Projekt:LED-Röhren für DC-Netz

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Beschreibung	Modifikation von LED-Röhren für Ansteuerung mit Gleichstrom
Ansprechpartner	Leyonardo
Version	1.0 vom 1.07.2018

Kurzbeschreibung

Konventionelle LED-Röhren werden in diesem Projekt für die Verwendung in Gleichstromnetzen von Wechselstrombetrieb (230V-Netz) auf Gleichstrombetrieb umgebaut.

Hintergrund

Privat baue ich seit längerer Zeit ein Gleichstromnetz in meinem Haus auf. Und auch im Space wollen wir ein DC-Netz installieren. Natürlich kommen dann hautsächlich aus ökologischen Gründen als Beleuchtungsquellen nur LED-Lampen zum Einsatz. Die neuesten LED-Leuchtmittel kommen heute dem natürlichen Sonnenlicht immer näher, verschiedene Parameter sind wählbar, das Dimmen ist recht einfach und auch die nostalgischen Gründe eine Glühlampe zu bevorzugen fallen immer mehr weg.

Bei meinem privaten Projekt möchte ich für meinen Balkon, der vor nicht langer Zeit flächenmäßig verdoppelt wurde, LED-Röhren als Beleuchtung verwenden. Ich habe die Balkondecke inzwischen verkleidet und verspachtelt und es ergab sich aus technischen Gründen, dass ein Teil der Decke abgehängt wurde, so dass ein Bereich in der Mitte des Balkons (ca. 2m mal 4,6m breit) um etwa 6cm höher ist (Bild 1). Zwischendrin befindet sich somit umlaufend ein Spalt von etwa 5cm (Bild 2). In diesen schmalen Spalt soll die Beleuchtung integriert werden. Deswegen sind die LED-Röhren, die es inzwischen als Ersatz für Leuchtstoffröhren gibt, ideal geeignet. Je drei Röhren von 1,5m Länge passen so in die breiteren Seiten der Vertiefung und je eine Röhre in die schmäleren Seiten, also insgesamt 8 Röhren. Ist zwar von der Helligkeit zu viel, aber ich will ja auch Dimmen und die Lebensdauer wird durch die geringeren Ströme auch wesentlich höher.

Doof ist, dass es diese Röhren nicht für Gleichstrom gibt. Deswegen müssen sie umgebaut werden.

Für den Space wäre dieses Projekt aus zwei Hauptgründen interessant:

• wir wollen die gesamte Raumbeleuchtung auf LED umstellen und mit unserem Gleichstromnetz (was noch zu schaffen wäre) betreiben
• LED-Röhren sind im Moment mit die effizientesten LED-Leuchtmittel mit dem besten Preis/Leistungsverhältnis.

Ein noch besseres Preis/Leistungsverhältnis haben nur noch die ausgeschlachteten Fernseher und Monitore, deren Hintergrundbeleuchtung verwendet wird. Für die Beleuchtung von Arbeitplätzen im Space für mich immer noch eine der attraktivsten Möglichkeiten. Also Leute -> ranschaffen.

Bild 1/2

Autor/Ansprechpartner

Herbert (Leyonardo)

Die konventionellen LED-Röhren für Betrieb am 230V-Netz

Es gibt inzwischen unzählige Hersteller, die die genormten Bauformen für die Leuchtstoffröhren als LED-Röhren produzieren. Heute zumeist im Durchmesser T8 und in den Längen 60cm, 120cm und 150cm. Aber alle sind als Ersatz für Leuchtstoffröhren gedacht, werden deswegen mit 230V~ betrieben und enthalten dafür eine kleine Wandlerplatine (mit Verlusten). Im einfachsten Fall wird der Starter entfernt, durch einen Dummy ersetzt und mit dem vorhandenen Vorschaltgerät in der Lampe betrieben (nochmal Verluste, die aber, aufgemerkt: nicht im Datenblatt aufgeführt werden). Mit elektronischen Vorschaltgeräten funktioniert das Ganze gar nicht (zumindest nicht ohne größeren Umbau).

Die Röhren sind für den Einbau in Leuchten mit speziellen Fassungen vorgesehen. Die Fassungen bekommt man aber sehr preisgünstig auch einzeln (z. B. für den Space). Ich will aber die Röhre für meine Zwecke komplett davon befreien.

Anforderungen an die Röhren

Da ich, wie Hendrik schon festgestellt hat, sehr auf Effizienz aus bin, müssen also die Röhren sehr viel Licht mit wenig Stom erzeugen (viel Lumen/Watt). Das entspricht der Effizienz des Leuchtmittels und zahlt sich, je nach Betriebsdauer, am Ende des Jahres u. U. mehr aus als der niedrige Anschaffungspreis. Weiterhin lassen sich Farbtemperatur und noch so einige andere Parameter auswählen aber das sollte man je nach Einsatzgebiet entscheiden.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass die Röhren gut auseinandergebaut werden können. Glas als Röhre scheidet da schon mal weitestgehend aus. Oft wird transparenter Kunststoff verwendet. Das erscheint mir als am besten geeignet. Dann muss die Verschaltung der LEDs in der Röhre geeigent sein um sie leicht anpassen zu können. Die Ansteuerschaltung (230V~) muss leicht entfernbar sein.

Auswahl der Röhren/Bezugsquelle

Viele der Dinge, die für einen einfachen Umbau wichtig sind, sieht man beim Kauf der Röhren leider nicht, so dass man schon ein kleines Risiko eingeht. Also hab ich in erster Linie mal darauf geachtet, dass die Röhren sehr effizient sind, in eine Kunststoffröhre eingebaut sind und preiswert sind. Wegen letzterem Punkt habe ich mich kurzfristig entschieden, die Röhren bei ETT zu kaufen, da es dort gerade ein günstiges Angebot gab. Die Röhren sind vom Hersteller V-Tac, sind 150cm lang (T8), haben 22W bei 3000lm (also schon sehr gut) und eine Farbtemperatur von 3000K. Habe mal 10 Stück geordert. So kann ich auch ein Demo für den Space aufbauen. Ach ja, die Lebensdauer ist mit 30.000h angegeben. Da ich meine eigenen Erfahrungen habe, lass ich das einfach mal so stehen.

Bei Beschaffung der Röhren im Web gibt es inzwischen unzählige Bezugsquellen. Wenn eine andere Röhre als die beschriebene verwendet wird, besteht ein gewisses Risiko, dass der geforderte Aufbau und die Änderungsmöglichkeiten eingeschränkt sein könnten. Der Preis für eine brauchbare Röhre sollte unter 10€ möglich sein, aber bitte Versandkosten berücksichtigen, denn das Paket ist i.d.R. Sperrgut.

Umbau der Röhren

Nachdem die Röhren endlich geliefert wurden, teste ich erst mal eine Röhre am 230V-Netz. Funktioniert prima, gleichmäßige Helligkeit über die ganze Länge, Abstrahlwinkel hauptsächlich in einer Richtung (was ich gut finde). Es fällt auf, dass die Röhre sehr leicht ist.

Mit einer kleinen Diamantscheibe schneide ich die weißen Kunststoffkappen mit den Kontaktstiften der Länge nach auf der Rückseite der Röhren auf (Bild 3). Dabei wird, wie sich später rausstellt, die transparente Röhre leicht angeritzt, was aber kein Problem ist (auf der Rückseite). Jetzt zeigt sich, dass diese Endhülsen nur mit wenig Silikon verklebt waren und sich einfach auf beiden Seiten entfernen lassen. Die Ansteuerelektronik (Bild 4) sitzt direkt in einem Ende der Röhre und kann einfach herausgezogen werden. Mit zwei kurzen Drähten ist ein schmaler Streifen daran angelötet (auf dem sich 120 LEDs in einer Reihe befinden) der ebenfalls aus dem Kunststoffrohr herausgezogen werden kann. Der Streifen ist eine Aluminiumleiterplatte auf deren Oberfläche sich die Leiterbahnen befinden (das gefällt mir, die Wärmeabfuhr ist dadurch gut gelöst).

Bild 3/4

Bis jetzt alles optimal aber mit wie viel Strom und Spannung werden die LEDs betrieben und kann man das gegebenenfalls einfach ändern? Eine Messung mit der vorhandenen Elektronik ergibt eine Spannung von 132V bei einem Strom von 151mA. Ich habe Module von MeanWell (LDH-45B-350) die ich für die Ansteuerung der LED-Kette verwenden möchte, die liefern aber nur bis zu 126V (Sch..., 6V zu wenig) und mehr als doppelt so viel Strom wie benötigt.

Also Leiterplatte untersuchen:

• insgesamt 120 LEDs in einer Reihe auf dem Streifen,
• gruppiert in 5 parallele Gruppen zu je 24 LEDs,
• jede LED hat einen Spannungsabfall von 5,55V ! (also intern zwei LED in Reihe?),
• die Struktur der Leiterbahnen ist zu meiner Freude absolut gut geeignet um die Gruppierung fast beliebig zu ändern (kann man leider auf Fotos nicht sehen).

Im einfachsten Fall kann ich die 5 parallelen Gruppen von 24 LEDs in 10 parallele Gruppen mit einem Spannungbedarf von 66V und einem Strombedarf von 300mA umverdrahten. Dazu müssen in den 5 Gruppen nur jeweils die Verbindung zwischen LED 12 und 13 gecuttet werden und zwei kleine Drahtstücke eingelötet werden (Bild 5). Vorteilhaft wäre sogar, anstelle der Drähte kleine SMD-Widerstände (im Bereich zwischen 1 Ohm und 4,7Ohm) einzulöten (Bild 6). Die Entwickler von V-Tec haben es sich nämlich einfach gemacht und alle 5 Gruppen ohne Vorwiderstände parallel geschaltet. Je nach Qualität bzw. Selektion der LEDs kann das zu unterschiedlichen Helligkeiten in den Gruppen führen. Da die Gruppen hintereinander geschaltet sind, würde man das sehen. Scheinbar sind aber hochwertige oder selektierte LEDs verbaut, denn eine Kontrolle an einigen davon ergibt fast immer eine Spannung von 5,55V. Das Löten ist etwas schwierig, da die Aluleiterplatte die Wärme schnell abführt. Ein guter Lötkolben mit genügend Heizleistung ist dafür unbedingt erforderlich.

Bild 5/6

Somit besteht bei dieser Ausführung von LED-Röhre sehr einfach die Möglichkeit die Betriebsgleichspannung von 132V (5 x 24 LED ||) auf 66V (10 x 12 LED ||) oder 44V (15 x 8 LED ||) oder noch geringere Spannungen zu reduzieren. Mit 44V kann der Streifen dann direkt z.B. über PWM oder einen kleinen, billigen Schaltregler aus der 48V-Busspannung angesteuert werden, die wir im Space anstreben und die ich auch verwende.

Übersicht Kosten/Zeitbedarf

Kosten je LED-Röhre 6,99€ (o. MwSt.) + 16,-€ Versandkosten. Entspricht (bei 10 Röhren) ca. 10,30€ je Röhre.

• Entfernen der zwei Endkappen mit einer Diamantscheibe ca. 5 Min. (alle Werte nachträglich geschätzt)
• Entfernen der Silikonkleberreste ca. 4 Min.
• Ablöten der 230V-Ansteuerung ca. 1 Min.
• Trennen der Leiterbahnen (für 44V) ca. 5 Min.
• Entfernen des Lötstopplacks ca. 6 Min.
• Einlöten der Brücken oder SMD-Widerstände ca. 8 Min.
• Anfertigen von Endkappen (ist noch offen, es gibt mehrere Möglichkeiten)

Zeitablauf des Projektes

25.06.2018:

• Habe 10 LED-Röhren bei ETT bestellt.
• Tracking bei DHL sagt: Paket ging noch am gleichen Tag raus.

29.06.2018:

• Schon 4 Tage nach Vesenden des Paketes kommt es im Verteilzentrum Rodgau an (Danke DHL für die schnelle Bearbeitung).

30.06.2018:

• Das Paket wird von DHL bei mir abgelegt, während ich nicht da bin, trotzdem hat eine imaginäre Person den Empang bestätigt. :-)
• Damit jetzt auch genug mit DHL-Bashing.

01.07.2018:

• Testen der Röhren auf Gleichmäßigkeit, Helligkeit usw. ohne techn. Änderung. Alle haben bestanden.
• Entfernen der Endkappen von einer Röhre. Aufbau ist OK.
• Messen der Spannungen und Ströme des LED-Streifens: 132-133V, 151mA,
• entspricht 20,0W, wodurch (die 3000Lumen vorausgesetzt) die Effizienz sogar noch besser ist als in den Datenblättern angegeben (logischerweise, denn der Wandler hat dann etw 2W Verlust).
• Erstellen der ersten Version der Projektseite (ohne Bilder).

02.07.2018:

• Die Bilder wurden der Projektseite zugefügt.
• Somit ist ein Zwischenziel des Projektes erreicht: die konventionellen Röhren können sehr gut auf Gleichstrombetrieb umgebaut werden.
• Als nächster Punkt kommt dann der Bau eines kleinen Ansteuerbausteins, der Ein/Ausschalten und Dimmen ermöglicht. Der wird allerdings erst in unbestimmter Zukunft aufgebaut.

Referenzen/Links

Bauformen: https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstofflampe