High Power RGB LED Bambusleuchte (PWM Expander TLC5940)

Neben den kleinen LED's, die es schon lange gibt, sind in den letzten Jahr mehr und mehr LED Lampen auf den Markt gekommen. Neben den standardisierten LED Lampen, die in die gängigen Sockelfassungen passen, gibt es noch LED DIY Chips.

Die LED Chips sind klein und günstig, jedoch brauchst du eine Konstantstromquelle + LED Treiber um die LEDs zu betreiben. Bei LEDs mit großen Wattzahlen ist ebenfalls eine gute Wärmeableitung wichtig.Diese Chips wollte ich ausprobieren und habe mir 3W RGB High Power LEDs gekauft. Wie ich die LEDs anschließen und per PWM dimmen kann, war mir zu dem Zeitpunkt noch nicht klar.Ich habe erst versucht, den Strom per Vorwiderstand einzustellen, was zwar funktioniert hat, jedoch war der Widerstand extrem heiß, da viel Leistung am Widerstand abgefallen ist. Die Spannung an den LED's war nicht stabil und per PWM mit dem Arduino dimmen konnte ich auch nicht, da kein Output soviel Strom liefert.

 

 

 

 Als nächstes habe ich im Internet nach Schaltungen für Konstantstromquellen gesucht und eine Schaltung mit zwei gegeneinander geschalteten Transistoren gefunden, die in dieser Anordnung Strom konstant regeln.Die Stromregelung hat funktioniert, jedoch konnte ich damit nie exakt 350mA einstellen. Dieser Stromwert ist wichtig, da es für LEDs eine U-I Kennlinie gibt. Bei 350mA fällt über jeder Farbe die Spannung ab, die nötig ist, damit die LED so hell wie möglich scheint ohne kaputt zu gehen. Da die U-I Kennlinie nicht linear ist, ändert sich der Spannungswert bei einer Veränderung des Stromwertes stark.

Schlussendlich habe ich in ebay dimmbare (PWM oder analog) Konstantstromquellen für 350mA gekauft. Die Stromregelung funktioniert mit dem IC ZXDL1360. An die KSQ's könnte auch Wechselspannung angeschlossen werden, da ein Gleichrichter verbaut ist. (siehe Schaltplan im Anhang) Nachdem alles funktioniert hat, habe ich mich entschlossen eine Raumbeleuchtung mit 15 x 3W RGB LEDs zu machen. Mit meinem Onkel habe ich den Rahmen und die 2 OSB Platten gemacht.

 

Holzrahmen

 

♦ Der Rahmen ist aus Holz und die Kanten verlaufen schräg nach innen. Die Rahmenteile sind mit 45° Gehrungen miteinander verleimt.

 

♦ Die 1. OSB Platte ist in die Nut gesteckt (gelb) und die 2. OSB Platte in den Versatz geschraubt.(rot)

 

 

♦OSB Platte 1 Vorderseite: Es sind 15 Löcher für die LEDs gebohrt, auf denen die Bambusblenden sitzen. Die Bambusblenden sind schräg aufgeleimt, damit die LEDs nicht blenden.
♦OSB Platte 1 Rückseite: Die Rückseite ist in 5 Flächen eingeteilt, die durch Holzbalken voneinander lichtdicht abgetrennt sind

 

 

♦OSB Platte 2 Vorderseite: Auf der 2. OSB Platte sitzen, die mit Wärmeleitkleber befestigten LED's mit Linsen. Die Löcher (außen) sind für Schrauben, die die Aluminiumbleche halten.

 

 

TLC 5940 - 16 Channel LED PWM Expander

 

Wie ich am Anfang dieses Beitrags geschrieben habe, werden die LEDs an dimmbare Konstantstromquellen (KSQ) angeschlossen. Insgesammt sind es 15 RGB LEDs. Dabei sind 3 LEDs in Serie geschaltet. Da jede LED 3 Kanäle hat (RGB) sind 3 Kanäle in Serie geschalten. 

 

Da jeder Kanal eine Farbe ansteuert sind 15 Kanale nötig, damit der komplette RGB Farbverlauf sichtbar werden kann. Der Arduino Nano hat jedoch keine 15 PWM Ausgänge.

 

 

Es gibt ein fertiges Modul von SparkFun, das auf dem TLC5940 Chip basiert und 16 PWM Ausgänge hat. Im Schaltplan ist die Verbindung zwischen dem Arduino und dem TLC5940 Breakoutboard zu finden. Mit diesem Modul und den bereits vorhanden KSQ's, habe ich die LEDs zwar dimmen können, jedoch war das Ausgangssignal invertiert. Dadurch waren die LEDs bei einem Tastgrad von 100% durchgehend aus.

 

SN74HC04N PWM Inverter IC

 

Mit diesem Problem bin ich zum Elektrofachhandel gegangen und habe das Problem geschildert. Mir wurde der Chip SN74HC04N empfohlen, den ich daraufhin erfolgreich gestestet habe. Ohne zusätzliche Bauteile war es möglich, den Chip als Invertierer zu benutzen. Somit wird das Ausgangssignal des Arduino 2x invertiert und somit wird regulär.

Spannungsversorgung und Stromverbrauch:

Mit folgende Spannungen werden die Module der Schaltung betrieben:

• Bluetooth Stick HC06 = 3,3V


• TLC5940 Breakoutboard = 5V


• SN74HC04N = 3,3V


• LED Serienschaltungen = 12V


• Arduino Nano = 5V

Netzteilauswahl:

Stromverbrauch der Module:
 

• Arduino Nano: ~25mA
• TLC 5940 Breakout Board: 17,5 mA/Channel * 15/Channel = ~250mA
• SN74HC04N: 50mA * 3 Stück = 150mA
• Bluetooth Stick HC06 = k.A. vernachlässigt
• LED Kanäle: 350mA * 15 Kanäle = 5250 mA


• Zusammengerechnet: ca. 5,65A

Geeignetes Netzteil: 12V (mind. 70W)!
Die 5V Spannungsversorgung für den Arduino sowie TLC Board erfolgt über den DC-DC Wandler! Die 3,3V Spannungen werden direkt am Arduino abgegriffen.

 

Android App

Die Ansteuerung erfolgt über Bluetooth oder direkt über den seriellen USB Eingang des Arduino Nano. Als Regler kann ein Smartphone benutzt werden. Mit der App können die LED Kanäle 1-5, sowie die Farbe ausgewählt werden. Die Verbindung zum Bluetoothempfänger HC06 kann ebenfalls über die App aufgebaut werden. Dafür wird benötigt:

 

►Die App RGBLED_Control.apk. Sie ist in RGBLED_Control.rar komrimiert.

►Den Arduino Code zum Empfang der Daten: bluetooth_verbindung.rar

 

Arduino Sketch Upload:

►Lade die bluetooth_verbindung.rar herunter

►Entpacke die bluetooth_receive.ino und die fading.ino

>►Ziehe beide Dateien in einen Ordner und uploade die bluetooth_receive.ino auf den Microcontroller

Falls du Fragen zu dem Code oder der Schaltung hast, kannst du einen Kommentar hinterlassen. Viel Spaß beim Probieren.

 

Bauteilliste:

Bauteil	Beschreibung	Link
15x 3W LED Chips	RGB mit Lötanschluss auf PCB	amazon* affiliate Bestellen
15x Konstant- stromquelle	Eingangsspannung bis 24V Ausgangsstrom ~350mA	amazon* affiliate Bestellen
12V Netzteil	Netzteil 12V/5A/60Watt	amazon* affiliate Bestellen
TLC5940 Breakoutboard	16 PWM Kanäle, Auflösung 12 Bit	amazon* affiliate Bestellen
3x SN74HC04N IC	Signal Invertierer Chip	amazon* affiliate Bestellen
Arduino Nano	Entwicklerboard mit CH340 Chip Atmega328P	amazon* affiliate Bestellen
DC/DC Step Down Wandler 12V/5V	DC-DC Step Down Wandler, Eingangsspannung: 3,2 - 40V, Ausgangsspannung: 1,25 - 35V Strom max. 3A	amazon* affiliate Bestellen
Bluetooth- adapter HC06	Wireless Bluetooth Transceiver TTL zu UART Konverter	amazon* affiliate Bestellen
Elektrobauteile	16 x 10kOhm, 1x kOhm
Elektroaurüstung	Lochrasterplatine, Kabel, Stecker