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DIY 24V LED Spot Beleuchtung (1)

Die bisherige Beleuchtungskonzept im Erdgeschoss besteht aus meist einer zentral in der Mitte des Raumes positionierten Beleuchtungsauslassdose. Im Wohn- und Esszimmer befinden sich noch zusätzlich jeweils eine Dose in der Decke über den Fenstern, welche wohl für indirekte Beleuchtung genutzt werden sollten. Das Ausleuchten der Räume gestaltet sich damit schwierig und das Ganze ist auch nicht mehr wirklich zeitgemäß. Da trifft es sich gut, dass ich im Erdgeschoss alle Decken einige wenige Zentimeter abhängen werden, um die Leitungsführung der neuen Elektrik einfacher zu gestalten.Durch die abgehängte Decke können alle Beleuchtungsauslässe neu festgelegt werden, zudem ist es möglich Deckeneinbauspots und Lautsprecher zu platzieren, außerdem können die Rauchmelder vernetzt werden.

Für die Ausleuchtung der Räume werden wir versuchen verschiedene Leuchtenarten zu mischen, dabei sollen auch Einbauspots zum Einsatz kommen. Und wenn schon Spots, dann bitte dimmbar und mit LED Lichtquelle. Durch diverse Internetforen wurde ich darauf aufmerksam, dass es wohl ein Glücksspiel ist, LED Retrofit leuchten mit herkömmlichen Dimmern richtig dimmen zu können, auch wenn die Leuchtmittel explizit als dimmbar gekennzeichnet waren.

Als eine mögliche Alternative werden die Spots mit 24V Gleichspannung versorgt und entsprechende Spots mit Constant Voltage LEDs eingesetzt (gleiches Prinzip wie bei den bekannten LED Bändern/Leisten).Hilfreich für die Auswahl und Entscheidung bezüglich diesem System sind einige Beiträge im KNX User Forum. Entsprechende 24V Spots gibt es beispielsweise bei Voltus, jedoch wurde bei dem Einzelpreis dieser Spots (~30€) mein Basteltrieb geweckt und daher versuchte ich eigene Lösung für die Spots zu entwickeln. Zudem würde sich zu dem Preis der Spots noch der eines entsprechenden Einbaugehäuses dazu gesellen.

Als Basis dienten mir einfache weiße LED Spots von Aliexpress mit einer COB LED. Bestellt habe ich die Module mit 7W Leistung, da diese die größte Bauhöhe der angegebenen Module hatten und damit vermutlich auch den größten Kühlkörper. Im 6er Pack kamen diese für 25€ aus China. In der Warmweiß Version kommt die LED mit einem fast schon grässlichen gelben Licht daher, gut das ich die LED sowieso austauschen wollte.

Auf der Suche nach COB LED Modulen mit hohem Wirkungsgrad und hohem Farbwiedergabeindex wurde ich auf diese Module von Nichia aufmerksam. Also habe ich ein paar Module zu Testzwecken und Auswahl der gewünschten Farbtemperatur bestellt (2700K, 3000K, 4000k, 5000K), dabei weißen die Module einen CRI von 93 auf. Die LED Module arbeiten jedoch mit einer höheren Spannung und einem eher niedrigeren Strom für Highpower LEDs. Die Flussspannung beträgt 35V und der Strom 135mA bei den 5W Modulen und 260mA bei den 9W Modulen.
Die Effizienz wird bei den 5W Modulen mit 137 lm/W und bei den 9W Modulen mit 125 lm/W angegeben.

Da die Flussspannung über der Versorgungsspannung von 24V liegt, müssen StepUp Konstantstromquellen eingesetzt werden. Jedoch konnte ich keine fertigen Module für die notwendigen Parameter finden, vorallem der niedrige Strom schränkt hier die Auswahl ein.
Ich entschloss mich daher also eine eigene Platine zur Versorgung der LEDs anzufertigen und diese im Gehäuse des Vorschaltgeräts der China Spots unterzubringen.

Als erstes machte ich mich auf die Suche für Step Up LED Treiber und fand schließlich folgende ICs:
– IS31LT3948 (PFM MODE BOOST LED DRIVER WITH THE EXTERNAL NMOS)
– MAX16834 (High-Power LED Driver with Integrated High-Side LED Current Sense and PWM Dimming MOSFET Driver)
– AL8822 (50V, 2A BOOST LED DRIVER)

Ich bearbeitete jeweils die Datenblätter bzw. Application Notes (wenn verfügbar) und zeichnete für alle 3 ICs Platinenlayouts.
Die Platinen bestellte ich bei jlcpcb.com, die Teile zur Bestückung bei Mouser.

Long story short, nur der Treiber mit IS31LT3948 funktionierte zufriedenstellend. Für die Fehlersuche bei den anderen beiden Platinen war ich leider einfach zu frustriert 😀
Ich hatte dann zwei LED Spots mit den Treibern im „Langzeittest“ in der Werkstatt laufen, jedoch viel dabei auf, dass sobald die LED entfernt wurde,
sprich der Ausgang offen war, der LED Treiber das zeitliche segnete. Die Beschaltung des Überspannungsschutzes des IC war jedoch richtig, was mich noch mehr frustrierte.
Ich war kurz davor mir doch noch einmal die „teuren“ Spots genauer anzusehen, als ich den XL6013 entdeckte.

Beim XL6013 (Datenblatt) handelt es sich ebenfalls um einen StepUp LED Treiber, jedoch kommt dieser von einem chinesischen Halbleiterhersteller (XLSemi). Das Datenblatt des IC ist erschreckend kurz geraten und auch aufwändige Berechnungen bezüglich der Ein-/Ausgangskondensatoren, Spule, Überspannungsschutz ect. sucht man vergebens. Die einzige angegebene Formel dient der Berechnung des gewünschten LED Stromes. Für Spule und Kondensatoren befindet sich lediglich Angaben in einem Schaltbild zum typischen Einsatz. Der Überspannungsschutz erfolgt über eine einfach Z-Diode mit entsprechender Spannung.

Auf gut Glück fertigte ich also ein Layout für diesen Schaltregler an und bestellte die Teile bei Reichelt. Entgegen der „aufwändigeren“ Beschaltungen der anderen Schaltregler konnte ich dort alle benötigten Bauteile bekommen. Die vielen Einstellmöglichkeiten, die die anderen Schaltregler besaßen mussten hauptsächlich durch Widerstandsbeschaltungen mit „krummen“ Werten bedient werden, all dies entfällt beim XL6013. Lediglich ein Widerstand zur Einstellung des Stromes durch die LED muss mit einem genauen Wert bestückt werden.

Die daraus entstandene Platine funktionierte sofort wie gewünscht und steuerte die LEDs mit dem korrekten Strom an. Auch das PWM dimmen funktionierte mit meinem „PWM Tester“ (Einem Arduino Nano der ein Potentiometer einliest und entsprechend eine PWM auf einen N-Kanal Mosfet ausgibt) erfolgreich. Die LED lässt sich schön stufenlos dimmen und auch das sanfte Ein- und Ausschalten lässt sich schön darstellen. Der einzige Nachteil dieser Lösung ist, dass jede LED(-Gruppe) eine zusätzliche Leitung gegenüber den „normalen“ Voltus Spots benötigt. Die LEDs werden über zwei Leitungen mit Spannung versorgt (24/GND) und zudem wird noch das PWM Signal selbst benötigt. Der einzige Vorteil dieser Lösung könnte sein, dass der Strom des PWM Signals nur sehr gering ist und damit eventuell weniger Störungen aussendet.