Projektdatum: 09.12.2010
Viele von euch haben sie bestimmt schon einmal gesehen. Diese schönen, farbwechselnden RGB-LivingColors Lampen von Philips. Sie stehen meistens in den Schaufenstern von irgendwelchen Elektrogeschäften oder Lampenhändlern.
Es wäre doch schön solch einen Hingucker auch bei sich Zuhause zu haben, oder nicht? Leider sind die originalen Lampen von Philips ziemlich teuer. Also welche Möglichkeiten hat man? Natürlich.. Selber bauen! 🙂
Dazu braucht es nicht sehr viel, wenn man auch ohne effektvolle Fernbedienung zufrieden ist.
IKEA liefert uns hier genau die richtige Grundlage! Eine schöne, weiss-milchige Kunststofflampe für 3.95 CHF.
Durch die milchig-weisse Farbe der Lampe, ergibt sich eine sehr gleichmässige und optisch ansprechende Mischung. Oder besser gesagt, eine sehr gute und homogene Streuung der einzelnen LED-Grundfarben.
Verkauft wird diese Lampe in den IKEA Einkaufshäusern unter dem Namen “Lampan”.
Wie so etwas als Prototyp aussehen kann, seht ihr hier in dieser Fotostrecke.
Die Steuerung für die Lampe basiert auf einem Attiny25 Mikrocontroller und einer PWM gesteuerten Konstantstromquelle.
Der Leistungsteil befindet sich bereits auf der Platine. Links sieht man die drei kleinen N-Channel FET. Mittig ist der 4-fach Operationsverstärker, welcher für die Strombegrenzung zuständig ist. Dies ist jedoch noch die alte Version. Sie wird relativ heiss und hat einiges an Einsparpotential was die Bauteile angeht.
Verwendet man jedoch etwas leistungsstärkere FETs, so werden diese nur handwarm.
Die Schaltung des Reglers ist nicht die neueste Technologie, doch auch alte Schule bewährt sich hier. 🙂
Im Grunde besteht der Regler aus den strombegrenzten Ausgängen für die RGB-LED.
Dies wird mittels eines Shunt-Widerstandes und eines OPs gelöst.
Die Spannungsteiler vor dem Operationsverstärker dienen zur Stromeinstellung.
Da der Operationsverstärker immer versucht an seinen beiden Eingängen das gleiche Potenzial zu erreichen, muss er den FET soweit leitend bzw. sperrend machen, damit über den Shuntwiderständen die selbe Spannung abfällt, wie über dem Spannungsteiler am positiven Eingang.
Die Spannung über den Shuntwiderständen ist Proportional zum Strom welcher der durch diese hindruch fliesst. Somit kann man folgende Formel zur Berechnung des LED-Stromes bzw. zur berechnung der Begrenzung verwenden.
ILED ist jener Strom auf den begrenzt wird. UShunt ist die Spannung über dem Shuntwiderstand. Diese ist gleich der Spannung, welche mit dem Spannungsteiler eingestellt wird. RShunt ist der ohmsche Widerstand des Shuntwiderstandes.
Daraus ergibt sich bei meiner Dimensionierung der Widerstände ein Strom von 0.35A.
Die Software für den Mikrocontroller wurde in C geschrieben. Sie steht zur Verfügung.
Der aktuelle Stand der Software ist noch sehr ausbaufähig. Es ist derzeit nur ein Demoprogramm realisiert. Doch Anpassungen können schnell hinzugefügt werden.
Der Donwload der Software befindet sich am Ende der Seite.
Für die LED kommt bei meiner Lampe eine 3W RGB zum Einsatz. Diese gibts, wie könnte es bei mir auch anderst sein, für günstige 3.55Dollar bei Dealextreme. 🙂
Hier seht ihr ein Bild der offenen Ikea Lampe. In der Mitte befindet sich die RGB-LED. Ich habe diese auf einen speziell dafür konstruierten und angefertigten Kühlkörper montiert.
Zur Stromversorgung habe ich mich für ein USB-Ladegerät entschieden. Diese gibt es sehr günstig auf Seiten wie z.B. www.dealextreme.com . Von dort habe ich auch mein Exemplar bestellt. Für gerade mal 2 Dollar hab ich somit ein fixfertiges 5V Netzteil mit einem maximalen Strom von 1A bekommen. Was braucht man mehr?
Zum komfortablen Anschluss der Lampe an das Ladegerät, habe ich mir noch einen USB zu 3.5mm Stecker bestellt und dort zwei Litzen angelötet. Alles zusammengeschrumpft und fertig war die Designer-Lampe!
Update 07.12.2010 Code Rev. 1.2
So… Nun ist bereits einige Zeit vergangen seit ich diesen Artikel veröffentlicht habe.
In der Zwischenzeit habe ich eine neue, verbesserte Schaltungsversion entwickelt.
Diese hat den Vorteil, dass die Leistung welche nicht benötigt wird, über einem bzw. mehreren Vorwiderständen verbraten wird und nicht in einem seeehr seeehr kleinen HEX-FET.
Etwas Mathematik
Ohne Mathematik geht es auch bei dieser Änderung nicht! Denn die Widerstände haben 12 Ohm und eine maximale Verlustleistung von 0.1W.
Die LED hat laut dem Lieferanten (Dealextreme) folgende technische Daten
| Farbe | Durchflussspannung | Maximaler Strom |
|---|---|---|
| rot | 2.5V – 3.0V | 350mA |
| grün | 3.2V – 3.8V | 350mA |
| blau | 3.2V – 3.8V | 350mA |
Ich habe bei diesen Werten einfach etwas gemittelt und somit für rot 2.7V, für grün und blau jeweils 3.5V gewählt.
Damit konnte ich nun die benötigten Vorwiderstände errechnen.
Der verwendete FET hat ein Rds On von 0.05Ohm. Bei einem Strom von 350mA fallen somit 17.5mV über dem FET ab. Dies enstrpicht U * I = 17.5mV * 350mA = 6mW und ist somit vernachlässigbar.
Bei den Widerständen sieht das jedoch ganz anders aus.
Die Formel zur Vorwiderstandsberechnung sollte jedem bekannt sein. Es ist das einfache Ohmschegesetz. (U = R * I)
Somit ergibt sich für blau und grün: (5V – 3.5V) / 350mA = 4.2Ohm
Für rot: (5V – 2.7V) / 350mA = 6.5Ohm
Diese Widerstände habe ich jedoch nicht im Sortiment und schon gar nicht mit der entsprechenden maximalen Verlustleistung. Diese berechnen wir wie folgt:
rot: P = (5V – 2.7V) * 350mA = 0.8W grün und blau: P = (5V – 3.5V) * 350mA = 0.5W
Dies ergibt bei 100% eine Gesamterlustleistung von 1.8W!
Da einer meiner Widerstände jedoch nur 0.1W aushält, müssen wir mehrere davon einsetzen. Dazu nehmen wir mehrere Widerstände parallel sowie seriell. Zur Berechnung des Parallelwiderstandes gibt es folgende Formel: 1/((1/R1) + (1/Rx) + ..)
In meinem Beispiel brauche ich für 4Ohm insgesamt 12 Widerstände und für 6Ohm acht Widerstände.
Beim 6Ohm Konstrukt ergibt sich pro Widerstand eine Spannung von 1.15V, dies bei einem Strom von 350mA/4 somit 87mA. Leistungsmässig ergibt dies genau 100mW bei Vollast. Bei den 4Ohm Widerständen gibt es 43mW.
Viel Hitze
Mein Prototyp wurde selbstverständlich ziemlich heiss nach einigen Minuten Betrieb.
Ich habe nach 10 Minuten eine Temperatur der Metallplatten von 60° Celsius gemessen.
Dies in freier Umgebung!
Dies war mir sichtlich zu viel hitze für so ein kleines Teil! Deshalb hab ich den C-Code angepasst damit das Modul nun nicht mehr 100% Leistung gibt.
Die Leistung des Modules berechnet sich nun wie folgt: (HUE_STEPS / MAX_COUNT)*100
Beispiel mit den Werten aus dem Code: (255/380)*100 = 67% Leistung.
Sehr viel weniger Leistung kann man nur durch anpassen des Codes leider nicht mehr erreichen, da ansonsten die Frequenz des PWM Signales unter 50Hz sinkt und man somit ein Flakern der LED wahrnimmt. Eine möglichkeit wäre, den Controller schneller zu Takten oder die Berechnung des hue Wertes anzupassen damit diese schneller abgearbeitet wird, oder aber auf die hue Berechnung verzichten und selbst eine Farbkombination erzeugen.
Durch die Verwendung des angepassten Codes sinkt die Verlustleistung von 1.8W auf 1.2W und das Modul wird nach 10 Minuten lediglich etwas mehr als 35° Celsius.
Die Helligkeit sinkt nur minimal.
Das Diagramm zeigt den Maximalwert des blauen RGB Kanals. Man sieht sehr schön, dass die maximale High-Zeit 9.4ms beträgt. Von der gesamten Periodendauer ist dies 67% 🙂
Die Frequenz dürfte mit 70Hz ruhig noch etwas höher sein, man sieht jedoch kein Flakern.
Update 09.12.2010 Bilder
Kaum habe ich euch über die neue Schaltung informiert, schon bekommt ihr Bilder des neuen Prototypen zu sehen. 🙂
Ich habe zudem noch etwas bezüglich der niedrigen Frequenz von 70Hz herausgefunden. Ich hatte leider vergessen, beim Attiny den CLK8DIV in den Fuses zu entfernen. Somit lief der Attiny nur mit 1MHz anstelle der üblichen 8MHz. Nun ist das ganze 8-mal schneller und man erreicht somit problemlos eine Frequenz von 500Hz. Was definitv flackerfrei ist!
So, nun kommen wir aber zu den versprochenen Bildern.
Ich habe mich dieses mal für einen, sagen wir mal, modularen Aufbau entschieden.
Dies hat den Vorteil, dass man die gesamte Elektronik problemlos mechanisch an der IKEA Lampe befestigen kann.
Die LED ist unvorstellbar hell. Sie kann bei Dämmerung problemlos einen gesamten Raum in einer sehr schönen, mystischen Farbe erhellen. Ein Nachbau lohnt sich auf jeden Fall!
