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quad

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Freitag, 2. Januar 2015, 20:45

Selbstbau dimmbare LED Beleuchtung - technische Fragen

Hallo zusammen,

bin in der weiteren Planungsphase für mein Kaltwasserbecken. Habe die letzten Tage an der Beleuchtungssteuerung gebastelt. Die Technik steht soweit, hätte da jetzt die letzten Fragen vor der Umsetzung:

  1. Die Lampe soll aus 4x 10W Power LED bestehen, welche über einen ATMega µC gedimmt werden. Da die Steuerung ein Display hat, welches auch Knöpfe zum Einstellen bekommt, stellt sich die Frage der Positionierung des µC. Nah am Display? Dann wird das PWM-Signal über einen langen Weg zur LED-Steuerung geleitet. Das soll man nicht machen (Stichwort: EMV). Den µC in die Nähe der LEDs? Ungünstig für Verkabelung des Displays und Spannungsversorgung (lange Kabel). Kann ich die PWM-Signalleitung mittels BNC-Kabel ausreichend schirmen oder handle ich mir da ein neues Problem ein?
  2. Kühlung der 10W LEDs: Habe derzeit auch schon 10W-LEDs + jeweils 4x3W LEDs auf jeweils einem 140x140 mm Kühlkörper, aktiv gekühlt mit 140er Lüftern. Das macht ordentlich Wind und Lärm (naja Geräusche), also wenig geeignet für's Wohnzimmer. Sie bleiben aber alle schön bei ca. 20°C. Wie bekomme ich das geräuschloser hin? Größere Kühlkörper? Ist klar. Kleinere Lüfter, mit Temperaturregelung (Abfrage / Regelung ist vorgesehen), Schallschutzmaßnahmen, dicken Alublock, in einem Rohr unterbringen? Was habt ihr für Lösungen gewählt?
  3. Die Beleuchtung soll in einer Abdeckung integriert werden (Selbstbau). Ich wollte aber vermeiden die Abdeckung jedes Mal zum Füttern / Reinigen abnehmen zu müssen. Habt ihr ein paar Ideen, wie ich dies technisch lösen könnte? Hatte schon an Rolladenmotor gedacht, dann könnte ich den Deckel unter die Decke fahren. Dann hätte ich auch gleich eine Hängeleuchte bauen können. Das Becken soll außerdem mit einer Glasplatte abgedeckt sein, damit kein Wärmeeintrag erfolgen kann. Reines Deckel hochklappen wird also auch nichts. Kennt ihr zufällig irgendwelche irren Selbstbauseiten, wo man sich etwas abschauen könnte?
Los Jungs & Mädels, haut in die Tasten! Wollte Morgen die Bestellung der letzten Teile rausjagen. Mein Urlaub ist fast rum und an Hardware ist nichts fertig geworden :D
Gruß Oliver

Holger

nitroxatmer

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Freitag, 2. Januar 2015, 21:01

Hi Oliver.

Grundsätzlich: wie weit hast Du die Hard-/Software mit dem Mega denn schon praktisch am laufen ?

zu 1. wie weit vom Display soll der Mega denn entfernt sein ?
Beim Absetzen des Displays ist es wichtig, die Datenleitung separat geschirmt zu Spannung und Reset zu verlegen.

zu 2. ich nehme immer statt mehrerer kleiner einen großen Lüfter, am besten Papst mit Alu-Druckguss-Korpus.
der läuft dann statt mit 100% nur mit 30% und ist dann quasi unhörbar :rolleyes:
Der KK ist immer rel groß- dabei ist wichtig, dass der Luftstrom gleichmässig über den KK strömt.
zusätzlich könntest Du dann ja bei Temp.erhöhug die Drehzahlweiter anheben (zB im Sommer)


zu 3.
hier gibt es eine theoretische Lösung, welche ich Dir per PN schreibe.

BG
Signatur von »Holger«
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efyzz

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Freitag, 2. Januar 2015, 22:49

zu 1)
Ich würde die PWM über ein langes Kabel schicken. Was abgeschirmtes wäre gut. Wenn die PWM dahinter "verschmiert" ist, was ich aber nicht glaube, könnte man noch einen Schmitt-Trigger reinsetzen, der wieder schöne Rechtecke draus macht.
Ich würde vielleicht auch darüber nachdenken, das Signal über einen Optokoppler zu schicken. Ich habe bei mir arge Probleme gehabt (z.B. Licht flackert im Takt der Wavebox usw.), weil ALLES eine Masse hatte. Steuere jetzt die Pumpen mit optogekoppelter PWM, die Dimmleitungen kommen noch...

zu 2)
Was hast Du denn genau für Kühlkörper? Hast Du ein Datenblatt oder Fotos? Ich hoffe ja immer noch bei meiner zukünftigen Beleuchtung komplett passiv auszukommen...

Ich denke, mit sowas sollte das gehen:
http://www.fischerelektronik.de/web_fisc…79_/index.xhtml
Signatur von »efyzz« Gruß, Robert
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quad

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Freitag, 2. Januar 2015, 23:54

Hallo ihr beiden!

Danke schon einmal für eure Antworten.

@Holger: Also die Uhr mit Wochentagsanzeige, Datum (Schaltjahr berücksichtigt) und Uhrzeit läuft bereits auf einem Breadboard.Das dimmen der Power LED läuft auch bereits, allerdings noch über einen relativ teuren Driver. Das wollte ich noch über eine selbstgebaute KSQ mit PWM-Anschluss selber (günstiger) bauen. Bauvorschlag habe ich schon in einem Arduino-Forum aufgegabelt.
Ich wollte das Display eigentlich gern "Huckepack" auf den ATMega setzen, wie ein Arduino-Shield.
Eine Temperaturregelung zu implementieren sollte das geringste Problem sein, habe noch ein paar PWM-Ausgänge am µC übrig. Die Temperaturfühler wollte ich sowieso einbauen, damit die LED bei Überhitzung abgeschaltet werden, bevor sie Schaden nehmen. Es soll dann auf dem Display eine Meldung erscheinen, dass der Luftfilter vor dem Lüfter gereinigt werden muss (habe die derzeitigen Lüfter so laufen, das staubt sehr massiv ein).
Danke für die theoretische Lösung, muss ich mir jetzt noch anschauen.

@Robert: Optokoppler mit Glasfaser wäre auch noch eine schöne Lösung. Dann bräuchten vom µC nur zwei dünne Glasfaserkabel gelegt werden und nicht noch die Masseleitungen. Hast Du da schon etwas im Auge?
Den Kühlkörper gibt es noch nicht. Aber die bestehenden am Warmwasserbecken sehen ungefähr so aus wie der Verlinkte, ist halt nur quadratisch auf 140x140 mm abgesägt. Dachte evtl. daran einfach eine dicke Aluplatte zu nehmen und darauf dann den von Holger erwähnten Lüfter zu nehmen.
Bei komplett passiv gehe ich auf Distanz. Viele LED-Beleuchtungen sterben jung, weil es Hitzeprobleme gibt. Wenn man z.B. Hallenbeleuchtung von Werkhallen nimmt, sind die alle passiv gekühlt. Im Winter kein Problem, dann ist es unter dem Hallendach kühl. Im Sommer sind dort aber locker 40°C und die Abwärme der Leuchten dazu, dass verkürzt die Lebensdauer extrem. Habe das jetzt schon von mehreren Seiten auf der Klimakonferenz der IHK gehört (bin Energiemanagement Beauftragter).

Gruß Oliver

efyzz

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Samstag, 3. Januar 2015, 00:01

Naja, habe da noch keine praktischen Erfahrungen mit der Temperatur.

Ich meine aber normale Optokoppler, z.B. PC817 ist immer wieder gut. Glasfaserkabel wäre nun echt übertrieben.
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Samstag, 3. Januar 2015, 01:13

Ksq ...

Meanwell ldd-700 .. beim tme recht günstig.. 3€ oder so

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Samstag, 3. Januar 2015, 12:37

Hallo saddevil,

bei Reichelt für 3,25€, mit Dimmeingang 0-5V ---> perfekt! Da spare ich mir das gefrickelt. Danke für den Tipp, die Dinger kannte ich noch nicht. Meine haben seinerzeit mehr als das 3-fache gekostet, liegen hier aber schon ein paar Tage.

Gruß Oliver

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Samstag, 3. Januar 2015, 13:35

Hallo Oliver,
vielleicht überlegst du dir das mit der passiven Kühlung ja nochmal.
Der einziger Grund, der meiner Ansicht nach wirklich gegen eine passive Kühlung spricht, wäre der Bedarf von einer extrem hohen Leistungsdichte.
Passive Kühlung braucht vor allem Fläche. Alle anderen Anforderungen - wir die gute thermische Anbindung von LED zu Gehäuse gelten für die aktive Kühlung ebenso.
Was man berücksichtigen muss ist allerdings, dass die Kühlkörperkennlinien die die Hersteller angeben für eine andere Einbaulage ausgelegt sind.
In waagerechter Position über dem Becken ist der konvektive Kühlungsanteil deutlich geringer als in der Kennlinienermittlung angenommen. Hier werden die Kühlkörper senktrecht aufgestellt.
Der hauptsächliche Kühlungsanteil findet über Strahlung statt - was wiederum eine gewisse Grundtemperatur voraussetzt.
Das Thema ist neben der Optik so eine bisschen meine Steckenpferd - falls Interesse besteht können wir das gerne vertiefen ^^

Gruß Dietmar

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »Illutronix« (3. Januar 2015, 14:12)


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Samstag, 3. Januar 2015, 13:56

Zitat

Ksq ...

Meanwell ldd-700 .. beim tme recht günstig.. 3€ oder so


Kenne mich mit der ganzen Materie nicht aus, kann dazu aber sagen, dass diese Bauteile bei mir ein unerträgliches Fiepen von sich gaben, was durch eine sehr hohe Frequenz dann in den unhörbaren Bereich geregelt wurde.

Lg,
Arne
Signatur von »Enra89« Liebe Grüße,
Arne

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Samstag, 3. Januar 2015, 14:49

Das Thema ist neben der Optik so eine bisschen meine Steckenpferd - falls Interesse besteht können wir das gerne vertiefen

Na dann mal los :greeting:
Hast Du ein paar Praxisbeispiele? Z. B. ein konkretes Kühlkörperprofil, bei dem Du sagen kannst, wie viel Verlustleistung auf welche Länge sinnvoll geht?

Zitat

Ksq ...

Meanwell ldd-700 .. beim tme recht günstig.. 3€ oder so


Kenne mich mit der ganzen Materie nicht aus, kann dazu aber sagen, dass diese Bauteile bei mir ein unerträgliches Fiepen von sich gaben, was durch eine sehr hohe Frequenz dann in den unhörbaren Bereich geregelt wurde.

Lg,
Arne


Hast Du sie gedimmt, Arne? Dann lag vielleicht die PWM-Frequenz im hörbaren Bereich. Da können dann aber die Module nichts für.
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Samstag, 3. Januar 2015, 15:32

Hallo Robert,

ich werde versuchen bis Ende der nächsten Woche noch einige Simulationsergebnisse für die Aussagen besorgen, die ich jetzt tätige.
Für eine rein passiv gekühlte Leuchte behaupte ich, dass sich eine Kühlrippung aus thermischer Sicht quasi nicht lohnt.
Da sich auf Grund der Geometrie der Leuchte (horizontale Platte) so gut wie keine Konvektion ausbilden kann trägt in großem Maße die thermische Strahlung zur Kühlung der Leuchte bei.
Der Strahlungstransport funktioniert aber nur, wenn es einen "Blickkontakt" zwischen der erwärmten Platte und der Umwandung gibt (Wände, Möbel, Decke, Wasser).
Die zusätzlich Kühlfläche die ein hoch- und enggerippter Kühlkörper hat (wie er z.B. für Lüfterkühlung eingesetzt wird), wirkt sich bei passiver Kühlung nahezu nicht aus, da die sich gegenüberstehenden Kühlrippen das gleiche Temperaturniveau haben.
Nach ettlichen Vergleichsmessungen sind wir daher dazu übergegangen, für unsere Leuchte keine Rippung vorzusehen, sondern lediglich eine massive Aluplatte mit ausreichender Stärke.
Dadurch lässt sich im Idealfall das komplette Leuchtengehäuse auf annähernd die gleiche Temperatur bringen.
Als gute Faustformel lässt sich sagen, dass eine gut ausgeführte passive Kühlung rund 10W/m^2/K schaffen kann.
Einen großen Einfluss dabei hat nun ob die Fläche, die zum Aquarium gerichtet ist, zur Kühlung beitragen kann oder nicht. Bezogen auf die Oberfläche der Leuchte sind das annähernd 50% der Fläche.
Wenn die Unterseite der Leuchte z.B. mit einem flächigen Plexiglas oder Glas abgedeckt ist, geht diese Fläche dadurch für die Kühlung durch Strahlung verloren.
Ein optimierter passiv gekühlter Aufbau würde daher eher so aussehen, dass die LED Module thermisch an eine Deckplatte angebunden sind. An diese Deckplatte wird nun über Abstandshalter eine thermisch angebundene Bodenplatte montiert, die Aussparungen in den Bereiche hat in denen sich die LEDs befinden. Durch diesen Sandwichaufbau lässt sich dann auch der untere Bereich der Leuchte für Kühlzwecke mitnutzen und kann in der Flächenbetrachtung berücksichtigt werden.
Was auch oft zu wenig berücksichtig wird ist die Beschichtung der Kühlfläche. Eine passive Kühlung kann nur gut funktionieren wenn die Fläche mit einer Beschichtung versehen wurde, die einen hohen Emissionsgrad aufweist. Ein guter Ausgangspunkt stellt dabei eine schwarze, matte Beschichtung dar. Auf keinen Fall sollte die Kühlfläche blank gelassen werden. Auch bei silbernen Lacken ist große Vorsicht geboten, da diese oft metallische Füllstoffe besitzen, die den Emissionsgrad erniedrigen.

Ich werde versuchen dass in der nächsten Zeit mal etwas besser aufzubereiten und evt. im Leixikonteil unter Physik ablegen.

Gruß Dietmar

efyzz

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Samstag, 3. Januar 2015, 15:59

Das ist erst mal sehr interessant, danke!

Lackiert ihr das Alu selbst oder muss das eloxiert sein?
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Samstag, 3. Januar 2015, 19:48

Wir lassen die Gehäuse mit einer speziellen Beschichtung aus dem Fassadenbau versehen. (Nennt sich Duraflon)
Nach unseren bisherigen Messungen ist das bisher die beste Lösung aus Korrosionsbeständigkeit, Kratzfestigkeit und Emissiongrad die wir finden konnten.
Leider ist das Material nicht so ganz einfach zu verarbeiten - und billig ist es leider auch nicht ;(
Fuer den DIY geht aber sowohl Eloxal als auch 2K Lack.
Ein matter 2k Lack wird voraussichtlich bessere Kuehlwerte wie ein Eloxal erzielen.

Gruss Dietmar

quad

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Samstag, 3. Januar 2015, 20:34

Hallo Dietmar,

das hört sich alles sehr interessant an. Mich wundert nur, dass ein Lack besser Wärme ableitet als das reine Eloxal. Der Lack muss dann ja eine für diesen Zweck besser Wärmeübergangszahl haben. Bin mal gespannt auf Deine weiteren Ausführungen.

Hallo Arne,

dieses Fiepen kenne ich auch aus der Firma von div. Leuchtstoffröhren. Wir haben die dann auf eine andere Phase gelegt und dann war gut. Kann also auch aus dem Netz kommen...

Gruß Oliver

Illutronix

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Samstag, 3. Januar 2015, 22:00

Hallo Oliver,

der Lack ist hier in der Tat besser als ein Eloxal - obwohl er eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Die Ursache dafür liegt im Weitertransport der Wärmeenergie über Strahlung begründet.
Physikalische Grundlage hierfür ist:

P = Epsilon * Sigma * A *((T^4) - (Tu^4))

P = Abgestrahlte Leistung in Watt
Epsilon = Emissionsgrad
Sigma = 5,67 * 10^-8 W/(m^2*K^4) (Stefan - Boltzmann - Konstante)
A = Fläche in m^2
T = Kühlkörpertemperatur in Kelvin
Tu = Temperatur der Umfassungsfläche in Kelvin

Wie bereits erwähnt hat der Emissionsgrad hier einen deutlichen Einfluss.
Als Beispiel hier eine paar Emissionsgrade aus der Literatur:

Aluminium
eloxiert 0,55
blank 0,10
poliert 0,05
oxidiert 0,25

Lack
Emaillelack 0,85 - 0,95
Heizkörperlack 0,925
schwarz glänzend 0,83 - 0,92
schwarz matt 0,93 - 0,98

Gruß Dietmar

efyzz

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Samstag, 3. Januar 2015, 22:03

Kann also auch aus dem Netz kommen...

Aber nicht bei ner KSQ, die sowieso noch ein Netzteil von 230VAC auf xxVDC vorgeschaltet hat ;)

Dietmar,
Du hast geschrieben 10W/m^2/K. Ich nehme jetzt mal, dass 20K Erwärmung in Ordnung sind. Also kann ich auf 1m^2 200W verheizen. Wenn ich von 70% Effizienz der LEDs ausgehen, wären das 467W Lichtleistung bzw. insgesamt 667W elektrische Leistung auf 1m^2. Das reicht doch locker!

Ich denke z.B. über ein Becken mi 2,50x1,00m Grundfläche nach, also 2,5m^2. Wenn ich davon beispielsweise nur 1,5 m^2 für den Kühlkörper vorsehe, würde das für 1000W LEDs ausreichen. Mir würde aber schon locker die Hälfte reichen ;)

Hast Du vielleicht auch noch Ideen, wie man die Abwärme zum Heizen des Beckens verwenden kann?
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Samstag, 3. Januar 2015, 22:13

Dein Überschlag passt vom Grundsatz her. Allerdings sind die 70% viel zu hoch angesetzt.
Für die thermische Kalkulation würde ich von maximal 40% optischer Effizienz ausgehen.
Ausserdem kannst du durch einen entsprechenden Aufbau auch noch Teile der Plattenunterseite mit in die nutzbare Fläche einbeziehen.

Bei 25° Raumtemperatur und 45° Kühlkörpertemperatur (Fläche 1.5qm) komme ich auf eine Kühlleistung von 330 Watt thermisch.
Bei 50° Kühlkörpertemperatur sind es dann schon 430 Watt und bei 55° rund 530 Watt.

Durch die 4te Potenz im Strahlungsanteil stabilisiert sich die Temperatur von selbst, da die Kühlfähigkeit exponentiell zunimmt.

Gruß Dietmar

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