Schreibtisch-Deckenlampe
Ich wohne in beengten Verhältnissen. Mein Wohnzimmer ist auch mein Computer- und Bastelzimmer. Zu diesem Zweck habe ich an einer Wand eine 2,60m lange Küchenarbeitsplatte einseitig auf einen 50er Jahre Kommodenschränkchen gelegt. Die andere Seite wird von einem Standfuß aus 2 übereinander verschraubten Brettern (war mal eine Seitenwand eines Bettes) gehalten und mit 4 Winkeln unter der Arbeitsplatte festgeschraubt. Oberhalb des Schränkchen stehen alle schweren Geräte wie Drucker und Monitor. Der PC steht auf dem Boden. Zwischen Schränkchen und dem Standfuß sitze, arbeite und bastele ich.
Leider befindet sich die einzige Beleuchtung raummittig und strahlt somit nur sehr wenig auf meinen Arbeitsplatz. Und ich sitze auch noch im Lichtstrahl der Lampe. Eine zusätzliche Lichtquelle musste her. Und damit sie ihr Licht voll entfalten kann, vorzugsweise direkt oberhalb der Arbeitsplatte.
Eine Lampe kaufen kann jeder. Wer wie ich gerne bastelt, der macht sich die Lampe selber. Zuerst muss man sich aber etwas schlau machen, was der Led-Markt diesbezüglich anbietet und wie die Lampe zusammen gewerkelt werden soll.
Die Led
Nach langem hin und her entschied ich mich dafür eine Lampe in Form eines Spot zu bauen und dafür Superflux-Leds zu verwenden. Aber nicht irgendwelche Superflux, sondern die Guten von Nichia. Zum Einen, weil diese einen hohen Lichtstrom abgeben können, zum Anderen, weil diese sehr effizient sind (typisch 160 Lumen/Watt, bei Unterbestromung etwas mehr). Da neutral- oder kaltweißes Licht zum Arbeiten besser geeignet ist als warmweißes Licht, gibt es nur eine Led, die dafür in Frage kommt:
Nichia Raijin NSPWR70CSS-K1
Im Gegensatz zu Glühlampen strahlen Leds ihr Licht immer nur nach vorne raus. Die kaltweißen Nichia Superflux (ca. 5000 Kelvin) haben einen ca. 80 Grad breiten Abstrahlwinkel. Von der Oberkante der Arbeitsplatte bis zur Decke sind es nur 1,57m, bei 80 Grad Abstrahlwinkel würden die Leds eine Fläche von ca. 2,55m beleuchten. Ein Licht in der Größenordnung von ungefähr 450 Lumen sollte eigentlich ausreichen. Das entspricht in etwa dem Licht einer 50 Watt Glühlampe (nicht Halogen).
Jede Nichia Raijin kann bis 22 Lumen abgeben, kaltweiße (im höchsten Binning) sogar bis 28 Lumen. Leider sind diese im höchsten Binning nicht erhältlich. 450 Lumen Gesamtlicht geteilt durch den Lichtstrom einer Led ergibt aufgerundet 21 Leds. Dazu müssen diese aber an ihrer Leistungsgrenze (60mA) betrieben werden. Mit ein paar Leds mehr, kann der Strom etwas niedriger ausfallen. Ich entschied mich für 24 Leds.
450 Lumen geteilt durch 24 Leds ergibt rund 19 Lumen je Led. Kurz ins Datenblatt zur Nichia geschaut und dort abgelesen, dass die Led hierzu mit etwas unter 50mA bestromt werden muss.
An einem 24V-Netzteil können 6-7 Leds in Reihe angeschlossen werden. Da ich eine Konstantstromquelle (nur 1 Bauteil mehr) einem simplen Vorwiderstand vorziehe, muss eine Dropspannung von bis zu ca. 3,5V einkalkuliert werden. Diese 3,5V benötigt die Konstantstromquelle, um zu funktionieren.
24V - 3,5V = 20,5V
20,5V / ca. 3,1V (Vorwärtsspannung bei ca. 50mA) = abgerundet 6 Leds.
Eine Konstantstromquelle (KSQ) hat hier den Vorteil, dass nur der Strom zur Verfügung gestellt werden muss, unabhängig davon wie viel Spannung die Leds benötigen. Die Spannung durch die Leds stellt sich dann von alleine ein, die Konstantstromquelle verbrät den Rest. Der Widerstand berechnet sich nach dem Ohmschen Gesetz:
Spannung (U) / Strom (I) = Widerstand (R).
Für die Spannung muss die Referenzspannung des IC eingesetzt werden und diese beträgt
beim TL317L genau 1,25V.
Mit Zahlen:
1,25V / 0,05A = 25R
Da es diesen Widerstandswert nicht gibt, nimmt man einfach den nächst höheren, aber erreichbaren Wert aus der E12- oder E24-Reihe (in Elektronik-Shops sind die E12- und E24-Reihen so gut wie immer erhältlich). Reichelt hatte ebenfalls einen 25,5 Ohm-Widerstand aus der E96-Reihe. Dieser Widerstand ist der am nächsten gelegene Wert.
Durch einen (minimal) höheren Widerstand ändert sich aber der Strom durch die Leds.
Rückrechnung:
1,25V / 25,5R = 0,04901A, abgerundet 49mA.
Das Netzteil
24 Leds in 4 Stränge a 6 Leds aufgeteilt und mit 49mA je Strang an einem 24V Netzteil
angeschlossen ergibt eine Leistungsaufnahme von:
4x 24V x 0,049A = 4,7 Watt
Da man Netzteile niemals unter Volllast laufen lässt, sollten mindestens 10% (besser 20%) Reserve eingeplant werden.
4,7 Watt x 110% = 5,17 Watt, aufgerundet 5,2 Watt Minimum.
Ein 24 Volt Platinenschaltnetzteil mit 5,5 Watt Leistung und integriertem Netzfilter gibt es zum Beispiel von Meanwell (kostet um 12 Euro).
Warum ein Netzfilter?
(vereinfacht ausgedrückt)
Schaltnetzteile schalten die zuvor gleichgerichtete Netzspannung mehrere zehntausend Mal in einer Sekunde ein und aus. Diese zerhackte Spannung wird in einem Transformator mit Ferritkern in die gewünschte Ausgangsspannung umgewandelt (transformiert). Eine hohe Frequenz hat den Vorteil, dass der Trafo sehr klein ausfallen kann (kleiner Trafo = wenig Gewicht). Die hohe Frequenz hat allerdings einen Schönheitsfehler: sie breitet sich auch rückwärts durch das Netzkabel aus und kann andere Geräte (insbesondere Audio- und Fernsehgeräte) stören. Damit dies nicht passiert, sollte ein Netzfilter im Eingang des Schaltnetzteil montiert sein, der die parasitären Frequenzen wieder aus der Wechselspannung (Netzfrequenz 50Hz) heraus filtert.
Leider sind Platinenschaltnetzteile kleinerer Leistung nicht sehr effizient. Der zum Teil schlechte
Wirkungsgrad erhöht nicht nur die Gesamtleistungsaufnahme, sondern zieht im Gegenzug auch die
Lichtausbeute (Lumen pro Watt) in den Keller:
4,7 Watt / 75% = 6,27 Watt.
Das entspricht einer Lichtausbeute von nur noch:
450 Lumen / 6,27 Watt = 71,77 Lumen/Watt.
Das Layout
Nachdem ich ein paar Skizzen auf ein Blatt Papier gekritzelt hatte, habe ich Eagle-Light angeworfen und diese
beiden Platinen entworfen:
(Eine vergrößerte Ansicht dieser Bilder finden Sie unter Download).
Leider war auf der unteren Platine kein Platz mehr, um dort noch ein Anschlussterminal und eine schraubbare Zugentlastung unter zu bringen, dafür habe ich 2 Löcher für einen Kabelbinder eingezeichnet (besser als gar nichts). Die Ausgangsspannung wird über 2 metallische Abstandsbolzen direkt von der unteren zur oberen Platine geleitet.
Unter der unteren Platine sind 4 Abstandsbolzen mit je 8mm Länge eingeplant, die als Füße gedacht sind und an eine Kunststoffplatte (dient zur Montage an die Decke) geschraubt werden. Im Bereich der Netz-Eingangsspannung sind alle Abstandsbolzen aus Polyamid (hier soll auf keinen Fall irgendetwas Strom leiten).
Die obere Platine enthält 4 Konstantstromquellen (TL317L nebst Widerstände), die den Strom für jeden Led-Strang einstellen. Für ausreichende Kühlung der Leds sorgen großzügig angelegte Kupferflächen. Beide Platinen werden wie ein Sandwich übereinander montiert. Die Gesamthöhe der Lampe wird bei ca. 46mm liegen.
Die beiden einseitigen Platinen (je Ø80mm, inklusive Lötstopplack und konturgefräst) lasse ich von MME-Leiterplatten fertigen. Diese Firma hat humane Preise und ich bin mit deren Arbeiten sehr zufrieden. Bestellt hatte ich 2 Sätze, also für 2 Lampen.
Bauteileliste und Kosten für 1 Lampe
| Pos | Anzahl | Beschreibung | Preis | Gesamt |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | Platinen zus. 1.28dm² konturgefräst inkl. Lötstopplack | 22,01 EUR | 22,01 EUR |
| 2 | 24 | Superflux Nichia Raijin NSPWR70CSS-K1 | 0,79 EUR | 18,96 EUR |
| 3 | 1 | Meanwell Platinenschaltnetzteil PM-05-24 | 11,43 EUR | 11,43 EUR |
| 4 | 4 | TL317L (TO92) * | 0,25 EUR | 1,00 EUR |
| 5 | 4 | Metallschichtwiderstände 25.5 Ohm, 0.6W, 1% | 0,03 EUR | 0,12 EUR |
| 6 | 2 | Abstandsbolzen 6-kant, M3x25, Innen-Innen, MS vernickelt | 0,25 EUR | 0,50 EUR |
| 7 | 2 | Abstandsbolzen 6-kant, M3x25, Innen-Innen, Polyamid | 0,23 EUR | 0,92 EUR |
| 8 | 2 | Abstandsbolzen 6-kant, M3x8, Innen-Außen, MS vernickelt | 0,10 EUR | 0,20 EUR |
| 9 | 2 | Abstandsbolzen 6-kant, M3x8, Innen-Außen, Polyamid | 0,16 EUR | 0,32 EUR |
| 10 | 1 | Kabelbinder 2.5x100mm | 0,01 EUR | 0,01 EUR |
| 11 | 4 | Kunststoffschrauben M3x8 | 0,05 EUR | 0,20 EUR |
| 12 | 4 | Senkkopfschrauben M3x6 | 0,01 EUR | 0,04 EUR |
| 13 | 1 | Kunststoffplatte Ø100mm, 3mm dick, gebohrt, konturgefräst | 4,00 EUR | 4,00 EUR |
| 14 | - | anteilig Versandkosten, Lötzinn, Strom Lötstation, 1 Lüsterklemme | 10,00 EUR | 10,00 EUR |
| Summe | 69,71 EUR | |||
* Statt dem TL317L kann auch ein pinkompatibler LM317L oder IL317L verwendet werden.
Download
Modul unten (Eagle-BRD-Datei, 5kB)
Modul unten (großes Bild, PNG-Format, 37kB)
Modul oben (Eagle-BRD-Datei, 18kB)
Modul oben (großes Bild, PNG-Format, 62kB)
Messprotokoll
Die Firma Lumitronix (ich schreibe in dessen Forum unter dem Pseudonym "Achim H") hat mir freundlicherweise ein Messprotokoll meiner Lampe angefertigt.
Guckstu hier.
Die Lichtausbeute ist etwas höher ausgefallen als von mir ausgerechnet wurde. Die Lampe erzeugt 474 Lumen bei 71,9 Lumen/Watt.
