Tischleuchte mit Nichia NSBWL121A

[ustoni]

Mit diesem Projekt stelle ich eine Tischleuchte vor, die sehr simpel und relativ kostengünstig aufgebaut werden kann. Kernstück ist ein Nichia-COB-Modul NSBWL121A mit einem CRI von typisch 93.

Die Leuchte erzeugt einen Lichtstrom von über 1200 Lumen bei einer Systemeffizienz von mehr als 100 lm/W, was in etwa dem Lichtstrom einer 100W-Glühbirne entspricht. Die Leistungsaufnahme beträgt dabei knapp 12W. Für einen CRI von 93 ist dies ein sehr guter Wert.

Bild01 Leuchte fertig aus.jpg (67.12 KiB) 9801 mal betrachtet

Als Stromversorgung dient eine Steckernetzteil-KSQ von EagleRise Typ ELP10X1PS.

Diese KSQ wird hierbei zu fast 100% ausgelastet. Solange die Umgebungstemperatur einen Wert von 45°C nicht überschreitet, stellt dies aber kein Problem dar. Die im Internet weit verbreitete Meinung, dass Netzteile nur zu 60-80% ausgelastet werden sollten ist aus technischer Sicht absoluter Unsinn. Wenn ein Netzteil für eine Ausgangsleistung von 10 W spezifiziert ist, liefert es diese Leistung auch dauerhaft.

Die hier beschriebene Tischleuchte tut seit inzwischen mehr als 6 Monaten ihren Dienst erfolgreich auf dem Schreibtisch meiner Patentochter. Da die KSQ die entsprechenden VDE und CE-Kennzeichnungen hat, brauche ich mir auch keine Gedanken über die Sicherheit zu machen. Selbst bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss (weiss zwar nicht wie, aber bei Mädels ohne großes Technikverständnis muss man immer damit rechnen ) kann nichts passieren, da die KSQ dann abschaltet.

Materialliste:
1 Stück Nichia COB-Modul NSBWL121A (CRI: >90)
1 Stück Steckernetzteil-KSQ 350mA
1 Stück Reflektor, 61° (optional)
1 Stück Kühlkörper SK 572 25 SA
1 Stück Schnur-Zwischenschalter (Baumarkt)
1 Stück Alu-Flachprofil, eloxiert, 1 m x 20 mm x 5 mm (Baumarkt)
2 Stück MDF-Platte, 22 mm, 15 cm x 15 cm (Baumarkt)
1 Stück Blendschutz

Links:
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Nich ... CRI90.html
http://www.leds.de/LED-Zubehoer/Stromqu ... -oxid.html
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Lins ... de-61.html
http://www.elpro.org/shop/shop.php?q=SK%20572%2025%20SA

Als Blendschutz verwende ich ein 2 cm langes Segment eines Aluminiumrohrs mit einem Aussendurchmesser von 50 mm und einer Wandstärke von 5 mm. Das bot sich an, da ich dieses Rohr zuvor für andere Projekte bereits gekauft hatte.

Zusätzlich wird natürlich noch das übliche Verbrauchsmaterial sowie etwas selbstklebende Kupferfolie verwendet. Kupferfolie erhält man hier:
http://www.glas-per-klick.de/tiffanytec ... index.html

Die beiden MDF-Platten bilden den Sockel der Leuchte. Diese habe ich mit Holzleim flächig miteinander verklebt. Der Sockel hat ein Gewicht von etwas über 700 g und sorgt dadurch für einen sicheren Stand der Leuchte. Die Kanten habe ich mit einem Schwingschleifer geglättet und den Sockel grundiert. Gut geeignet hierfür ist normale Dispersionsfarbe, da diese aufgrund ihrer Zusammensetzung die Poren der MDF-Platten schließt. Nach Trocknen der Grundierung habe ich den Sockel mit schwarzem Graniteffektlack lackiert.

Das Alu-Flachprofil habe ich auf eine Länge von 80 cm gekürzt und 4 Löcher mit einem Durchmesser von 3,5 mm sowie ein Loch mit 5 mm Durchmesser gemäß folgender Skizze gebohrt:

Bild02 Bohrschablone.jpg (13.85 KiB) 9801 mal betrachtet

Das Ende mit den 2 Bohrungen habe ich auf den Kühlkörper aufgelegt und die Löcher übertragen. Mit einem 3 mm-Bohrer habe ich zwei Löcher mit einer Tiefe von ca. 15 mm in den Kühlkörper gebohrt.
Wenn möglich sollte man hierfür eine Standbohrmaschine benutzen, da der Bohrer schon bei leichtem Verkanten sofort bricht.

Das Ende des Profils mit den 2 Löchern habe ich auf einer Länge von ca. 15 cm auf einen Winkel von ca. 100° abgebogen (also um 80°). Das funktioniert besonders einfach über einem Stück des Alurohrs:

Bild02a biegen.jpg (58.1 KiB) 9801 mal betrachtet

Die beiden 3,5 mm-Löcher am langen Ende des Profils (in der Nähe des 5 mm-Lochs) habe ich auf der Rückseite passend für 3,5 mm-Spaxschrauben angesenkt. Das Profil wird nun allseitig grundiert.
Nach Trocknen der Grundierung (24 Stunden) habe ich auf der Innenseite des Profils eine Schicht Parkettlack aufgetragen. Hintergrund für diese Lackschicht sind schlechte Erfahrungen, die ich mit Eloxalschichten auf Baumarktprofilen gemacht habe. Nach der Aushärtezeit von 48 Stunden bildet der Parkettlack eine hochbelastbare zusätzliche Isolationsschicht.

An der Innenseite des Profils habe ich jeweils bündig mit den Außenkanten zwei verzinnte Kupferfolien aufgeklebt. Am langen Ende des Profils sollte die Kupferfolie knapp über dem 5 mm-Loch enden, am kurzen Ende ca. 1 cm vor dem ersten Loch. Das Ergebnis sollte nun so aussehen:

Bild03 Profil gebogen.jpg (11.29 KiB) 9801 mal betrachtet

Von einer 2-adrigen Netzleitung (0,75 mm2) habe ich ein etwa 35 cm langes Stück abgeschnitten,abisoliert und verzinnt. Das Kabelende mit den verzinnten Drähten habe ich durch das 5 mm-Loch geführt und die Kabelenden auf die beiden Kupferstreifen aufgelötet. Die äußere Isolierung des Kabels sollte dabei bündig mit dem Flachprofil abschließen, das blaue Kabel sollte mit dem rechten Kupferstreifen verlötet werden. Das habe ich mir schon vor einiger Zeit angewöhnt. So befindet sich die Plus-Leitung immer auf der rechten Kupferfolie, dadurch passiert es nicht so leicht, die LED zu verpolen. Kabel und Lötstellen habe ich mit UHU plus schnellfest fixiert. Die beiden Enden des Flachprofils auf der Seite mit der Kupferfolie sowie das Kabel unmittelbar am Flachprofil wird mit Maler-Kreppband abgeklebt und mit Granit-Effektlack lackiert. Nach Entfernen des Kreppbands vom Flachprofil sollte das Ergebnis nun so aussehen:

Bild04 Profil lackiert.jpg (18.01 KiB) 9801 mal betrachtet

Der Kabelanschluss im Detail:

Bild05 Kabelanschluss Detail.jpg (24.81 KiB) 9801 mal betrachtet

Nun wird das COB-Modul vorbereitet. Das sollte vor dem Aufkleben auf den Kühlkörper geschehen, da das Löten danach durch die gute Wärmeleitung nur noch schwer möglich ist. Die Anschlusspads des Moduls sind vergoldet:

Bild06 COB Anschlus Gold.jpg (35.78 KiB) 9801 mal betrachtet

Für einen Anschluss über Federkontakte ist dies optimal, für Lötanschlüsse eher suboptimal. Beim Lötvorgang löst sich das Gold vom Kupfer und diffundiert ins Lötzinn. Die Lötstelle wird dadurch matt und leicht grieselig und lässt sich dadurch schwer beurteilen. Das Gold lässt sich aber recht leicht entfernen. Hierzu wird zunächst etwas Lötzinn aufgetragen:

Bild07 COB Anschluss Zinn1.jpg (29.56 KiB) 9801 mal betrachtet

Anschließend wird das Lötzinn und damit auch das Gold mit Entlötlitze entfernt:

Bild08 COB Anschluss Zinn abgesaugt.jpg (37.65 KiB) 9801 mal betrachtet

Nun wird erneut Lötzinn aufgetragen:

Bild09 COB Anschluss Zinn Final.jpg (26.57 KiB) 9801 mal betrachtet

Bei jedem Lötvorgang verwende ich übrigens zusätzliches Flussmittel. Nach dem Löten wird jede Lötstelle mit Isopropanol bzw. Ethanol (Brennspiritus) gereinigt.

Jetzt habe ich zwei Kabel (ca. 0,25 mm², Litze) mit je ca. 15 cm Länge zugeschnitten, an je einem Ende abisoliert und verzinnt:

Bild10 Kabel verzinnt.jpg (19.63 KiB) 9801 mal betrachtet

Anschließend habe ich die Kabel an das COB-Modul gelötet. Hierbei war nur etwas Flussmittel nötig, um das bereits vorhandene Lot sauber aufschmelzen und fließen zu lassen:

Bild11 COB Anschluss mit Kabel.jpg (23.61 KiB) 9801 mal betrachtet

Das so vorbereitete Modul habe ich mittig auf den Kühlkörper mit Arctic Silver aufgeklebt (die zuvor in den Kühlkörper gebohrten Löcher müssen sich natürlich auf der gegenüberliegenden Seite befinden). Anschließend habe ich eine kleine Vertiefung als Kabeldurchführung in das Rohrsegment gefeilt, die Kabel parallel zu den beiden Löchern im Kühlkörper gelegt und das Rohrsegment mit UHU plus schnellfest aufgeklebt:

Bild12 COB KK Blendschutz.jpg (42.43 KiB) 9801 mal betrachtet

Der Kühlkörper wird jetzt mit dem Alu-Flachprofil verschraubt (Blechschrauben, 3,5 x 16), die Kabel auf die passende Länge gekürzt, abisoliert, verzinnt und mit den Kupferstreifen verlötet.
Dabei ist unbedingt auf korrekte Polung zu achten.

Bild13 Kopf verdrahtet.jpg (47.66 KiB) 9801 mal betrachtet

Dann habe ich das Flachprofil an den Sockel geschraubt. Abschließend wurden die freien Flächen am Kühlkörper und am Sockel mit Graniteffektlack lackiert. Hierzu habe ich ausreichend Lack in eine kleine Dose gesprüht und diesen mit einem Pinsel aufgetragen.

Jetzt wurden noch das freie Ende des Kabels sowie das Kabel der Steckernetzteil-KSQ mit dem Schnurzwischenschalter verbunden. Damit ist die Tischleuchte in ihrer einfachen Form fertiggestellt.

Die Steckernetzteil-KSQs von EagleRise können problemlos sekundär geschaltet werden. Das hatte ich hier schon mal dargestellt:
viewtopic.php?f=24&t=13242

Durch den großen Abstrahlwinkel des COB-Moduls wird ein relativ großer Bereich ausgeleuchtet. In dieser Form ist die Tischleuchte ideal für einen Büroarbeitsplatz oder Ähnliches geeignet. Ich habe zusätzlich noch den Reflektor auf das COB-Modul geklebt. Der ausgeleuchtete Bereich wird dadurch kleiner (nutzbar ca. 80 cm), dafür wird die Beleuchtungsstärke verdoppelt und erreicht im Zentrum 2800 lux.

Beim Reflektor muss man beachten, dass dieser nur in zwei Positionen auf das Modul passt. Vor dem Aufkleben sollte man den Reflektor aufsetzen und solange drehen, bis er "einrastet" (flach aufliegt) und die Position an Reflektor und Modul mit einem Edding markieren.

Hier im Vergleich die Leuchte ohne (links) und mit (rechts) Reflektor im Betrieb:

Bild14 Leuchte an Vergleich.jpg (48.06 KiB) 9801 mal betrachtet

Im Dauerbetrieb erreicht der Kühlkörper eine Temperatur von 45°C, die KSQ 46°C, beide Werte bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 25°C.

Über dem COB-Modul habe ich eine Spannung von 30,6 V gemessen, die LED-Leistung beträgt damit 10,71 W. Ausgehend von einem Wärmewiderstand des COB-Moduls von 1,4 K/W liegt die Chiptemperatur dadurch 15°C über der Kühlkörpertemperatur, also bei 60°C.

Der typische Lichtstrom bei einem Strom von 350 mA und einer Kühlkörpertemperatur von 25° beträgt 1266 lm. Der Grafik auf Seite 12 des Datenblatts kann man entnehmen, dass der Lichtstrom bei einer Temperatur von 45°C auf ca. 96% dieses Wertes sinkt. Daraus ergibt sich ein realer Lichtstrom von 1215 lm. Das entspricht in etwa dem Lichtstrom einer 100 W-Glühbirne.

Primärseitig habe ich eine Leistungsaufnahme von 12 W gemessen. Daraus ergibt sich eine Effizienz der KSQ von 85%. Die Systemeffizienz beträgt folglich 101 lm/W.

Anstelle des CRI90-Moduls könnte man auch das CRI80-Modul verwenden. In diesem Fall erhöht sich der Lichtstrom auf ca. 1450 Lumen und die Effizienz auf ca. 120 lm/W.

[Achim H]

Die im Internet weit verbreitete Meinung, dass Netzteile nur zu 60-80% ausgelastet werden sollten ist aus technischer Sicht absoluter Unsinn.

Absoluter Unsinn ist es nicht.
Konstantstromquellen haben ihren höchsten Wirkungsgrad, wenn diese kurz vor dem erlaubten Maximum betrieben werden. Mit Betriebswärme sinkt die Vorwärtsspannung der Led(s) etwas ab (negativer Temperaturkoeffizient) und schon ist man nicht mehr am erlaubten Maximum, sondern unterhalb.

Bei Festspannungsnetzgeräten (nicht Konstantstromquellen) ist eine Reserve nicht verkehrt, wenn nicht klar ist, ob die Angaben im Shop kaufmännisch gerundet sind (damit sie besser aussehen) oder nicht. Wer kein Multimeter hat, muss mit diesen Werten arbeiten, sollte aber eine Reserve einplanen. Wer solche Produkte selbst vermessen hat, kann auch ein Festspannungsnetzgerät bis zum Maximum ausreizen.

Einige Produkte haben beim starten einen erhöhten Strombedarf (zum Beispiel Motoren). Ist das Festspannungsnetzgerät zu knapp kalkuliert, dann würde das Netzgerät kurzzeitig überlastet werden. Sollte das Netzgerät nicht dafür ausgelegt sein, kann es Schaden nehmen. Weitere Infos gibt es im Datenblatt zum Netzgerät (siehe Overload).

Die Makros gefallen mir (dafür gibt es 5 Sternchen*).
* leider sind das auch die einzigen Sternchen, die ich Dir geben darf.

Bild 11: etwas sehr wenig Lötzinn.

Die benutzte Entlötlitze solltest Du aufheben. Noch ein paar COBs und Du kannst die ersten Goldbarren gießen lassen.

[stromflo]

Schlicht, Einfach, Schön
Auch von mir gibt es ein paar Sterne....

[ustoni]

Danke euch beiden!

@ Achim:

Die Makroaufnahmen der Lötstellen/-pads habe ich mit einem einfachen USB-Mikroskop gemacht:
http://www.amazon.de/dnt-DigiMicro-Prof ... icro+profi
Das ist zwar weit von einem Profigerät entfernt, dafür aber bezahlbar und für gelegentliche Makroaufnahmen völlig ausreichend. Grund für den Kauf war damals, dass der Makrobereich meines Fotoapparats (Canon EX220HS) für solche Aufnahmen einfach nicht ausreicht.

Zu den Netzteilen:
Ich hab mich dabei auf konstante Lasten wie z.B. bei der vorliegenden Schaltung bezogen. Bei induktiven Lasten oder auch bei erhöhtem Einschaltstrom bleibt einem natürlich nichts anderes übrig, als entsprechende Reserven einzuplanen.
Der Wirkungsgrad ist zumindest bei KSQs von Meanwell im Bereich zwischen 90% und 100% Last nahezu konstant. In diesem Bereich geht es um Unterschiede von 0,1-0,2%.
Was aber immer wieder behauptet wird ist, dass die Lebensdauer steigt, wenn man ein Netzteil nur mit 60-80% betreibt. Zumindest bei qualitativ hochwertigen Netzteilen ist das blanker Unsinn. Ich würde allerdings auch niemals ein Netzteil kaufen, von dem mir kein Datenblatt vorliegt. Wer ein 3€-Netzteil bei ebay kauft ist eben selbst schuld.
Das PLD-40-700B von Meanwell hat z.B. eine MTBF (Mean Time Between Failure, also durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall) von 865176 Stunden. Diese Zeit gilt bei einer Last von 39,9W (=100%) bei einer Umgebungstemperatur von 25°C.
Es wird ohnehin nur in den seltensten Fällen möglich sein, eine KSQ so zu wählen, dass sie zu 100% ausgelastet wird. Hat man z.B. eine LED-Schaltung mit einer Leistungsaufnahme von 38W, sollte man halt den nächsthöheren erhältlichen Belastungswert nehmen, also z.B. das PLD-40-700B (vorausgesetzt alle Parameter passen). Das entspräche dann einer Last von 95,2%. Die Verwendung einer höher belastbaren KSQ wäre unsinnig und sogar kontraproduktiv.

Bild 11: etwas sehr wenig Lötzinn.

Es dürfte etwas mehr sein, muss aber nicht.

Zur Erklärung:
Wird Lot auf einer chemisch reinen Kupferoberfläche auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt (170 – 240° C, je nach Zusammensetzung) gebracht, so beginnt es entlang der Kupferoberfläche zu fließen. Dieses Fließen ist auf die Benetzbarkeit des Kupfers mit flüssigem Lot zurückzuführen. Dabei tritt eine Atomwanderung ein, die als Diffusion bezeichnet wird. Hierdurch wandern Kupferatome in das Lot und Zinnatome in das Kupfer ein (ab 260° C). Die so entstehende Grenzschicht nennt man Diffusionszone.

Innerhalb der Diffusionszone bildet sich zwischen Kupferoberfläche und Zinn eine intermetallische Verbindung. Diese Verbindungstelle ist nach dem Erstarren des Lotes spröde, was die Festigkeit der gelöteten Verbindung reduziert.

Einerseits ist also die Diffusionszone für eine einwandfreie elektrische Verbindung notwendig, andererseits sollte sie für eine mechanisch gute Belastbarkeit so dünn wie möglich sein. Ohne mechanisches Zerstören der Lötstelle (Anschleifen für Untersuchung mit Mikroskop) lässt sich die Diffusionszone von außen natürlich nicht beurteilen.

Als guter Indikator zur Qualitätsbeurteilung hat sich der Benetzungswinkel herausgestellt. Deshalb wendet man beim Handlöten das Konturenlöten an. Das Lot soll dabei zwischen Anschlussdraht und Kupferfläche eine konkave Form haben, der Anschlussdraht sollte also in seiner Form noch gut erkennbar sein.
Der ideale Benetzungswinkel beträgt 20°. Allerdings lässt sich die Lotmenge beim Handlöten nur schwer genau genug dosieren. Deshalb geht man bei einem Benetzungswinkel von bis zu 60° noch von einer guten Lötstelle aus.
Zur Veranschaulichung:

Lotmenge.jpg (16.71 KiB) 9741 mal betrachtet

Es gilt also auch beim Löten: weniger ist mehr.

[Achim H]

Die Makroaufnahmen der Lötstellen/-pads habe ich mit einem einfachen USB-Mikroskop gemacht:

Gleich mal in meine Wunschliste eingetragen. Irgendwann (wenn ich mal wieder etwas Geld übrig habe. Momentan nicht der Fall.) werde ich mir auch mal eines zulegen.

MTBF (Mean Time Between Failure, also durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall)

between heißt wörtlich übersetzt: zwischen
Somit wäre der Ausfall irgendwo zwischen 1 und dem genannten Wert in h (Stunden).
Egal.
Bei Meanwell Netzgeräten braucht man sich so gut wie keine Gedanken machen. Die halten schon sehr lange. Und wenn doch mal eines kaputt gehen sollte, so teuer sind die auch nicht.

Die Verwendung einer höher belastbaren KSQ wäre unsinnig und sogar kontraproduktiv.

Da stimme ich Dir absolut zu.

Bild 11: etwas sehr wenig Lötzinn.

Es dürfte etwas mehr sein, muss aber nicht.

Möglicherweise war die Zeit des Wiederanheizen nicht lang genug. Um die verzinnte Litze bis zum Rand des Pads hat sich sowas wie eine Insel gebildet.
Da brauchen wir nicht drüber diskutieren. Wenn es hält und nicht geklebt ist, ist doch alles in Dortmund.

[ustoni]

Möglicherweise war die Zeit des Wiederanheizen nicht lang genug. Um die verzinnte Litze bis zum Rand des Pads hat sich sowas wie eine Insel gebildet.

Da hast Du allerdings recht, das Lot ist nicht bis zum Rand des Lötpads aufgeschmolzen. Das hätte ich besser machen können und sollen.
Die eigentliche Lötverbindung zwischen Draht und Pad ist aber in Ordnung.

[R.Kränzler]

Sehr schöne Arbeit, super Anleitung mit guten Bildern, animiert zum Nachbauen und verdient volle Sternchenzahl.

Aber:

aber bei Mädels ohne großes Technikverständnis

Wäre da nicht statt Granitlack etwas in Rosa besser gewesen?

[ustoni]

Wäre da nicht statt Granitlack etwas in Rosa besser gewesen?

Sie ist Krankenschwester (, hat damit schon mehr gesehen, als ich je möchte) und hört gerne Heavy Metal (ich übrigens auch). Da wäre Rosa wohl eher die unpassendste Farbe.

Aber Spaß beiseite:
Ich baue solche Leuchten als Hobby - und damit mehr, als ich selbst jemals brauchen würde. Die eine oder andere gebe ich dann eben weiter.

Den Graniteffektlack hatte ich vor einigen Jahren mal ausprobiert. Ich war einfach begeistert. Wenn man den richtig anwendet, wirkt jede damit lackierte Fläche nicht nur wie Stein, sondern fühlt sich auch so an. Die Sprühdosen sind zwar recht teuer (knapp 14€ für 400 ml), der Lack hat aber noch einen weiteren großen Vorteil:
Da die entstehende Schichtstärke im Vergleich zu normalen Lacken recht groß ist, werden Unebenheiten im Untergrund vollständig verdeckt. Man muss also nicht jeden Kratzer oder jede Riefe entfernen. Wer schon mal eine Hochglanzlackierung aufgebracht hat, weiß wovon ich rede.

Falls es mal jemand ausprobieren möchte, hier die Arbeitsschritte:
- Oberfläche grundieren (Haftgrund bei Metall oder Kunststoff, Dispersionsfarbe bei Holz, MDF- oder Spanplatten)
- Eine erste, sehr dünne Schicht Graniteffektlack aufsprühen und einige Stunden aushärten lassen
- Eine zweite, deckende Schicht aufsprühen und 24 Stunden aushärten lassen

Das ergibt schon eine sehr schöne Lackierung. Die Oberfläche ist jetzt uneben, aber noch relativ glatt. Der "Steineffekt" lässt sich anschließend noch steigern, wenn man jetzt noch die eine oder andere weitere Schicht aufträgt, diese allerdings dann mit einem größeren Sprühabstand und sehr geringer Farbmenge. Zwischen den weiteren Schichten: 24 Stunden warten.

Speziell beim letzteren Schritt lassen sich sehr schöne Effekte erzeugen, wenn man unterschiedliche Farben verwendet. Erhältlich ist der Lack (hab ich nur beim Hellweg - ohne Werbung zu beabsichtigen - gefunden) in schwarz, dunkelgrau, hellgrau und weiß).

...super Anleitung mit guten Bildern

Danke!
Ich hab im Moment relativ viel Zeit und kann deshalb einige meiner Projekte vorstellen. Das eine oder andere folgt also noch in den nächsten Wochen.