Entwicklung einer modernen Straßenleuchte
Grundsätzliches
Leuchten haben die Aufgabe das Licht der Lampen so zu lenken und zu verteilen, dass der
Beleuchtungszweck allen lichttechnischen und gestalterischen Ansprüchen entsprechend wirtschaftlich
erfüllt wird. Da die Beleuchtungsaufgaben unterschiedlich sind und Lösungen mit erheblichen
Kompromissen nicht im Interesse der Anwender liegen, werden Leuchten mit unterschiedlichen Funktionen
gebraucht.
Leuchten werden nach der räumlichen Verteilung der Lichtstärke gekennzeichnet, die in den Labors der
Hersteller exakt gemessen und von Computern aufgezeichnet wird. Ausdruck dieser Messergebnisse sind
Lichtstärke-Verteilungs-Kurven in Form von Polardiagrammen. Sie bilden die Grundlage für die
lichttechnische Berechnung bei der Planung.
An einigen Beispielen soll hier die Funktion von Straßenleuchten unterschiedlicher Bauart dargestellt
werden. Dabei wird deutlich, dass bei der Auswahl von Leuchten zuerst die lichttechnischen Eigenschaften
zu bewerten sind, die von den zum Einsatz kommenden Lampen wesentlich beeinflusst werden.
1. Kandelaberleuchten freistrahlend
strahlen das Licht nach allen Seiten und nach
unten ab. Bei Leuchten mit Dach wirkt dieses
gleichzeitig als Reflektor und verstärkt den
unteren Lichtanteil - bei Kugelleuchten ist das
nicht der Fall. Der Leuchtenkörper besteht meist
aus lichtstreuendem 
Material. Dies ist in
Wohngebieten und
Fußgängerzonen oft
vorteilhaft. Beim Einsatz
von Lampen mit hoher
Leistung bzw.
Leuchtdichte können
partielle Abschirmungen
erforderlich sein, um
Blendung zu vermeiden.
2. Kandelaberleuchten mit lichtlenkender Optik
lenken das Licht vorwiegend auf die
Verkehrsebene. Je nach Art der Optik ist die
Lichtverteilung rotationssymmetrisch oder
breitstrahlend. 
Breitstrahlung ermöglicht
größere
Lichtpunktabstände bei
guter Gleichmäßigkeit der
Beleuchtung. Die
Spiegeloptik begrenzt
auch die Blendung
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3. Mastleuchten mit Spiegeloptik
strahlen das Licht nach allen Seiten und nach
haben aufgrund ihrer exakt berechneten
optischen Systeme für lichtstromstarke Lampen
einen hohen Wirkungsgrad. Vom Straßenrand
aus werden hohe Leuchtdichten mit guten Längs
und Gesamtgleichmäßigkeiten auf die
Verkehrsflächen gebracht. 
Die
Blendungsbeschränkung
genügt allen
Anforderungen. Geringer
Wartungsaufwand macht
den Betrieb besonders
wirtschaftlich.
4. Hängeleuchten mit Spiegeloptik
werden in der Mitte der Straße an Tragseilen
(Überspannungen) montiert. Dadurch ist auch in
engen beidseitig bebauten Straßen die
Beeinträchtigung der Anrainer durch Blendung
leicht in den Griff zu bekommen aber auch die
mögliche Abdeckung von 
Mastleuchten durch
Bäume ist hier leicht zu
vermeiden. Leuchten mit
Niederdruck-
Entladungslampen
(Leuchtstofflampen)
zeichnen sich durch
besonders hohe
Gleichmäßigkeiten aus,
ohne dass die Gefahr von
Blendung besteht.
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Anforderungen an eine moderne Straßenleuchte
Neben den lichttechnischen Merkmalen, die durch spezielle Regelwerke (ÖVE-EN13201) vorgegeben sind,
ist das Design, insbesondere die Tagwirkung der Leuchte, von immer größerer Bedeutung.
In jedem Fall zahlt es sich aus auf Qualitätsleuchten zu setzten. Zentrale Aspekte ihrer Konstruktion sind:
- Wirtschaftlicher Betrieb (Leuchtenwirkungsgrad, Betriebswirkungsgrad, Lichtausbeute der Lampen)
- Lichttechnische Qualität und Funktionalität (Lichtstromverteilung, Blendungsbegrenzung)
- Elektrotechnik (Schutzklasse SKI und SKII, Verlustleistung CELMA, Schaltung und Betriebsart)
- Mechanische Funktionalität und elektrotechnische Sicherheit (ÖVE, ENEC)
- Lange Lebensdauer (Materialbeschaffenheit, Oberflächentechnik, kompakte Konstruktion)
- Produktionsbegleitende Qualitätskontrolle in der Fertigung (ISO 9001, CE)
- Montage- und Wartungsfreundlichkeit mit garantierter Ersatzteilversorgung über Jahrzehnte
Darüber hinaus bieten die Hersteller von Qualitätsleuchten qualifizierte Beratungs- und Planungshilfen.
Besondere Aufmerksamkeit bei den Anforderungen an eine Leuchte verdient die Schutzart. Je höher sie ist,
umso widerstandsfähiger ist die Leuchte gegen äußere Einflüsse, umso länger ihre Lebensdauer.
Vorgeschrieben ist für Straßenleuchten mindestens die Schutzart IP23. Empfehlenswert ist allerdings IP54
für den Lampenraum. Bei besonders dichten Leuchten ab IP65 ist darauf zu achten, dass keine
Kondenswasserbildung im Inneren der Leuchte entsteht – je nach Bauart sind Atmungsöffnungen
erforderlich sein.
Die Tabelle zeigt eine Übersicht der IP-Codes
(Ingress-Protection). Die erste Kennziffer (1-6)
beschreibt den Schutzumfang gegen das
Eindringen von Fremdkörpern, die zweite
Kennziffer (1-8) informiert über den Grad des
Feuchtigkeitsschutzes. Die höhere Schutzart
schließt jeweils die niedere mit ein.
Ablauf der Entwicklung einer modernen Straßenleuchte
Bei der Entwicklung einer modernen Straßenleuchte muss vorerst das Zieleinsatzgebiet mit den
lichttechnischen Vorgaben festgelegt sein.
Als nächstes sind aus dem aktuell zur Verfügung stehenden Leuchtmittelangebot die in Frage kommenden
Lampen auszuwählen um für den Designer den voraussichtlichen Platzbedarf für eine professionelle
Desingfindung zu definieren.
Wichtige Auswahlkriterien für die richtige
Lampe sind: Leistungsaufnahme (W),
Lichtstrom (lm), Lichtausbeute (lm/W)
Lebensdauer, Form, Abmessungen, Sockel,
Anlaufzeit, Wiederzündzeit sowie
Lichtstromrückgang während der Lebensdauer.
Heute spielt bei Außenleuchten die Lichtfarbe
und die Farbwiedergabe eine immer wichtigere
Rolle. Die Auswahlmöglichkeiten von
Leuchtmitteln sind heute nahezu unbegrenzt aber nur für den Fachmann einigermaßen überschaubar.
Für den Betrieb von Entladungslampen sind Vorschaltgeräte erforderlich. Bei den elektrotechnischen
Komponenten wird die Qualität durch geringe Verlustleistung, lange Lebensdauer und sicheren Betrieb
definiert. 
Auch hier sind die
Auswahlmöglichkeiten enorm
vielfältig und es ist empfehlenswert
auch von dem innovativen Angebot
Gebrauch zu machen, damit die
Vorteile der Energieeffizienz, des
optimalen Betriebes und der
Standfestigkeit auch ausgenützt
werden können.
Eine allgemeingültige Empfehlung, über die optimale Leuchtmittelart in der Straßenbeleuchtung, ist nicht
möglich – zu unterschiedlich und vielfältig sind die Anwendungsfälle. Es soll aber darauf geachtet werden,
dass bei Anlagen bei denen die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht die Systemlichtausbeute nicht unter
80lm/W fällt – was sowohl mit modernen linearen Niederdruckentladungslampen (Leuchtstofflampen) als
auch punktförmigen Hochdruckentladungslampen (Natriumhochdruck) möglich ist.
Dem Lichtstromrückgang von Leuchtstofflampen bei
tiefen Temperaturen kann durch entsprechende
Maßnahmen leicht entgegengewirkt werden und es
steht einem wirtschaftlichen Einsatz dieser Lampenart
nichts im Wege. (Thermoschutzrohr, Lampen
spezieller Bauart wie Doppelwandlampen oder
Gasfüllung)
Durch gezielten Einsatz von Überspannungsableitern lässt sich das
Risiko von Ausfällen minimieren, die hochwertige Elektronik vor der
negativen Auswirkung von Spannungsspitzen und Blitzschlägen
schützen und die Bedenken der Betreiber zerstreuen.
 Solche Spannungsableiter sind
in der Leuchte, aber auch in der
Anlage einzusetzen.
TII Type mit Schutzpegel = 1,2kV
max. 10kA für Einbau in die Leuchte
Ist die Lampenart fixiert, wird der Platzbedarf der Komponenten festgelegt und mit der Designfindung
begonnen. Dieser Abschnitt ist mitunter recht mühsam. Allen Geschmackswünschen gerecht zu werden ist
praktisch nie möglich.
Steht das Design wird mit der eigentlichen Entwicklung der Leuchte begonnen
Die Leuchte wird technisch optimiert auf:
Lichttechnik (LVK), Schutzart (IP 65), Dichtheit,
Energieeffizienz, Montage- und Wartungsfreundlichkeit,
Wartungszugang ( von oben oder von unten),
Konstruktion (Sockel, Elektronik-Komponenten),
Montageart (Mastaufsatz-, Mastansatzleuchte), Kosten
Mechanische und funktionelle Konstruktion
Beim mechanischen Aufbau ist vor allem auf einfache Montage und Wartung der Leuchte zu achten. Die
Leuchten müssen schnell und einfach zu montieren und warten sein. Werkzeugloser Lampentausch und
modularer Aufbau, damit im Fehlerfall bspw. der Elektroblock einfach in Gebrauchslage am Mast durch
einen neuen ersetzt werden kann, weist auf ein durchdachtes Design hin.
Materialauswahl
Leuchtengehäuse, Abdeckungen und Verschlüsse müssen korrosionsbeständig sein und es ist nur Material
zu auszuwählen, das unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten eine optimale Funktion und
Lebensdauer sowie gute Recyclingfähigkeit gewährleistet.
Moderne Leuchtmittel zeichnen sich durch hohe Lichtausbeute (lm/W) sowie lange Lebensdauer aus und
erfordern innovative Reflektoren deren Entwicklung eine der anspruchsvollsten Aufgaben bei der
Entwicklung einer Leuchte darstellt.
Reflektorentwicklung für eine stab- bzw. punktförmige Lichtquelle
Zuerst erfolgt eine Machbarkeitsstudie, ob die lichttechnischen Vorgaben im
Einsatzgebiet theoretisch zu erfüllen sind. Ziel einer solchen Untersuchung ist
es, eine theoretische LVK für diese Straßenleuchte zu finden, welche alle
Grenzwerte der EN 13201 einhält und bei dem vorgegebenen Anlagenprofil
einen möglichst großen Mastabstand erlaubt.
Die nebenstehende Grafik zeigt ein typisches Anlagenprofil und macht
deutlich, warum angestrebt wird mit einer Reflektorgeometrie unterschiedliche
Leuchtenpositionierungen zu ermöglichen.
Durch Kenntnis der theoretischen Zusammenhänge zwischen den einzuhaltenden Grenzwerten für den v
maximalen TI-Wert (Blendung) und der Gleichmäßigkeiten ist es möglich methodisch eine optimale LVK zu
berechnen und daraus Entwicklungsvorgaben an einen Reflektor abzuleiten. (erreichbare mittlere
Leuchtdichte und Leuchtdichtegleichmäßigkeiten, erzielbarer TI-Wert).
Zusammen mit den Erfordernissen der
Straßenbeleuchtungsplanung der zu
beleuchtenden Straßengeometrie wie
auszuleuchtende Fahrbahnbreite, maximale
Masthöhen, Mindest-Mastabstände,
Positionierung der Leuchten (Seilabspannung
mittig über der Fahrbahn oder Mastaufsatz-
Montage außerhalb der Fahrbahn), zu
verwendende Leuchtmittel, maximale Baugröße
wird das lichttechnische Pflichtenheft abgeleitet.
Anschließend wird die Entwicklung des Reflektorkonzeptes bis zum Bau eines lichttechnischen
Funktionsmusters (Prototyp) umgesetzt. Die dazu erforderlichen Werkzeuge sind spezielle graphisch-
numerische Simulationsverfahren, Berechnungsprogramme und Optimierungs-Routinen.
 Die nebenstehende Grafik zeigt ein Reflektormodell auf Basis
 errechneter Freiformflächen-Facetten.
Rechts ein Prototyp in STL-Technik
mit alubedampfter Spiegeloberfläche
Nach praktischer Vermessung des Prototyps und dem Vergleich mit den theoretischen Zielvorgaben wird
zur kostengünstigen Fertigung des Serienreflektors übergeleitet.
  
Die lichttechnischen Kontrollmessungen erfolgen mittels Goniofotometer im Labor und Leuchtdichtemesskamera im Freien.
Prüfungen und Feldversuche
Neben den lichttechnischen Funktionen werden auch die elektrotechnischen, thermischen und
mechanischen Eigenschaften sowie die Handlingfunktionen der neuen Leuchte ausführlich getestet. Die
entsprechenden Anforderungen sind für Leuchten in der Norm EN 60598 festgelegt. Nur wenn eine Leuchte
allen Anforderungen entspricht, darf das obligatorische CE-Kennzeichen vergeben werden und die Leuchte
in den Markt kommen. Üblicherweise wird eine Serienleuchte auch der Prüfung einer externen Prüfstelle
unterzogen und das ENEC-ÖVE Zeichen eingeholt.
Verschiedene Prüfverfahren:
   Schlagfestigkeit:
Der genormte
Parameter ist
der IK-Faktor.
Staub IP5X Wasser IP4X
Die fertige Leuchtenfamilie:
 Hat der Konstrukteur seine Aufgaben erfüllt, ist im Zuge des
Entwicklungsprojektes eine umfangreiche Leuchtenfamilie
entstanden, die vielfältige Variationsmöglichkeiten bietet und in
unterschiedlichsten Anwendungsfällen zum Einsatz kommt.
Variable Komponenten:
- Leuchtmittel
- Formen und Wattagen
- Betriebsmittel und Schaltungen
- KVG, EVG, kompensiert, SKI, SKII etc.
- Gläser
- PMMA
- ESG
- Hartglas vorgespannt
- Reflektoren
- Abschottblenden
Die Grafik zeigt die unterschiedlichen Bodenverteilungen
die diese Leuchte auszeichnen
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