Angabe der europäischen Kommission macht Beleuchtung rund 19 % des weltweiten Stromverbrauchs aus. Bei Handwerksbetrieben, Dienstleistern und Handelsunternehmen liegt der Anteil sogar deutlich höher –nämlich bei etwa 30 %.

Das Einsparpotential im Bereich der Beleuchtung ist entsprechend hoch – auch, weil etwa zwei Drittel aller Beleuchtungsanlagen in Europa älter als 25 Jahre alt sind. Mit moderner Lichttechnik kann der Energiebedarf schnell und einfach reduziert werden. Bereits der Wechsel zu modernen LED-Leuchten spart bis zu 65 % der Energie. Gleichzeitig bietet die LED weitere Vorteile: sie ist klein, kompakt und besticht im Vergleich zu klassischen Glühbirnen oder Leuchtstofflampen durch eine hohe Lebensdauer von bis zu 50.000 Betriebsstunden. Aus Letzterem resultiert vor allem die Notwendigkeit, die Beleuchtung zu steuern. Die geringe Größe der Licht-emittierenden Halbleiterbauteile beflügelt zugleich den Trend zur Miniaturisierung, der seit einiger Zeit im Leuchtenmarkt Einzug hält. Die flachen LEDs ermöglichen neue und zuvor undenkbare Formen und Designs – der Kreativität der Leuchtenbauer ist kaum noch eine Grenze gesetzt. Sichtbar wird das bei der Gegenüberstellung einer modernen LED-Leuchte und einer klassischen Rastereinbauleuchte mit Fluoreszenzlampe: Letztere hat eine Bauhöhe von etwa 90 mm, eine übliche LED-Leuchte ist nur noch etwa halb so groß.

Konsequenzen für die Anschlusstechnik
Es sind vor allem die immer kompakteren Bauformen, die Auswirkungen auf die Anschlusstechnik haben. Waren Leuchten früher auf Grund herkömmlicher Technologien noch sehr voluminös – und Bauraum somit kein Thema – so ist heute nur wenig Platz für die Anschlusstechnik vorhanden. Mit dem Einzug der LED sind die klassischen Fassungen fast vollständig verdrängt worden. An ihre Stelle sind Leiterplattenklemmen getreten, welche oberflächenmontiert (auch SMT genannt) für eine zuverlässige Kontaktierung der LED-Module direkt auf der Platine sorgen. Leuchtdioden der neuesten Generation werden fast ausschließlich im Reflow-Verfahren an der Oberfläche verlötet. Um die Anschlusstechnik im gleichen Prozessschritt auf die Platine zu bringen, muss diese ebenfalls SMT-kompatibel sein. Zentrale Voraussetzung dafür ist der Einsatz eines Kunststoffes mit ausreichend hoher Temperaturbeständigkeit. Er muss den im Lötofen vorherrschenden Temperaturen von über 220 °C über mehrere Sekunden standhalten können. Darüber hinaus ist die Koplanarität an der Klemmenunterseite ein kritisches Maß für das Lötergebnis. Bereits minimale Abweichungen haben zur Folge, dass keine zuverlässige und einwandfreie Lötung erfolgen kann.

Hohe Leistung bei kompakten Maßen
Die Bauformen moderner SMD-Leiterplattenklemmen sind explizit flach und kompakt gehalten, um den Ansprüchen der Leuchtenbauer gerecht zu werden. Die Forderung nach immer geringen Bauhöhen der Leiterplattenklemmen verschärft sich zusätzlich durch die stetig größer werdenden Abstrahlwinkel der Leuchtdioden. Dadurch erreichen die Designer eine bessere Ausleuchtung von Flächen und eine homogenere Wirkung für den Betrachter. Ziel ist es, die Lichtabstrahlung durch Anschlusssysteme mit geringem Profil kaum bzw. gar nicht zu beeinflussen. Jeglicher Schattenwurf durch andere Komponenten ist unerwünscht. Doch der Miniaturisierung sind Grenzen gesetzt. Als Konsequenz wandert der Anschluss zunehmend auf die Rückseite der Platine. Bestückung und Verlötung finden allerdings weiterhin von der Vorderseite her statt.
In Zukunft werden somit invertierte Leiterplattenanschlussklemmen an Bedeutung gewinnen. Der immer kleineren Bauweise zum Trotz sind vergleichsweise hohe Leistungen in der Stromversorgung gefordert. Moderne High-Power-LED-Module haben eine Stromaufnahme von mehreren Ampere. Sie kommen beispielsweise in Spotleuchten und Strahlern zum Einsatz. In der Allgemeinbeleuchtung werden hingegen eher LEDs mit mittlerer Leistungsaufnahme eingesetzt. Um die Lichtwirkung bei Flächenmodulen möglichst homogen und weich wirken zu lassen, werden diese Module in der Praxis mit einer Vielzahl an LEDs pro Platine bestückt, dabei aber nur eine einzelne Anschlussklemme verwendet. In der Summe führt das zu Strömen von bis zu 5 Ampere oder mehr. Dieser Herausforderung stellen sich Komponentenhersteller wie WAGO mit einem mittlerweile sehr umfassenden Sortiment, das diese Ansprüche erfüllt.

Steigende Volumen bei automatischer Verdrahtung
War in der Vergangenheit meist eine einzelne Beleuchtungsart pro Raum zu finden, vorwiegend die klassische Deckenbeleuchtung, steigt inzwischen die Vielfalt der eingesetzten Leuchtentypen pro Raum sukzessive an. So finden sich heute zunehmend sekundäre Lichtquellen, zum Beispiel als Ambiente-Beleuchtung, welche die moderne Architektur unterstützt oder zur individuellen Ausleuchtung einzelner Arbeitsplätze. Analog zu dieser Entwicklung steigt das Produktionsvolumen im Leuchtenmarkt an. Die höheren Stückzahlen wiederum lassen den Druck auf die Hersteller steigen, kostengünstig zu produzieren. Sie setzen folglich vermehrt auf eine automatische Verdrahtung, um die eigenen Produktionsprozesse zu optimieren, und setzen Roboter ein, die im Inneren der Leuchte LED-Modul, Treiber und Netzanschlussklemme miteinander verbinden. Anbieter von Anschlusstechnik müssen die besonderen Anforderungen für die automatische Verarbeitung ihrer Klemmen bereits bei der Entwicklung berücksichtigen. Anschlusssysteme, welche diesen Anforderungen gerecht werden, kommen mit einem robusten Design, spezifischen Toleranzen und besonderen Konturen daher.

Push-in-Technologie ermöglicht einfache Montage
Moderne, für die automatische Verarbeitung geeignete SMD-Leiterplattenklemmen sind mit Push-in-Technologie ausgerüstet, die ein direktes Stecken massiver und vorbehandelter Leiter zulässt. Die dafür notwendigen Steckkräfte müssen in einem spezifischen Toleranzbereich liegen, um zu vermeiden, dass Leiter abknicken oder Klemmen beschädigt werden. Gleichzeitig sind die normativen Anforderungen hinsichtlich der Leiterhaltekraft einzuhalten, um das ungewollte Lösen der Leiter zu verhindern. Auch die Bestückung der Leiterplatte vor dem Löten findet automatisiert statt. Damit Bestückungsautomaten die SMD-Bauteile in der richtigen Ausrichtung ansaugen und platzieren können, sind Leiterplattenklemmen in Tape-and-Reel-Verpackungen notwendig. Wesentlichen Einfluss auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit hat außerdem die Position der Ansaugfläche. Je zentrierter dieser vordefinierte Bereich ist, desto schneller kann das Bauteil platziert werden.

Energieeffizienz ist eine globale Herausforderung
Neben den rein ethischen und ökonomischen Faktoren erhöht sich zudem von politischer Seite der Druck stetig, Gebäude energetisch zu optimieren. Die europäische Ökodesign-Richtlinie beispielsweise definiert Mindestanforderungen für die Effizienz sogenannter energieverbrauchsrelevanter Produkte (ErP) wie Leuchtmittel und Betriebsgeräte. Die normale Glühlampe wurde dadurch bereits vom europäischen Markt verbannt. Energieeffizienz im Gebäude beschäftigt nicht nur hierzulande Verbraucher, Betreiber und Hersteller, sondern steht auch in Ländern wie den USA oder China im Fokus. Daher werden energieeffiziente Leuchten weltweit benötigt und müssen heute entsprechend für einen globalen Markt konzipiert
sein. Dieser fordert zwar grenzübergreifend effiziente Lösungen, doch die Normen, Zertifizierungen, Verdrahtungsgewohnheiten und Leiterarten der einzelnen Länder variieren. Leuchtenbauer versuchen dem mit Produkten gerecht zu werden, die all diese Anforderungen zugleich erfüllen. Für Elektronik-Distributoren besteht die Herausforderung, Leiterplattenklemmen zu identifizieren, die den vielfältigen, hohen technischen Erfordernissen gerecht werden. Gelingt das, bieten sich durchaus Vorteile: die Produkte sind ready-to-sell. Nicht nur zuletzt durch die Tape-and-Reel-Verpackungen, welche eine Umverpackung überflüssig machen und die Lagerhaltung vereinfachen. Die weltweite Einsetzbarkeit ermöglicht vielfältige Möglichkeiten.

Die Leuchtenindustrie ist sehr international ausgerichtet
Die Leuchtenindustrie selbst ist seit jeher sehr international ausgerichtet. Ein Blick auf die Wertschöpfungskette zeigt das auf: Es ist nicht untypisch, dass eine Leuchte in den USA entwickelt wird, die Bestückung der Module in Asien erfolgt und die Endmontage in Europa stattfindet. Wesentlichen Einfluss haben seit dem Siegeszug der LED die Hersteller der Halbleiterchips. Sie beweisen mit immer neuen und effizienteren Erzeugnissen ihre Innovationskraft und geben dabei sehr kurze Entwicklungszyklen vor. Davon getrieben, revisionieren Leuchtenhersteller ihre Produkte teilweise im Rhythmus von sechs Monaten – derartig kurze Produktlebenszyklen waren in der Vergangenheit kaum denkbar. Die Entwicklungsgeschwindigkeit der Halbleiterhersteller ist somit zum Taktgeber für die Leuchtenindustrie geworden.