Hilfe bei Schaltungsentwicklung und Bauteilauswahl: Aquariumbeleuchtung

[Stefan S. (atmega644)]

Hallo zusammen,

ich benötige wie der Betreff meines Anliegens schon verrät Hilfe bei der 
Schaltungsentwicklung für eine Aquariumbeleuchtung, da mein Wissen über 
die Bauelemente nicht auszureichen scheint.

Folgendes habe ich bereits erfahren/gemacht:

Aquariumvolumen: 126 Liter
Süßwasseraquarien benötigen: 15-40 Lumen pro Liter

Gesamtvolumen = Aquariumvolumen x gewünschte Lumen/Liter
--> Gesamtvolumen (maximal) = 126Lumen x 40 Lumen/Liter= 5040 Lumen

Entschieden habe ich mich für Cree XP-G2 R5 LEDs 
(https://www.led-tech.de/de/High-Power-LEDs-Cree/CREE-XP-Serie/CREE-XP-G2-R5-auf-Star-Platine-LT-1979_120_138.html).
Diese haben bei 2,8 - 4V eine maximale Stromstärke von 1500mA.
Daraus resultiert ein Lichtstrom von 519 Lumen.

Wenn ich also 10 Stück nehme sollte ich das Aquarium hell genug 
bekommen.

Natürlich möchte ich die Beleuchtung über einen Mikrocontroller steuern. 
Dieser sollte mir (über PWM?) die Möglichkeit bieten die LEDs zu dimmen.
Das hat zwei Gründe:

1. Die 5190 sind das erfahrungsgemäße Maximum des benötigten 
Lichtstroms. Aber unter Umständen will ich es eben doch etwas dunkler 
haben falls sich zum Beispiel ein Lichtstrom von nur 4000 Lumen für das 
gesamte Aquarium als angenehmer/besser herausstellt.

2. Ich möchte einen Sonnenaufgang als auch einen Sonnenuntergang 
simulieren können (langsam heller bzw. dunkler werden).



Zu meinen Problemen:

1. Welche Spannungsversorgung bietet sich hier an? Ich spielte bisher 
mit dem Gedanken dieses Netzteil zu verwenden:
https://www.reichelt.de/?ARTICLE=132744&PROVID=2788&wt_mc=amc141526782519998&gclid=CJGX9rasz8sCFZUW0wodQckOuw

2. Mittels Widerstandsrechner (http://www.leds.de/Widerstandsrechner/) 
habe ich mir folgende Werte eingegeben bzw. ermittelt:

Durchlassspannung: 2,8 V
Betriebsspannung: 3,3 V
Betriebsstrom: 1500 mA

Zu vernichtende Spannung: 0.5 V
Der Vorwiderstand beträgt: 0.33 Ω
Nächst höherer Wert aus der E12 Reihe ist: 0.39 Ω
Der Strom beträgt dann: 1282.05 mA
Der Vorwiderstand muss folgender Leistung standhalten: 0.75 W

Meine Meinung:
Damit habe ich die LEDs nicht bis zur gänze ausgereizt und der 
Lichtstrom wird nicht der maximal Mögliche sein, aber er wird ganz 
sicher noch reichen. Außerdem wirkt es sich sicher nicht ungünstig auf 
die Lebensdauer der LED aus.
Oder irre ich mich da?
Kann ich dieses Netzteil nutzen oder habe ich etwas nicht bedacht?
Vielleicht gibt es aber auch eine geeignetere Spannungsversorgung? Hier 
beginnen meine Schwächen bezüglich der Schaltungsentwicklung und 
Bauteilauswahl.

3. Jede LED bekommt nun einen Vorwiderstand von 0,39 Ohm 
(http://www.reichelt.de/2-Watt-axial/2W-DRAHT-0-39/3/index.html?&ACTION=3&LA=2&ARTICLE=2263&GROUPID=3116&artnr=2W+DRAHT+0%2C39) 
der die entsprechende Leistung verträgt. Dennoch will ich sie ja alle 
gleichzeitig an oder ausschalten - nur eben mit Dimmfunktion.

Die Dimmfunktion habe ich mir überlegt müsste doch mit PWM zu 
realisieren sein oder? Wenn ich richtig liegen sollte:

Wie muss ich nun die Schaltung ergänzen um den Strom von insgesamt 13A 
(10 x 1,282 A) schalten zu können und dies eben auch mit PWM?

Sicher habt ihr was das angeht bessere und mehr Ideen als ich.





Vielen Dank für eure Hilfe vorweg.

Atmega644

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Stefan S. schrieb:
> ich benötige wie der Betreff meines Anliegens schon verrät Hilfe bei der
> Schaltungsentwicklung für eine Aquariumbeleuchtung, da mein Wissen über
> die Bauelemente nicht auszureichen scheint.
ich empfehle dir im LED-Tech-Forum mal zu suchen.
http://www.ledstyles.de/
Das Thema Aquarienbeleuchtung wurde dort schon vielfach besprochen.
Da bekommst du sicher auch gute Tipps.

> Gesamtvolumen = Aquariumvolumen x gewünschte Lumen/Liter
> --> Gesamtvolumen (maximal) = 126Lumen x 40 Lumen/Liter= 5040 Lumen
Warum gehst du gleich mit den Maximum an Lumen in die Rechnung?

> Entschieden habe ich mich für Cree XP-G2 R5 LEDs
> 
(https://www.led-tech.de/de/High-Power-LEDs-Cree/CREE-XP-Serie/CREE-XP-G2-R5-auf-Star-Platine-LT-1979_120_138.html).
> Diese haben bei 2,8 - 4V eine maximale Stromstärke von 1500mA.
> Daraus resultiert ein Lichtstrom von 519 Lumen.
Nein, aus verschiedenen Gründen.
1) Die 1500mA sind der max. zulässige Strom. Der ist für Dauerbetrieb 
wirklich nicht zu empfehlen, weil die Strahler da auch bei guter Kühlung 
sehr leiden und alsbald ein deutliches Derating in der Helligkeit zeigen 
werden.
2) Auch bei bester Kühlung und neuen LED habe diese ein Derating bei 
hohen Strömen. Bei 1500mA (ca. 4,3 x 350mA) ist laut der Grafik noch ca. 
460 Lumen (also ca. 3,3-fache) zu rechnen.

> Wenn ich also 10 Stück nehme sollte ich das Aquarium hell genug
> bekommen.
Da du das Konstukt sicher einige Jahre  nutzen willst, solltest du den 
LED-Strom eher moderat ansetzen (z.B. max. 500...700mA). Dafür mußt du 
eben ein paar mehr Strahler einsetzen. Aber das rentiert sich, einmal 
wegen der besseren Effizienz aber vor allem wegen längerer Lebensdauer 
der LED.

> Natürlich möchte ich die Beleuchtung über einen Mikrocontroller steuern.
> Dieser sollte mir (über PWM?) die Möglichkeit bieten die LEDs zu dimmen.

> 1. Welche Spannungsversorgung bietet sich hier an? Ich spielte bisher
> mit dem Gedanken dieses Netzteil zu verwenden:
> 
https://www.reichelt.de/?ARTICLE=132744&PROVID=2788&wt_mc=amc141526782519998&gclid=CJGX9rasz8sCFZUW0wodQckOuw
Die Versorgung mit 3,3V ist ein ungünstiges Konzept.
Du kannst doch eine Anzahl LED in Reihe schalten (z.B. je 7...8), so 
dass man z.B. ein 24V-NT nutzen kann. Dann kannst du dir überlegen, ob 
du 2 oder sogar 3 Reihen installieren willst.
Mit 3 Reihen und je 0,5A wäre es also 24V mit 1,5A. Da bringt dir auch 
über 4000 Lumen.
Dafür wäre solch ein NT gut anwendbar:
https://www.conrad.de/de/steckernetzteil-einstellbar-voltcraft-sps24-48w-9-vdc-12-vdc-135-vdc-15-vdc-18-vdc-20-vdc-24-vdc-2000-ma-48-w-513004.html
Das hat auch noch den Vorteil, dass man die Ausgangspannung leicht 
anpassen kann (auch andere Spannungen als die vorgegebenen sind leicht 
einzustellen, indem man den kleinen Jumper selber lötet). Die Spannung 
sollte mind. ca. 1V (besser ca. 1,5...2V)über der Flußspannung der 
LED-Reihen liegen, damit der Strom hinreichend stabil ist (wegen 
Temperaturdrift und Alterung). Die Reihenschaltung hat dann auch den 
Vorteil einer besseren Effizienz. Bei 1,5V über den Vorwiderstand bei 
ca. 21V LED-Spannung wäre der Wirkungsgrad ca. 93%.

> Kann ich dieses Netzteil nutzen oder habe ich etwas nicht bedacht?
Es ist ein "open Frame". Bist du mit Elektronormen gut vertraut, um das 
auch sicher benutzen zu können?

> Die Dimmfunktion habe ich mir überlegt müsste doch mit PWM zu
> realisieren sein oder? Wenn ich richtig liegen sollte:
Ja, ist kein Problem indem man einen FET als LED-Treiber benutzt.
In dem Fall besser für jede LED-Reihe einen FET und natürlich auch für 
jede Reihe einen Vorwiderstand.

> Wie muss ich nun die Schaltung ergänzen um den Strom von insgesamt 13A
> (10 x 1,282 A) schalten zu können und dies eben auch mit PWM?
Du mußt dann nur 2...3 x je 0,5...0,6A schalten.
Das geht problemlos mit einem n-Kanal FET.
Gruß Öletronika

[Stefan S. (atmega644)]

Hallo U.M.,

vielen lieben Dank für deine ausführliche Hilfe.
Mit diesen Infos werde ich meine Planung noch einmal überdenken.

Was deine Frage wegen des Open-Frame angeht so brauchst du keine Angst 
haben. Ich bin in der Elektrotechnik nicht unbedarft. Schön das man auch 
mal liest das sich jemand Gedanken um die Sicherheit macht. Sowas 
vernehme ich selten. Ich hätte aber auch entsprechend das Teil 
Berührungssicher verbaut.

Aber deine Variante ist im Großen und Ganzen einfach überzeugender und 
vor allem einfacher zu realisieren. Nicht zuletzt auch der Vorteil bei 
der Lebensdauer...meine 1500mA hatten mich eigentlich nie wirklich 
zufrieden gestellt.

Ich werde noch einmal in mich gehen und die Sache mit dem "Auftraggeber" 
besprechen. Die Beleuchtung ist nämlich nicht für mich selbst.

Vielleicht werde ich hier dann noch einmal um Rat bitten.



Danke nochmals!

Stefan