LED Traversenbeleuchtung




Einfach nur spasseshalber verbaute ich in einer meiner Basteleien eine ultrahelle LED und war von der Lichtleistung enorm beeindruckt. Da kam mir die Idee, meine Traversenkonstruktion mit Hilfe dieser ultrahellen LED's farbig zu illuminieren. Besonders interessant wird die Sache mit einer RGB-Farbmischung: durch additive Farbmischung von LED's in den Grundfarben rot, grün und blau lässt sich jeder beliebige Farbton mischen. Einziges Hindernis ist nur noch der hohe Preis der Leuchtdioden - als Einzelstück von Markenherstellern etwa 2,50 Euro. Durch Verwendung von Noname-LED's in hoher Stückzahl (pro Grundfarbe 330 Stück, ingesamt also ca. 1000 Stück) ließ sich der Preis auf ein Zehntel drücken. Nachteil der Billig-LED's ist eine relativ starke Streuung in der Helligkeit, was bei der großen Anzahl aber nicht auffällt. Diese Stückzahl reicht für 16 Scheinwerfer mit 18 LED's pro Grundfarbe.
Die Hardware der Schaltung besteht im wesentlichen aus dem Mikrocontroller Atmel mega8515 und drei 8-fach Low-Side-Treibern. Die Dimmung der Leuchtdioden erfolgt durch Pulsweitenmodulation. Da der Mikrocontroller nur zwei hardwaremäßig unterstützte PWM-Kanäle bietet, werden die 24 PWM-Kanäle in Software generiert, sie haben eine Frequenz von 85 Hz, das Tastverhältnis ist in 25000 Stufen einstellbar. Durch Einsatz einer parabelförmigen Dimmerkennlinie wird die Lichtintensität an das nichtlineare Helligkeitsempfinden des Auges angepasst.

Die Versorgungsspannung der Schaltung beträgt 28 Volt. Das genügt, um jeweils 6 LED's mit einer Durchlassspannung von 3.5 Volt - dies ist bei grün und blau der Fall - in Serie zu betreiben. Von roten LED's mit 2.0 Volt Durchlassspannung lassen sich 9 Stück in Serie betreiben. Jeder Strang wird aus einer Konstantstromquelle gespeist; diese liefert 26.6 mA. Ein stabiler Betrieb mit einfachen Vorwiderständen anstelle von Konstantstromquellen ist nicht möglich, dafür ist die Streuung der Durchlassspannung der einzelnen LED's zu groß. Ausserdem würde der negative Temperaturkoeffizient der LED's dafür sorgen, dass der Stromfluss mit zunehmender Temperatur immer weiter ansteigt.

Mit der nahezu unbegrenzten Lebensdauer von LED's ist es in meinem Anwendungsfall leider nicht weit her - das Problem ist die Betriebstemperatur. Die Verlustleistung von 54 eng aufeinander gepackten LED's ist enorm, ich habe Temperaturen von über 80°C gemessen. Neben der von den LED's selbst erzeugten Abwärme kommt auch noch die Abwärme der Konstantstromquellen hinzu, die auf der Unterseite der LED-Platinen montiert sind. Unter normalen Betriebsbedingungen - also Farbverläufe, bei denen nur selten alle LED's gleichzeitig auf voller Leistung leuchten - pendelt sich die Temperatur bei etwa 50°C ein. Sicherheitshalber habe ich einen Schutzmechanismus in Software implementiert: Die Temperatur im inneren eines jeden LED-Scheinwerfers wird anhand der vorliegenden Dimmerstufe simuliert; überschreitet die Temperatursimulation einen kritischen Wert, so wird der Scheinwerfer sanft heruntergedimmt. Dies kommt aber nur vor, wenn alle Grundfarben über längere Zeit auf voller Helligkeit leuchten.

Die Leistungsaufnahme der Schaltung beträgt primärseitig 10 Watt im Ruhezustand, dieser hohe Wert kommt durch den großen 150 Watt Transformator, der im Leerlauf einen schlechten Wirkungsgrad hat. Wenn alle 432 Leuchtdioden mit voller Helligkeit angesteuert werden steigt der Verbrauch auf 60 Watt an, pro Scheinwerfer bleiben also 6.25 Watt. Knapp ein drittel davon geht als Verlustleistung in den Konstantstromquellen verloren, es bleiben also etwa 4.5 Watt Leistung für die LED's pro Scheinwerfer.

Dies ist mein erstes Projekt bei dem ein Firmwareupdate bequem über die DMX-Schnittstelle möglich ist; Voraussetzung hierfür ist der Einsatz meines DMX-Interface der zweiten Generation nebst der zugehörigen Windows-Software.

Als problematisch hat sich die Darstellung der Farbe gelb erwiesen, die theoretisch durch Überlagerung der Farben rot und grün entstehen sollte. Leider haben meine Grundfarben nicht die optimalen Wellenlängen, so entsteht nur ein schmutziger Gelbton.

Damit die Leuchtdioden hübsch verpackt sind ist die LED-Einheit in PAR-16 Scheinwerfergehäuse eingebaut. Dies wirkt sich leider negativ auf die Wärmeableitung durch Konvektion aus. Für einen einfachen Austausch sind alle LED's in Präzisionsfassungen gesockelt.
An jeder einzelnen LED habe ich den Kragen abgeschliffen, um eine maximale Packungsdichte auf einer Lochrasterplatine erzielen zu können. Daher sind die LED's am unteren Ende nicht rund sondern viereckig.
Die Bedienung erfolgt über drei Taster und eine Duo-LED. Darüber der obligatorische DMX Ein- und Ausgang.
Ein Mikrocontroller nebst drei Achtkanal-Low-Side-Treibern und etwas Standard-Umgebung bilden die einfache Hardware.
Wegen Platzersparnis sitzen die Entstörkondensatoren der RC-Glieder unter den Low-Side-Treibern.
Diese Messung ist mir schleierhaft: zu sehen ist der Spannung am Ausgang der Low-Side-Treiber, also die Spannung, die an den LED's nebst Konstantstromquelle anliegt. Ich würde hier ein sauberes PWM-Signal erwarten, stattdessen fällt die Spannung von 26V zunächst auf ca. 13V ab, um dann nur noch langsam abzufallen. Ich vermute, dass nach Abfallen unter die Schwellspannung der LED's der Stromfluss schlagartig abnimmt und sich so die Restspannung halten kann.