Bau einer High Power LED Leuchte mit Lichtcomputer für Meerwasser-Aquarien
Warum LED?
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LED Leuchten bieten gegenüber den NOCH üblichen Leuchten eine Menge Vorteile. Neben dem mittlerweile spürbaren Kostenvorteil auch, Energieersparnis, bessere abgestimmtes Licht, mehr Licht, leichtere Steuerbarkeit, längere Lebensdauer, bessere Ausleuchtung, geringeres Algenwachstum, ...
Wie bereits in einem meiner anderen Blogs beschrieben kommt es im Gegensatz zu herkömmlichen beschichteten Leuchten bei LED mehr darauf an die richtige Mischung an Farben zu wählen. Hier hat sich nach einer Präsentation von Hans Werner Balling meine Meinung zur Auswahl der Farben ein wenig geändert. Heute bevorzuge ich für Meerwasser ein Verhältnis von 2:2:3 - dh: 2 Königsblau : 2 Blau : 3 Wei?? bezigen auf CREE XP-G High Power LED. Dabei ist die Auswahl der LED der wichtigste Punkt, diesmal habe ich diese genau an wissenschaftliche Studien zu Lichtfarben im Meer angeglichen. XP-G ist auch die neue Generation der LED, wesentlich kleiner mit höherer Lichtausbeute.
Nun aber genug zum Thema LED - wie eingangs erwähnt habe ich dazu schon einen Blog gemacht, der alles hinlänglich beschreibt.
Benötigtes Material
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Anders als zuvor erfolgt die Kühlung mit einer Aluminiumplatte 5mm dick und die LEDs werden mit 500mA bzw. 466mA betrieben. Auch habe ich die Schaltung verbessert und komme nun mit lediglich 4 Konstanterstromquellen aus. Die Leuchte muss eine Giesemann Infinity mit 2x 250 Watt HQI und 4x 52 Watt T5 ersetzen. Als Rechnung gilt nun offiziell (lt. H.W. Balling / Tropic Marin): 25 High Power LEDs ersetzen 1x 250 HQI Watt bei ca. 28 Watt Verbrauch. In meiner Anwendung wird also die 708 Watt Giesemann durch eine im Vergleich 1000 Watt High Power LED Leuchte ersetzt, wobei der tatsächliche Verbrauch der Lampe bei ca. 158 Watt liegen wird (inkl. allem).
42x CREE XP-G Wei??
32x CREE XP-G Blau
26x CREE XP-G Königsblau
100x LED Linsen mit Gehäuse
2x Netzteile 100W 36Volt und 150W 36Volt
4x Konstanterstromquellen dimmbar 1400mA (wei??) 2100mA(Blau)
1x SMD Lichtcomputer mit 1-10V Steuerung
1x Aluminiumplatte 140x45 cm (für mein 480 Liter Becken) 5mm dick
4x Alu U-Profile als Rahmen
6x mini PC Lüfter 2x2x1 cm
div. Kleinmaterial: Kabel, Lötzinn, Stecker, ...
GESAMTKOSTEN: 1.050.- Euro
Benötigtes Werkzeug
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Gewaltig Geld (bis zu 4 Euro pro LED) kann man sich sparen, wenn man die LED selber auf die Star Platine (oder andere) lötet. Hierzu kommt eine bestimmte Technik zur Anwendung die sich Reflow löten nennt. Das Geheimnis der Elektroniker und die Rechtfertigung warum sie so viel verlangen ist eigentlich keines. Reflow Ofen werden mit bis ab 300.- Euro gehandelt - aber wozu? - eine Herdplatte tut es auch. hierzu wird flüssiges Lötzinn auf den Star aufgebracht, die LED darauf gelegt und das ganze auf die Herdplatte (ein paar Sekunden) gelegt bis es verlötet ist. Details eventuell in einem späteren Blog...
Bohrmaschine
Schraubendreher
Gewindeschneider M3
Lötkolben
Cutter
Laubsäge
Klebstoff
Pinsel oder Roller
Messgerät (sicher ist sicher)
Und schon kann es wie folgt los gehen...
Zusammenbau des Lichtcomputers mit den KSQs
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Das Herzstück der Anlage ein SMD Lichtcomputer wird direkt auf der Leuchtein einem Pult-Gehäuse angebracht. Dabei werden alle elektronischen Bauteile wie KSQs darin verbaut. Dabei werden zuerst die KSQ vorgelötet, dabei wird die Spannungsversorgung an die DC Stecker angelötet, der LED Ausgang vorgelötet und das Dimmsignal des SMD verlötet. Der SMD hat vier Kanäle, es ist dann also möglich jedes KSQ einzeln an zu steuern, wobei es immer 2 Wei??e Gruppen (links rechts) und zwei Blaue Gruppen (links und rechts) gibt. Damit ist es möglich diese Gruppen getrennt an zu steuern und den Sonnenaufgang zB links beginnen zu lassen und den Sonnenuntergang rechts enden zu lassen.
Die Anwendungsmöglichkeiten sind da noch nicht voll ausgeschöpft, die momentan am Markt erhältlichen Computer werden dem nicht gerecht - hier zeigt sich aber klar ein weiterer Vorteil der LED, denn es wäre auch im Gegensatz zu Leuchtstoffröhren möglich Wolken links rechts zu steuern oder Blitze an bestimmten stellen im Becken zu erzeugen. Auch der Mond könnte wandern, ... da bin ich gespannt auf die weitere Entwicklung der Hersteller.
Sobald die KSQ verlötet sind könnten diese im Pultgehäuse angebracht werden und mit den Steckern verbunden werden. Dazu müssen für die Stecker Löcher in das Gehäuse gebohrt werden und ein gro??es Loch als Auslass für die Kabel zur Stromversorgung der LED im Alu Reflektor. Am Pultgehäuse Deckel wird eine Aussparung zum einbau des Lichtcomputers geschnitten und der Lichtcomputer montiert. SMD verwendet Westernstecker für alle Anschlüsse, diese müssen lediglich verbunden werden und das Pultgehäuse kann verschreibt werden. Der Stromanschluss der beiden Netzteile für die LED und des Netzteils des Lichtcomputers erfolgt dann über die angebrachten DC Stecker auf der Rückseite des Pultgehäuses. Der SMD hat auch einen Anschluss für einen Temperaturfühler der die Beleuchtung steuern soll (bei LED überflüssig), diesen habe ich ebenfalls verbaut damit ich eine zweite Temperaturanzeige als Referenz habe.
Hier ergibt sich auch ein weitere unschlagbarer Vorteil der LED, es entsteht weniger Wärme und das bisschen Wärme wird nicht nach unten sondern nach oben ab gegeben. Oben wird es mit dem ALuminium gekühlt, sodass das Becken kaum aufgeheizt wird, was deutlich spürbar den Durchlaufkühler schont. Wie auch immer der Temperaturfühler wir bei mir später im ??berlaufkasten versenkt, alle anderen Kabel werden später hinter dem Aquarium zum Pultgehäuse geführt.
Damit ist der Bau des Lichtcomputers auch schon abgeschlossen und wir wenden uns der eigentlichen Leuchte zu. Das ganze Gehäuse mit dem Lichtcomputer wird später auf der Aluplatte verschraubt, sodass man jederzeit die Steuerung übernehmen kann.
Bau des Reflektors
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Der Reflektor erfüllt zwei wesentliche Aufgaben - Kühlung der High Power LED und spritzwasserfestes Gehäuse für die Elektronik. Ein Reflektor im eigentlichen Sinne ist nicht notwendig, da die LED selber das Licht nach unten emittiert. Daher entsteht auch absolut kein Lichtverlust, das hei??t 100% des Lichtes - anders als bei anderen Leuchtmittel - kommen auch im Wasser an.
Zunächst geht es darum den Rahmen zu fertigen, dazu habe ich Alu U-Profile genommen und diese mit Schrauben und Muttern an der Aluminiumplatte rund herum verschraubt. Eine Menge Bohrarbeit, aber Ende sieht alles gut aus. Danach müssen die Aussparungen für die Lüfter und die Löcher für die Aufhängung gebohrt - die Kanten entgratet und der Rahmen eingepasst. Schnell noch ein Loch durch die Platte durch das die Kabel vom Lichtcomputer und der Steuerung eingezogen werden und fertig. Abschlie??end geht es daran den Reflektor zu lackieren, zumindest in meinem Fall, man könnte diesen natürlich auch im Aluminium-Look lassen.
Damit ist der nächste Schritt abgeschlossen und weiter geht es mit dem Aufbringen der LED auf der Aluminiumplatte.
Anbringen der LEDs
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Es ist wichtig das Aluminium vorher gründlich zu reinigen, damit der Kleber und die LED fest am Alu halten. Zu Verklebung wird ein Wärmeleitsilber verwendet, diese wird hauchdünn auf der LED Platine aufgetragen und die Platine wird leicht am Alu angepresst. Das Silber wird relativ schnell hart also sollte man immer nur so viel beiden Komponenten abmischen wie man auch in paar Minuten verarbeiten kann.
Auch ist es wichtig vor dem Anbringen der LED einen Plan zu machen und sich genau zu überlegen wie die Kabel laufen werden. Auch sinnvoll ist es alles auf dem Alu an zu zeichnen und zu messen, damit dann alles leicht von der Hand geht.
In diesem Fall kommen zwei Sorten von KSQ zum Einsatz: 2 mit 2100mA und 2 mit 1400mA. Die 1400mA KSQ sind für die wei??en LED gedacht die in je 2 10er Gruppen angeschlossen werden, dazu ist dann ein Netzteil mit 36 Volt 100 Watt zum Betrieb notwendig. Beim Entwurf oder Plan für die Anbringungen der LED habe ich berücksichtigt, dass eine KSQ Gruppe (20LED) links und eine Gruppe rechts verkabelt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit den Sonnenaufgang links zu starten und den Sonnenuntergang rechts zu beenden. Auf den Effekt bin ich gespannt...
Verlöten der LEDs
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Mühevoll müssen 100 LEDs verlötet werden, dabei muss auch bedacht werden die Gruppen richtig zu gruppieren und die richtige Polung in der Serienschaltung ein zu halten. Auch hier ist der Plan hilfreich und es empfiehlt sich Gruppe für Gruppe zu löten und anschlie??end den Anschluss am KSQ vor zu nehmen. Dabei ist auch darauf zu achten, dass die vom Computer angesteuerten Gruppen schalt-technisch sortiert bleiben. Also L1.1 und L2.1 links und L1.2 und L2.2 rechts, somit gibt es links und rechts die je zwei unabhängig voneinander schaltbaren Gruppen. Nach dem verlöten erfolgt das verkabeln, ich habe dazu handelsübliche Kabelbinder mit Halter verwenden. Die Halter habe ich einfach am Aluminium an geklebt und so die Kabel auf der Rückseite schön hin zu Computer verlegt und befestigt. Damit kann später auch kein Kabel auf das Glas fallen oder ein gezwickt werden. Damit geht es zum einbau der Linsen...
Einbau der LED Linsen inkl. Gehäuse
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Die Linsen haben zwei wichtige Aufgaben bei einer LED Lampe. Zum Einen sorgen Sie dafür, dass das Licht den Betrachter nicht blendet und das betrachten der Tiere zum Genuss wird. Und zum Anderen sollen Sie das Licht bündeln, damit es auch tief genug ins Becken eindringt. In meinem Fall handelt es sich um 60cm tiefes Becken mit einem Abstand zwischen den LEDs von ca. 7cm, daher ergibt sich bei mir ein optimaler Abstrahlwinkel von 45° damit sich blaue und wei??e LED bei einem Abstand von 15cm zur Wasseroberfläche optimal mischen. Hiermit erreiche ich eine optimal Mischung und durch die vielen kleinen LEDs auch eine optimale Ausleuchtung des Beckens. Die Höhe des Lampengehäuses ist auch so bemessen, dass zwischen Linsen und Glas nur 1mm Abstand bleibt, damit wird innen im Gehäuse möglichst wenig Licht zurück reflektiert und alles trifft auf der Wasseroberfläche auf. Die Linsen selbst werden auf die LEDs auf gesteckt, wobei ich diese noch zusätzlich mit Klebstoff fixiert habe...
Zusammenbau der Leuchte
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Nun ist der Endspurt angesagt, die Netzteile werden mittels DC Stecker am Computergehäuse angebracht. Bevor die Anlage in Betrieb genommen wird sollte die Spannung am Netzteil nach berechneten Wert eingestellt werden. Hierzu dienen die Current Forward Angabne des LED Herstellers. In meinem Fall für die Wei??en LED 3, 1 Volt bei 700 mA und für die Blauen 3, 3 Volt bei 700 mA, also wird bei mir die Spannung exakt auf 31 zw 33 Volt eingestellt. Nun folgt der Test ... alles läuft!! - Puh!
Als nächstes geht es daran die Glasplatte in die vorgesehenen Führungen zu schieben und die Leuchte zu verschlie??en. An sich eine einfache ??bung, man muss nur aufpassen, dass das Glas nicht bricht oder man sich schneidet. Ich habe mich für Glas entschieden, weil es 1. die Wärme im Gehäuse isoliert und zweitens weniger empfindlich ist als PVC-U beim putzen. Gro??er Nachteil ist das Gewicht, trotzdem, dass die Scheibe nur 3mm dick ist verdoppelt sich nach dem Einbau der Glasplatte das Gewicht schlagartig. Schnell noch die Drahtseile für die Aufhängung angebracht - FERTIG!!
Einbau und Funktionen des Lichtcomputers
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Der SMD Lichtcomputer wird nun eingesetzt und die Kanäle für die Dimmung angeschlossen, eine Beschreibung der Belegung ist in der Betriebsanleitung enthalten. Ich habe mich für den SMD entschieden weil er der kleinste ist und direkt in der Lampe verbaut werden kann. Der Test der Dimmfunktion ist erfolgreich, alles Kanäle lassen sich unabhängig voneinander dimmen, ja nahezu auf null zurück stellen. Ich habe hier bewusst auf Abschaltrelais verzichtet, da die LED in der Nacht das Mondlicht simulieren, dabei wird Blau auf nahezu 0 zurück gedimmt und die Mondphase über die wei??en LED simuliert.
Der Computer bietet für jeden Kanal folgende frei programmierbaren Funktionen:
- Mondlicht mit Mondphase
- Morgendämmerung, Sonnenaufgang
- Abenddämmerung, Sonnenuntergang
- Tropendämmerung
- Wolkensimulation mit Zufallsgenerator und Wahrscheinlichkeit
Tropendämmerung und Wolken verwende ich nicht, das ergibt für mich keinen Sinn und ist im Meerwasser fast unnötig - zumindest für meinen Geschmack. Die Dämmerung habe ich je mit 30 Minuten beschaltet und die Mondphasen im 29 Tage Rythmus (auch einstellbar) mit je 5% Leistung wei?? bei Neumond bzw. 10% Leistung bei Vollmond. Der Computer zählt auch Betriebsstunden und hat eine Einbrennfunktion - beides bei LED unnötig, die Betriebsstunden können nicht mit 50000 Stunden eingestellt werden und einbrennen muss man LED auch nicht. Interessant ist noch das Temperaturabhängige ansteuern der Leuchten, dafür ist ein Temperaturfühler im Lieferumfang, den man im Aquarium platzieren kann. Steigt die TEMP über den eingestellten Wert A wird die Beleuchtung mit ansteigender TEMP zurück gedimmt bis der TEMP Wert B erreicht wird, wo die Lampe schlie??lich abgeschaltet wird. Leider bei LED sinnlos, da gibt es kaum Wärme. Ich verwende den Sensor lediglich als TEMP Fühler im Becken und habe so eine zweite Referenz.
Als denn, ich wünsche allen viel Spa?? beim nachbasteln! Solltet Ihr noch Fragen haben haut rein... an sonst viel Erfolg!!
lg the_lizardking
danke, dass du mich auf den Fehler mit dem LED Namen aufmerksam gemacht hast. Ich hatte die Diskussion mit dir ja schon einmal oder... ;-)
Natürlich hat eine Herdplatte nichts mit Reflow zu tun aber es ist eine praktische Lösung und ich bezweifle, dass die LED dabei überhitzt wurden... wenn man das vorsichtig macht funktioniert das sehr gut, aber das wird die Zukunft ja zeigen. Im Grunde tut ein Reflow Ofen nichts anderes... er heizt die Platine einfach mit Zeitlimit auf.
Die Abwärme ist kalkuliert und der Alukühler heizt im Moment auf ca. 26 - 28 Grad auf, ein wenig höher als Raumtemperatur... ich denke, dass die Kühlung ausreichend ist. Klar nimmt die Leistung bei zunehmender Temperatur ab weil der Widerstand steigt und das LEDs gekühlt werden müssen ist unbestritten, trotzdem ist das nicht in dem Maße wie du das hier darzustellen versuchst. Eine LED ist um ca. 30% effektiver als T5 und das weil Sie unter anderem weniger Abwärme produziert. Nebenbei erscheint mir der Platzverbrauch von T5 und deren Wärme auch ein riesen Nachteil (die Wärme übrigens auch gegenüber T8 - aber die Diskussion hatten wir schon mal) zu sein. Die Abwärme der LED bezieht sich auf einen kleinen Punkt und es geht nicht darum die LED auf 20° zu halten, das geht auch gar nicht - sondern es geht darum die Wärme möglichst schnell ab zu führen, damit dieser kleine Punkt nicht überhitzt. Dabei ist zu betonen, dass die Kühlaktionen meist übertrieben sind, so heiß werden die LED bei weitem nicht... also jede T5 Röhre produziert mehr wärme. Auch stimmt natürlich, dass man ein wenig Licht in der Linse verliert - vielmehr erhöht die Linse auch die Umgebungstemperatur der LED -, der Vorteil der Linse liegt aber darin, dass das Licht auf den Boden fokussiert wird.
Wenn ich ein Messgerät hätte würde ich das tun - über Lumen haben wir ja schon mal diskutiert, da wiederhole ich mich nicht nochmals - die Aussage mit den 250 Watt kommt von Hans Werner Balling - Tropic Marin (steht nun auch so drin), halte ich aber auch für übertrieben... übrigens haben die das auf der Interzoo Live gemessen... ich war nicht dabei, habe aber einen Vortrag gesehen...nicht nur von Hans Werner auch von anderen... naja wie auch immer - auch wenn du es nicht glaubst, es ist wirklich supertoll und wesentlich besser als zuvor! Die Korallen gehen wesentlich besser auf und die Farben der Fische kommen wesentlich besser...
Diese Erfahrung hatte ich auch mit meinem letzten Becken und ich war von meiner Giesemann Leuchte sehr enttäuscht im Vergleich zu der vorhergehenden LED T5 Mischung - hast du schon mal so eine Leuchte aus probiert und hast du da Erfahrung?
Ne warte doch, zu Lumen - naja grundsätzlich stimmt deine Angabe ich komme mit dem XP-G R5 LED auf ca. 250 Lumen pro LED (mit Linsenverlust, übrigens verspiegelte - ich habe auch die mA bei den KSQ ergänzt auf 700mA pro Gruppe) also ca. 10500 Lumen (eher mehr) bei den weißen LED alleine. Aber ich habe auch einen wesentlich höheren Blauanteil als mit einem Brenner und auch keine Lumen treibenden anderen Lichtfarben drin, macht insgesamt ca. 17500 Lumen. Also ich komme so bei meiner Rechnung schon auf ca. 3 Brenner... ? Den Vorteil der LED im Blaulicht-Bereich und den schnellen Lichtverlust von Brennern abgesehen...
Original-Zitat H. W. Balling:
"LEDs haben keine Glühkathoden, die die Lebensdauer verkürzen können.
LEDs haben keine Quecksilber- oder andere Dämpfe, die an Lampenkomponenten absorbieren können.
Weiße LEDs erzeugen blaues Licht, das von den "Phosphoren" (die chemisch gar kein Phosphor sind, sondern andere phosphoreszierende Stoffe)in den breiten Kegel im gelbroten Spektralbereich umgewandelt werden. Lässt die Leistung gegen Ende der Lebensdauer der LED nach, sollte die Farbtemperatur ansteigen und der blaue Spektralbereich erhalten bleiben oder zunehmen.
Leuchtstofflampen sind Niederdruck-Entladungslampen, die UV-Strahlung erzeugen, die von den Phosphoren in sichtbares Licht umgewandelt wird. Leider altern nach vorliegenden Untersuchungen die Phosphore für das blaue Licht besonders schnell und bewirken die kurze Lebensdauer der aquaristischen Leuchtstofflampen und Halogenmetalldampf-Brenner. Das hat außerdem den für die Korallen ungünstigen Effekt, dass das blaue Licht zuerst verloren geht und die Farbtemperatur sinkt.
Wenn die Angaben der LED-Hersteller nur annähernd stimmen, wovon ich sicher ausgehe, LED ist kein ganz neues Leuchtmittel, dann sind LEDs nicht nur sehr dauerhaft, sondern ihre Alterung (Degradation) sollte für die Korallen und die Meeresaquaristik weit günstiger aussehen als die Alterserscheinungen der bisher verwendeten Leuchtmittel."
So nun aber zurück zu meiner gewählten Lichtfarbe, meine Lichtfarbe jetzt gleicht eher der Giesemann Blue oder ist ein Mittelding von Coral und Blue wo Giesemann selber sagt 5.500 Lumen (CA.!!) also nehmen wir eher 5000 Lumen nach 2 Monaten Betrieb, komme ich auf heiße 20000 Lumen bei 4 Brennern und 15000 bei 3 Brennern - dem gegenüber stehen meine ca. 17000 Lumen... also doch oder nicht oder rechne ich da was falsch? Also zumindest komme ich sehr nah ran ne? Abgesehen davon, dass die Lumen Diskussion unsinnig ist sollte es zumindest optisch auch ungefair so hin kommen...
Der Wirkungsgrad sieht also in PAR (halte ich für sinnvoller) eher so aus:
LED: 1, 60 µmol x m(-2) x s(-1)/W
T5: 1, 25 µmol x m(-2) x s(-1)/W
HQI: 0, 66 µmol x m(-2) x s(-1)/W
Nochmals wir können da über 1000 oder 2000 Lumen auf oder ab diskutieren, die Korallen lieben das Licht und ich habe einige Lampen aus probiert. Natürlich wird sich auf dem Sektor noch einiges tun und hoffentlich wirds noch besser, aber ich bin mit dem Ergebnis mehr als zufrieden. Es stimmt sowohl optisch (das Licht sieht spitzenklasse aus) also auch vom Verhalten der Korallen her. Ich sehe keine Nachteil nur Vorteile und wenn 100 LED zu wenig sein sollten, stecke ich halt nochmals 50 rein und verbrauche noch immer nur ein Drittel von dem was Brenner brauchen würden... alleine das rechtfertigt den Umstieg für mich von den Umweltschutzgründen abgesehen. Und selbst wenn die LED nur 30000 Stunden halten sollten (das zu meine Reflow Spielchen) sind Sie bis dahin schon mal um 50% billige rund 50% besser als heute also wäre ein Wechsel nicht schlecht... bei den Brennern wechseln wir jährlich und schmeißen mehr Geld raus als die LED im Zeitwert kosten würden. Ich sehe wirklich keinen Nachteil, nirgends... nicht einmal ansatzweise!
lg the_lizardking
PS: Auf das mit dem grottigen RA-Wert kann ich bis auf die Aussag von H. W. Balling nicht weiter eingehen, deine Aussage verstehe ich im Gesamtkontext nicht ganz. Was hat °Ra oder Kelvin nun mit der Leistung zu tun oder warum denkst du die Lichtfarbe einer LED sei schlecht? William John Macquorn Rankine hat das mit dem °Ra ein wenig anders gemeint, als du es hier in die Diskussion mit ein bringst denke ich...
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