Cichlidenfreunde Emsbüren e.V.

Umbau eines 13,8 V Festspannungsnetzteils zu einer steuerbaren Konstantstromquelle als Dimmer für High-Power LEDs

Eine Bastelanleitung von Wilhelm Bloemen.

Achtung: Hier wird mit Strom gearbeitet. Wer nicht über die nötige Erfahrung verfügt sollte sich von einem Fachmann helfen lassen.

Möchte man ein Aquarium mit High-Power-LEDs beleuchten und diese LEDs auch dimmen, so braucht man einen geeigneten Leistungsdimmer der die Kennlinie der LEDs berücksichtigt.

In einer anderen Bauanleitung auf dieser Homepage ist bereits eine Dimmerschaltung für Leuchtstofflampen mit einem EVG vorgestellt, und dort auch beschrieben. Sie wurde in dieser Bastelanleitung auf den Betrieb mit zusätzlichen Power-LEDs erweitert und leicht verändert. Bild 3 zeigt die geänderte komplette Schaltung.

LEDs und auch Power-LEDs besitzen im Gegensatz zu Glühlampen oder Halogenlampen keine lineare Kennlinie. Das heißt, man steigert die anliegende Spannung an der LED von 0 Volt an und es tut sich bis ca. 10 Volt gar nichts. Danach steigt die Leistung in den nächsten 4 Volt immer schneller auf volle Helligkeit an und führt bei weiterer Erhöhung der Spannung zur Überlastung der LED.

Eine ideale Möglichkeit eine lineare Dimmkennlinie zu erhalten ist, nicht die Spannung an der LED zu regeln, sondern den Strom. Schaltungen für die erforderlichen Leistungen habe ich nirgends gefunden, also wiedermal selbstgebaut.

Schaltungen die die Helligkeit von LEDs über Pulsweitenmodulation (PWM) verändern, halte ich für ungeeignet, da sie die LEDs gar nicht dimmen, sondern lediglich ein schnelles Blinken mit verschieden langer Einschaltzeitdauer veranstalten und so aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges der Eindruck reduzierter Helligkeit entsteht. Wer weiß denn, ob die Tiere durch dieses Blinken nicht in irgendeiner Weise beeinflusst werden. Die Sonne blinkt ja auch nicht. Lediglich was den Wirkungsgrad betrifft, ist diese Art zu Dimmen die Bessere.  Jaja, zugegeben. 

Man muss sich klarmachen dass eine ausschließliche Beleuchtung mit LEDs ein sehr nervöses, intensives Geflacker im Aquarium ergibt. Wenn man auch noch die gleiche Leistung installiert wie die Leuchtstofflampen haben, ist es bei bewegter Wasseroberfläche ein äußerst unangenehmes Bild.

In der Natur kommt nämlich der größte Teil des Lichtes, dass auf die Erde fällt aus der gesamten Atmosphäre ringsherum, die von der Sonne beleuchtet das Sonnenlicht streut und dadurch einen großen Anteil diffusen Lichts erzeugt. Nur ein kleinerer Teil des Lichts, das die Erde trifft kommt direkt von der punktförmigen Lichtquelle die wir Sonne nennen. Durch die schon installierten Leuchtstofflampen haben wir also bereits eine hervorragende Quelle diffusen Lichts. Dieser Lichtanteil erzeugt jedoch kaum Schatten und schon gar keinen Wasserkringeleffekt. Ist aber nach wie vor für die Beleuchtung von Aquarien auch wirtschaftlich die beste Möglichkeit.

Es genügt meiner Meinung nach daher, dass die installierte Leistung der Power-LEDs maximal 20 Prozent der Leuchtstofflampenleistung betragen braucht. Selbst nur 10 Prozent sind ausreichend um Schatten der Bewohner und einen wunderschönen Wasserkringeleffekt zu haben. Wir kommen dem Bild, das wir aus der Natur an sonnenbeschienenen Sandböden in Seen oder Flüssen kennen, sehr nahe. Wer will, kann natürlich eine höhere LED-Leistung vorsehen und diese LEDs dann leistungsbegrenzt betreiben. Man erhält dadurch die Möglichkeit auch mal eine sehr intensive Beleuchtung zu fahren. Ich selbst habe zu meinen 60 Watt Leuchtstofflampen im Anflug von Wahnsinn noch 6 mal 10 Watt LEDs eingebaut, betreibe sie bei ca. 20 Prozent Leistung und erhalte ein sehr schönes Bild. Das Poti in der Frontplatte hat nämlich genau diesen Sinn, das leistungsreduzierte Betreiben der LEDs. Die automatische Dimmung bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang arbeitet unabhängig davon. Volle LED-Leistung kann man mal einstellen wenn Besuch kommt und man mal was zeigen will. Wirkt meistens.

Wenn wir also die vorhandenen Leuchtstofflampen automatisch dimmen um einen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang herzustellen, müssen wir konsequenterweise auch die zusätzlichen LEDs dimmen können.

Dies zu bewerkstelligen, dient die folgende Bastelanleitung.

Zunächst kaufen wir Power LEDs mit der erforderlichen Leistung z. B. von Reichelt zwei 10 Watt LED-Module 14V/700 mA bei bereits vorhandener Leuchtstofflampenleistung von 100 Watt. Über die zu verwendende Lichtfarbe (6500 Kelvin für Mittagssonne bis zu 3000 Kelvin für späten Abend) kann man sicher noch einen eigenen Beitrag schreiben. Man kann auch nur eine LED nehmen oder auch die erforderliche Leistung auf mehrere LEDs verteilen. Der Preis liegt irgendwo zwischen 10 und 30 Euro. Andere Module funktionieren ebenfalls hervorragend. Die LEDs müssen gekühlt montiert werden, damit sie eine lange Lebensdauer haben. Passende Kühlkörper am besten gleich mitbestellen und auch den Wärmeleitkleber der die Montage der LEDs auf den Kühlkörper nebenbei noch sehr einfach macht.

Als Basis für den LED-Dimmer nehmen wir ein herkömmliches Konstantspannungsnetzteil für 13,8 Volt Festspannung. Diese Labornetzteile zum Betreiben von Autoradios oder Funkgeräten an Netzsteckdosen sind sehr robust, in allen Stromstärken erhältlich und für wenige Euro in der Bucht zu ersteigern. Die Daten der LEDs bestimmen dabei den vom Netzteil zu liefernden Strom. Also z. B. zwei LEDs mit je 10 Watt und 700 mA Stromaufnahme bei Nennleistung erfordern ein Netzteil mit mindestens 1,4 Ampere. Nicht so knickrig sein und in diesem Fall ein 2 Ampere Netzteil für 13,8 Volt nehmen. Aber auch nicht mit Kanonen auf Spatzen schießen und ein zu groß dimensioniertes Netzteil verwenden, da dann die Verlustleistung hoch werden kann, und damit der Wirkungsgrad der Gesamtschaltung geringer. Der Wirkungsgrad der Gesamtschaltung wird natürlich auch geringer, wenn ein Wahnsinniger 60 Watt LED-Leistung einbaut und auf 20 Prozent begrenzt, außer wenn Besuch kommt.

Fährt man eine Teilwassermenge der Aquariumpumpe durch einen Kühlkanal unter dem Aquariumdeckel auf dem die Endtransistoren montiert sind, rückgewinnen wir die Verlustleistung wieder für die sowieso erforderliche Aufwärmung des Wassers und steigern dadurch den Wirkungsgrad. Wir müssen mal nicht meinen, dass wir schon am Ende der Basteleien rund ums Aquarium angelangt sind. Irgendwas ist immer.

Die LEDs werden parallel geschaltet und erhalten je einen Vorwiderstand von 1 Ohm/1 Watt damit Serienstreuungen keine Helligkeitsunterschiede unter den LEDs erzeugen. Bei Verwendung von nur einer LED kann man sich diesen Widerstand sparen.

Die Schaltungen dieser konventionellen Netzteile ähneln sich alle, denn der integrierte Schaltkreis LM 723 ist in fast allen enthalten. Ziel war, den Umbau möglichst einfach zu gestalten, nur passive Bauelemente zu verwenden und auch ohne zusätzliche Spannungsquellen auszukommen. Tatsächlich sind nur 13 Widerstände eine Diode, ein Potentiometer und eine Chinchbuchse erforderlich geworden. Kosten von ca. 5 Euro für die Bauteile sollte tragbar sein.

Falls ein Netzteil ohne den Schaltkreis LM 723 zur Anwendung kommen soll, ist einfach die Schaltung aus Bild 2 auf Lochrasterplatine oder frei fliegend aufzubauen. Der Aufwand ist trotzdem gering, da Gehäuse mit Buchsen, Schalter, Sicherungshalter, Netzanschlusskabel, Transformator, Gleichrichter und der Leistungstransistor mit Kühlkörper bereits vorhanden sind. Im Grunde schreit jedes Netzteil danach, seine Verwendung in der Aquaristik zu finden.

Der Trimmer auf der Platine dient dazu, eine Spannungsbegrenzung einzustellen, die bei Auftreten geringerer Last, z. B. Ausfall einer LED dafür sorgt, daß die Spannung dieser Stromquelle nicht über 15,5 Volt ansteigt und die verbleibende LED überlastet. Spannungsquellen besitzen eine Überstromsicherung, da sie den Strom verändern um die gewollte Spannung zu erzeugen. Stromquellen besitzen eine Überspannungssicherung, da sie die Spannung verändern um den gewollten Strom fließen zu lassen. Soweit dieser überflüssige Ausflug in die Theorie. Einfach bei abgeklemmten LEDs am Ausgang die Spannung mit dem Trimmer auf 15,5 Volt einstellen. Angsthasen dürfen auch weniger. Damit ist gewährleistet, dass die Spannung diesen Wert nie überschreitet.

Wer sich nicht sicher ist, kann statt den LEDs zu Testzwecken zunächst auch eine 12 Volt Kfz-Glühlampe geeigneter Leistung anschließen. Damit lässt sich die Schaltung testen und evtl. LEDs schonen. Die Helligkeit der Lampe ist dabei kein Maß für die Funktion der Schaltung. Eine thermische Lichtquelle wie die Glühlampe reagiert bei zu wenig Strom, wie eine Schlaftablette und leuchtet erst bei bereits halber Leistung sichtbar auf. Nur nicht irritieren lassen. LEDs mit 10 Watt Leistung hingegen kann man ohne Weiteres auch nur 10 Milliwatt erzeugen lassen. Das Licht ist deutlich sichtbar wie der Vollmond. Also lieber an der Glühlampe Spannung und Strom messen, statt gucken.

Das Potentiometer in der Frontplatte des Netzteils ist dazu da, die maximale Helligkeit der LEDs zwischen ca. 10 und 100 % zu begrenzen und dadurch nach persönlichem Geschmack den Anteil des LED-Lichts am Gesamtlicht einzustellen. Wie gesagt, eine kleine Lichtmenge reicht manchmal schon und die LEDs brauchen auch nicht mit voller Leistung betrieben werden. Je kälter sie bleiben, desto länger halten sie.

Bei automatischer Dimmung mittels der Schaltung aus Bild 3 steigern die Leuchtstofflampen morgens zur programmierten Zeit langsam die Helligkeit und die LEDs fahren mit hoch. Bei der eingestellten Begrenzung bleiben die LEDs leistungsmäßig stehen und die Leuchtstofflampen fahren weiter hoch. Bei der Dämmerung abends zur programmierten Zeit fahren zunächst die Leuchtstofflampen innerhalb einer halben Stunde herunter, ab der eingestellten Begrenzung fahren die LEDs mit runter und reduzieren ihre Leistung bis in den Mondlichtbereich. Nachdem die Leuchtstofflampen sich bereits abgeschaltet haben, fahren die LEDs weiter innerhalb einer weiteren halben Stunde bis nach Null. Stellt man das Begrenzungspoti auf maximal ein, dimmen Leuchtstofflampen und LEDs synchron von 0 bis 100 % und wieder runter.

Sowohl das EVG als auch der LED-Dimmer werden nach komplettem Herunterfahren des Lichts einzeln abgeschaltet. Wen es noch interessiert, das EVG nach Erreichen der minimalen Helligkeit bei einer Steuerspannung von ca. 0,5 V und der LED-Dimmer nach komplettem Erlöschen der LEDs bei ca. 50 mV. Die Leistungssteller sind damit nachts aus und verbrauchen keinen Strom.

Funktioniert hervorragend. Einfach mal angucken und bei Spaß am Selbermachen nachbauen. Wir arbeiten zwar nur im Niederspannungsteil des Netzteiles, trotzdem aufpassen. Viel Vergnügen.

Ach ja, eins noch, wer an diesem umgebauten Netzteil tatsächlich nochmal ein Autoradio anschließt, der zieht sich auch die Hose mit der Kneifzange an.

Bild 01
Bild 02
Bild 03
Bild 04

Umgebautes Netzteil von vorne. Chinchbuchse und Helligkeitsbegrenzungspoti oben links.   7 Ampere sind sehr hoch gegriffen. 5 Ampere hätten es für meine 6 LEDs auch getan. Für unsere beispielhaften 2 LEDs reichen 2 bis 3 Ampere allemal.

Bild 05

Blick hinter die Frontplatte. Einige Bauteile für den Umbau wurden direkt an Poti und Chinchbuchse gebaut.

Bild 06

Blick ins offene Gerät. Vorne ist der 0,22 Ohm/5 Watt Messwiderstand zu sehen. Er erzeugt bei einem Strom von 4,2 Ampere für eben 6 LEDs die 1 Volt Messspannung.

Bild 07

Blick von unten auf die Platine. Die zusätzlichen Bauteile auf die Lötseite gebaut. Die Masseleiterbahn musste an einer Stelle unterbrochen werden. Provisorien halten lange.

Bild 08

Eine 10 Watt Power-LED mit Wärmeleitkleber auf Kühlkörper geklebt und dann den Kühlkörper mit einem wohldosierten Klecks Aquariensilikon etwas mit Abstand von unten an die Abdeckscheibe. Je nach verwendeter LED kann ein Abdichten mit Aquariensilikon an allen offenliegenden Metallen sinnvoll sein, da Aquarienwasser gegenüber Kupfer sehr aggressiv ist. Die Verlustleistung der LED bleibt zum großen Teil im Becken.

Bild 09

Anordnung aller 6 LEDs unter der fürs Foto angehobenen Abdeckscheibe. Links sieht man die Vollspektrumleuchtstoffröhren mit Reflektoren.

Bild 10

Blick von oben auf die Abdeckung. Vorne die Röhren, hinten die 6 LEDs. Wie gesagt, zwei hätten auch gereicht, außer wenn Besuch kommt. Der runde schwarze Deckel vorne schließt nur die Futterluke im klappbaren Teil der Glasscheibe.

Bild 11

Alle LEDs in Betrieb, jedoch nur bei ca. 20 Prozent. Das Licht spiegelt sich in der Wasseroberfläche, und lässt die Wohnzimmerwand mitflimmern. Durch den Betrieb des Aquariums spart man sich abends die Wohnzimmerlampe und die Wandlampe im Sofabereich. So viel zum Stromverbrauch von Aquarien.

Bild 12

Alle LEDs im Verlauf der automatischen Abenddämmerung bereits sehr stark gedimmt. Die Gesamtleistung beträgt nur noch ca. 1 Watt. Im Hintergrund beleuchtet eine schummrige Lampe die Wand.

Bild 13

Wenn alle LEDs auf diese Leistung automatisch gedimmt wurden, ist im Aquarium so gut wie kein Licht mehr zu sehen. Diese Helligkeit taugt als Mondlicht. Noch ein paar Minuten und das Licht erlischt völlig und die Stromquelle schaltet sich ab.

Bild 14

Timermodul von ELV, Steuerung im Alugehäuse, hinten zwei Schaltinterfaces für netzentkoppeltes Schalten und rechts das zum LED-Dimmer umgebaute Netzteil. Sieht alles sehr selbstgebaut aus. Ist es ja auch. Selbstbauen macht Spaß, lenkt vom täglichen Theater ab und dummer wird man da auch nicht von.

Die Bilder wurden nur mit einer Kompaktkamera gemacht und sollen nur als Beispiel den Unterschied merkbar machen. Die wirkliche Helligkeit, die Änderung der Helligkeit mit LEDs bei 20 Prozent und 100 Prozent und der Farbton des Röhrenlichts und der LEDs darf man nicht so eng sehen. Besser hab ich es nicht hinbekommen.

 

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