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Bau einer Beleuchtung mit High Power LEDs für Meerwasserbecken

Bau einer Beleuchtung mit High Power LEDs für Meerwasserbecken
Ich habe mich dazu entschlossen in meinem Meerwasserbecken eine High Power LED Lösung ein zu bauen. Da dies relativ neu ist und es eigentlich nur ein oder zwei unpassende Modelle im Handel gibt, musste ich die Schaltung selbst entwerfen. Leider ist die Beratung der LED Händler nicht optimal und die Informationen im Netz nicht wirklich ausführlich und umfangreich. Anbei eine kurze Beschreibung wie ich es gelöst habe und ein paar Hintergrundinformationen zu LEDs, ich hoffe es hilft den Interessierten ein wenig weiter.

Wie funktioniert eine LED?

Eine Leuchtdiode besteht aus mehreren Schichten von halbleitenden Materialien. Wenn die Diode in Vorwärtsrichtung betrieben wird, wird in einer dünnen Schicht - dér aktiven Schicht - Licht erzeugt. Im Gegen- satz zu herkömmlichen Glühlampen, die ein kontinuierliches Spektrum aussenden, emittiert eine LED Licht in einer bestimmten Farbe oder Wellenlänge. Die Farbe des Lichts hängt vom verwendeten Material ab. Zwei Materialsysteme (AllnGaP und InGaN) werden benutzt, um LED mit hoher Helligkeit in allen Farben von Blau bis Rot und auch in Weiß (Lumineszenzkonversion) zu erzeugen.

Wo liegt der Vorteil der LED?

Durch die Funktionsweise einer LED lassen sich bestimmte Farbtemperaturen zusammenstellen und individuell and die jeweilige Anforderung anpassen. Ein weiterer Vorteil liegt einfach darin, dass eine LED anders als bei zB Leuchtstoffröhren oder HQi Lampen das Licht fokussiert wird und keine unerwünschte Abstrahlung erfolgt, dh der gesamte Strahl geht direkt auf die gewünschte Fläche und die Effizienz verglichen auf Watt per Lumen im Sichtbaren Bereich gegenüber anderen Leuchtmitteln höher. Die LED ist damit effizienteste und gezielteste Methode um Licht zu erzeugen.

Wie viel Lumen und LEDs benötige ich für 100Liter Wasser?

Lumen haben nur indirekt mit der Helligkeit von Licht zu tun, im Grunde handelt es sich bei Lumen um einen statistisch errechneten Wert aufgrund des subjektiven Helligkeits-Empfindens einer repräsentativen Anzahl von Probanden. Beim objektiven Vergleich muss man also die emittierte Lichtmenge (Photonen) im sichtbaren und nicht sichtbaren Bereich vergleichen. Vergleicht man eine LED vom Lichtspektrum speziell im blauen oder roten Bereich mit einem konventionellen Leuchtmittel wird man feststellen, das eine cool white LED mit einer Farbtemperatur von 10000k im kaum sichtbaren Spektrum des menschlichen Auges fast 10x so stark leuchtet wie andere Leuchtmittel. Dies ist zB auch der Grund warum bei blauen LED nur die Wellenlänge des Lichtes angegeben wird und nicht in Lumen - in diesem Bereich ist die Aufnahmefähigkeit des menschlichen Auges nur sehr begrenzt, die LED emittiert aber weiter in voller Helligkeit in allen Blau-Bereichen. Als Faustregel kann man sagen, man benötigt 20 High Power LEDs pro 100 Liter Wasser und im Meerwasser 1 UV LED pro 20 LEDs bei einem Vorwärtsstrom von 350mA. Bei einem Vorwärtsstrom von 750mA könnte man durchaus auf 15 + eine UV LED reduzieren, muss aber dann unbedingt kühlen!

Farbtemperaturwahl bei LED?

Gerade die LED bringt uns einen signifikanten Vorteil in der Beleuchtung von photosyntheten Lebewesen. Einzig wichtig ist die richtige Wahl, das richtige Verhältnis der LED Farben. Licht welches im Meerwasser unerwünscht ist wie Rot, wird in die LED Leuchte einfach nicht integriert, gegenteiliges würde für das Süßwasser gelten in dem Rottöne durchaus für das einleiten der Blütephase und dem Wachstum von Pflanzen wichtig sind. Um im Meerwasser auf eine gewünschte Farbtemparatur von16000k zu kommen eignet sich ein Mix von 1 zu 1 von hellem weiß und blau bzw. Königsblau, wobei je Vorwärtsstromstärke pro 15-20 LEDs eine UV LED eingeplant werden sollte. Im Süßwasser empfehlen sich eigentlich RGBW als Rot Grün Blau Weiß LEDs und man kann mit einer RGBW Dimmer die gewünschte Farbtemperatur ganz leicht selber regeln. Da dies aber mehr Lötaufwand bedeutet, würde eine Farbmischung 2:1:3 (Rot, Blau, Weiß) aus meiner Sicht auch den optimalen Erfolg bringen.

Aquarienbeleuchtungsbeispiel wie ich es umgesetzt habe:

15x CREE XR-E R2 white
15x CREE XR-E blue
5x Konstanterstromquelle bei 350mA
1x Netzteil 24V / 4,5A / 60W
3,5g Wärmeleitkleber

KOSTENPUNKT ca. 310.- Euro

Benötigtes Werkzeug und Verbrauchsmaterial:
Kabel
Lötzinn
Lötpaste
Lötkolben
Cutter

Bei mir wird diese Beleuchtung nicht als Hauptbeleuchtung eingesetzt und ich habe mich entschlossen die LED als Platzsparende Zusatzbeleuchtung in meine Aquarienabdeckung zu integrieren. Die LED wurden direkt am Reflektor verbaut und werden passiv durch den Reflektor und aktiv durch Lüfter gekühlt. Aus diesem Grunde habe ich mich auch für eine 350mA KSQ entschieden, da die LED hier weniger wärme erzeugt als bei maximal zulässigen Vorwärtsstrom von 750mA. Maximale Leistungen von bis zu 800lm pro LED erreicht man nur bei einem Betrieb mit maximalen Vorwärtsstrom von 1000mA oder mehr - je nach Spezifikation der LED, erzeugt aber dabei auch um das mehrfache an Abwärme. Eine Kühlung könnte dann relative platzraubend werden oder muss eventuell auch eine aktive Komponente zB Lüfter enthalten.

Integrierte Schaltung der LED (siehe Schaltplan):

Die CREE LEDs sind 3,x Volt Emitter und werden hier zu je 6 Stk. in Serie geschalten, damit kann der Vorwärtsstrom je Reihe mit einem 350mA KSQ bei 24V betrieben werden. Eine LED dieser Type nimmt bei 350mA ca. 1,25W. wir haben 5 Reihen also einen Verbrauch von ca. 1,8A bei ca. 40W inklusive Verbrauch der KSQ. In dieser Konfiguration wäre auch ein Betrieb mit 500mA KSQ denkbar, aber an der grenze der Leistung des Netzteils und nurmit erhöhten Kühlaufwand möglich. In dieser Konfiguration mit 30 LEDs erreichen wir eine Lichtausbeute von ca. 3 x 39W T5 Röhren und sparen somit 2/3 der Energie ein.

Kühlung von LEDs:

Bei High Power LED Anwendungen im Maximalbetrieb geht nichts ohne Kühlung, dabei geht es aber nicht darum die Wärme möglichst schnell ab zu leiten, sondern eher darum die Wärme möglichst schnell zu verteilen. Eine aktive Kühlung ist somit in den meissten Fällen unnötig, einzig wichtig ist die Fläche und die unmittelbare Anbringung der Kühlung an die LED, damit die entstandene Wärme möglichst schnell von dem ca. 1mm2 großen Lichtpunkt verteilt wird. Umso höher der Vorwärtsstrom umso mehr Kühlung benötigt man auch, also sollte im Extrembetrieb schon ein sehr großer Kühlkörper genommen werden um die lange Lebensdauer der LED zu gewährleisten.

Lebensdauer einer LED und Leistungsverluste:

Die Lebensdauer einer LED liegt im Typbetrieb (hier 350mA) bei 100.000 Stunden bei bis 25% Leistungsverlust ab der 50.000ten Betriebsstunde. Dh. 11 Jahre volle Leistung und im 22 Jahr nur noch 75% bei einem täglichen Betrieb von 12 Stunden bis die LED schließlich nach unschlagbarer Lebensdauer defekt wird. Leistungsverluste ergeben sich auch aus schlechter Kühlung und damit verbundenen "Verdampfen" der LED, was schließlich relativ schnell zu einem Ausfall oder defekt führen kann. Als Faustregel gilt hier die unmittelbare Umgebung der LED sollte mit der Hand berührbar bleiben auch nach 16 Stunden Betrieb. Im Betrieb mit 350mA ist Wärme aber kein Thema, ein kleines Aluplättchen mit 5x5x0,2cm reicht völlig zur Kühlung aus. Ein weiterer Grund für das frühe Ableben und Leistungsverluste ist eine nicht konstante Stromversorgung aufgrund ungenauer Netzteile und einem Betrieb ohne KSQ - es wird von allen Herstellern daher empfohlen LEDs unbedingt an einer KSQ zu betrieben.

Zusammenbau der LED Leuchte:

Die Anordnung erfolgt alternierend, dh eine blaue, eine weiße, bei der zweiten Reihe beginnen wir mit einer weißen, einer blauen usw.. Bei diesem Beispiel werden immer 6 LEDs in Serie geschalten und mit je einer KSQ verbunden, die KSQ wiederum wir direkt an das Netzteil angeschlossen. Natürlich könnte man die LED kostengünstiger mit einem Widerstand betreiben, allerdings sollte dann das Netzteil ziemlich genau arbeiten. Die LED werden mittels Wärmeleitkleber (die Dinger halten ja 20 Jahre, also was solls) direkt auf dem Kühlkörper (in diesem Fall auf den Reflektor) angebracht. Die Wärmeleitkleber-Schicht sollte dabei so dünn wie möglich sein, ein Tropfen reicht und die optimale Verteilung des Klebers erreicht man indem die LED mit kreisenden Bewegungen andrückt.

Das Ergebnis ist hervorragend (Kringeleffekt am Boden des Beckens, extrem viel Licht) und Ihr könnt auch an meinem Einrichtungsbeispiel sehen wie sich das Ganze in Zukunft entwickeln wird. Wenn es weiterführende Fragen gibt stehe ich euch natürlich gerne zur Verfügung, ansonst wünsche ich euch viel Erfolgt beim Nach-Basteln!

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