Praxis: Arbeiten mit LED-Bändern, 1. Teil – Selbstbau einer Unterschrankbeleuchtung für Wohnräume

Anmerkung des Herausgebers: LED-Beleuchtung ist ein ideales Do-it-yourself-Projekt. Es macht Spaß, es ist zufriedenstellend und lohnend. Der 1. Teil dieser zweiteiligen Artikelserie behandelt die Realisierung einer Unterschrankbeleuchtung. Im 2. Teil wird gezeigt, wie die Beleuchtung der Mikrowelle ausgetauscht werden kann, um die Farbtemperatur anzupassen.

LEDs ersetzen jetzt an vielen Stellen Glühlampen und Leuchtstofflampen, aber die Auswahl für eine Unterschrankbeleuchtung ist bemerkenswert gering. Für den Do-it-yourself-Anhänger sind in Form von langen Streifen und Bändern vorgelötete SMT-LEDs (Surface Mount Technology, Oberflächenmontage) ideale Kandidaten für eine Selbstbau-Beleuchtung, da sie klein und leicht sind und vergleichsweise wenig Energie verbrauchen.

LED-Streifen haben noch weitere Vorteile. Die Verarbeitung ist einfach, da sie problemlos mit einer scharfen Schere geschnitten werden können, und sie sind mit einer selbstklebenden Schicht versehen, sodass sie fast überall kleben. Außerdem können sie mit einem 12-Volt-Netzteil betrieben werden, sodass die Arbeit mit ihnen gefahrlos ist.

Dieser Artikel begleitet ein praktisches Projekt einer Unterschrankbeleuchtung in der Küche einer Wohnung mit nur 5 Meter LED-Band, einem Dimmer mit HF-Fernbedienung, Niedervolt-Steckverbindern und einem 12-V-Schaltnetzteil. Das Ergebnis ist ein kompaktes Beleuchtungssystem für eine sowohl praktische (es hebt die Beleuchtungsstärke eines täglich benutzten Bereiches an) als auch attraktive Beleuchtung der Küchentheke.

„Liebling, könntest du vielleicht…?“ Der Ursprung vieler Do-it-yourself-Projekte

Dieses Projekt begann wie viele Do-it-yourself-Projekte mit einer Bitte des Ehepartners. Die Unterschrankbeleuchtung für die ehemalige Wohnung wurde in der aktuellen Kücheneinrichtung schmerzlich vermisst. Die Küchentheke brauchte mehr Licht. Das vor mehr als zehn Jahren entwickelte Projekt wurde mit jeweils 30 cm langen verkapselten Streifen entwickelt, auf denen die LEDs einen Abstand von etwa 2,5 cm hatten.

Der Aufbau bestand aus einem selbstgebauten Beleuchtungs-Controller mit einem PCM-Motor auf einer Steuerplatine mit einem kostengünstigen Mikrocontroller, dessen Programm für 90 USD-Dollar von einem Berufsprogrammierer erstellt wurde, und ein klobiges 12-V-Laptopnetzteil vervollständigten den Aufbau. Die Verkabelung dieses früheren Systems war mit seinem für die zehnfache Stromstärke ausgelegten Steckverbindern und Kabeln erheblich überproportioniert.

Welchen Unterschied zehn Jahre machen.

Einerseits werden jetzt von einer großen Zahl von Herstellern gebrauchsfertige LED-Unterschrankbeleuchtungen in vielen Formen angeboten. Nach einiger Recherche zerfallen sie in zwei Kategorien:

• Kostengünstige LED-Unterschrankbeleuchtungen, die von den „Kistenschiebern“ unter den Einrichtungshäusern angeboten werden, haben für eine helle gleichmäßige Beleuchtung zu wenige LEDs, und sie bieten keine gute Dimmsteuerung.
• Schöne Beleuchtungsanlagen aus Spezialgeschäften, die mehrere Hundert Dollar kosten.

Für einen Ingenieur oder Heimwerker stellt das Fehlen von günstigen Alternativen für Unterschrankbeleuchtungen eine willkommene Herausforderung dar und ist ein Anlass für ein ideales Do-it-yourself-Projekt.

Mit den LEDs geht es los

Mit dem Aufkommen von SMT-LEDs haben sich die Beleuchtungsmöglichkeiten beträchtlich erweitert. Eine interessante Entwicklung ist die Einführung von LED-Streifen und -Bändern. Das flexible LED-Band ZFS-155000-CW von JKL Components wird z. B. als 5-Meter-Band auf einer Spule geliefert (Abbildung 1). Auf dem 15 Millimeter breiten Band sind 1200 LEDs angebracht.

Abbildung 1: SMT-LED-Bänder wie das zweireihige flexible LED-Band ZFS-155000-CW von JKL Components machen das Entwerfen einer eigenen Unterschrankbeleuchtung einfach. (Bildquelle: JKL Components)

Auf diesen fortlaufenden LED-Bändern befindet sich eine doppelte Reihe von SMT-LEDs und SMT-Widerständen, sodass zur Inbetriebnahme nur ein einfaches 12-Volt-Netzteil benötigt wird. Die doppelte LED-Reihe auf diesem speziellen Band produziert doppelt so viel Licht wie LED-Bänder mit nur einer Reihe. Die Bänder bestehen aus einzelnen flexiblen LED-Streifen, die zusammengelötet wurden und so ein langes Band ergeben. Sie sind zudem sehr dünn und erlauben so eine kompakte, fast unsichtbare Unterschrankmontage.

Eine faszinierende Eigenschaft dieser Bänder ist, dass sie einfach mit der Schere auf die erforderliche Länge zugeschnitten werden können. Alle 25 Millimeter sind Markierungen zum Schneiden aufgedruckt, sodass beliebig lange Streifen flexibel von einem längerem Band abgeschnitten werden können. Für das in diesem Artikel behandelte Projekt einer Unterschrankbeleuchtung wurden 90 cm lange Streifen von einer Rolle abgeschnitten, auf der sich ausreichendes Material für fünf derartige Streifen befand. Der gesamte fünf Meter lange Streifen verbraucht 4,3 Ampere (A), d. h. ein 90 cm langer Streifen verbraucht etwa 774 mA. Runden wir zur Sicherheit auf 1 A auf.

Die LED-Streifen sind im Wesentlichen flexible Platinen (Leiterplatten). Die 12-Volt-Leiterbahnen, über die die SMT-LEDs mit Strom versorgt werden, verlaufen über die gesamte Länge des Streifens. Nach dem Schneiden verbleiben an jedem Ende Kupferpads, an die Drähte angelötet werden können. Die Kupferpads nehmen das Lötzinn gut an, aber vergessen Sie nicht, die Pads vor dem Löten mit Flussmittel zu reinigen.

Mit den Pads an den Enden ist es einfach, Streifen mit jeweils zwei kurzen Drähten miteinander zu verbinden. Dieses Projekt machte sich eben jenes Merkmal zu Nutze, um die Verdrahtung zu erleichtern.

Aluminiumträger bietet viele Vorzüge

Mit dem auf der Unterseite der LED-Streifen aufgetragenen Klebstoff können diese direkt an der Unterseite des Schranks angebracht werden. Dies hat aber viele Nachteile:

• Ein direkt auf die Unterseite des Schranks geklebter Streifen ist beim Ausfall von LEDs schwer auszutauschen.
• Schrankmaterial wie Holz oder Kunststoff leitet die Wärme der LEDs nicht ab, wenn der Streifen direkt befestigt wird.
• In Lücken zwischen Schrankteilen hat der LED-Streifen keinen Halt.

Eine Aluminiumleiste als Träger für die einzelnen LED-Streifen löst alle drei Probleme. Fünf ca. 90 cm lange, 3,2 cm breite und 3 mm starke Aluminiumleisten wurden bei diesem Projekt als Träger für die LED-Streifen verwendet. Da die Unterseite der LED-Streifen durch den Klebstoff weitgehend isoliert ist, wurde eine Isolierschicht aus 2,5 cm breitem bernsteinfarbenem Polyamidband, hier das 1205 von 3M, auf das Aluminium aufgeklebt. Dieses dient als Extra-Isolierung, um mögliche Kurzschlüsse zu vermeiden und um das Lösen des LED-Bands vom Aluminium im Falle eines erforderlichen Austauschs zu erleichtern.

Das Anbringen der Aluminiumleisten erfordert ebenfalls Überlegung. Am einfachsten ist es, Löcher in die Aluminiumleisten zu bohren. Es sind allerdings mehrere Löcher notwendig, um ein Durchhängen der Leiste zu vermeiden. In diesem Projekt wurden mit Bohrungen versehene Z-Profile als Clips für die Aluminiumleisten verwendet. Diese Profile werden von Lieferanten für Galeriebedarf zum Aufhängen von schweren Bildern angeboten und eignen sich ganz ausgezeichnet für unsere Zwecke.

Wahl der Stromquelle und des Dimmverfahrens

Nach den LEDs ist der nächste Schritt die Wahl der Stromquelle. Die gesamte LED-Rolle bezieht etwas weniger als 5 Ampere, sodass ein kleines Schaltnetzteil wie das Netzteil LS75-12 von TDK-Lambda mit 12 Volt und 75 Watt für die Anforderungen dieses Projekts mehr als ausreichend ist. Der hohe Wirkungsgrad des Schaltnetzteils bedeutet, dass es nicht viel Wärme produziert. Das ist wichtig, da das Netzteil innerhalb des Schranks über der Mikrowelle eingebaut und an dieselbe Netzsteckdose angeschlossen wird.

Das Schaltnetzteil liefert eine gleichmäßige Spannung von 12 Volt, aber es bietet keine Möglichkeit zum Dimmen. In einem zehn Jahre zurückliegenden Projekt einer Unterschrankbeleuchtung war für das Dimmen eine besondere Konstruktion nötig. Die Dinge sind heute nicht mehr so kompliziert. Kostengünstige betriebsbereite ferngesteuerte Dimmmodule für 12 Volt stehen jetzt im Regal.

Ein typisches Beispiel: die drahtlose LED-Fernbedienung ZCTR-08 von JKL Components (Abbildung 2). Dieses aus zwei Teilen bestehende Set umfasst einen kleinen Inline-PWM-Controller, der sich zwischen dem Netzteil und den LEDs befindet, und ein kleines tragbares Fernbedienungsmodul mit Ein/Aus- und Dimmtaste.

Abbildung 2: Die ZCTR-08 von JKL Components ist eine speziell zum Dimmen von 12-Volt-LED-Beleuchtungssystemen bestimmte HF-LED-Fernbedienung. (Bildquelle: JKL Components)

Da diese Fernbedienung nicht mit Infrarot, sondern mit Hochfrequenz arbeitet, ist keine Sichtverbindung erforderlich. So kann das Dimmmodul neben dem Netzteil im Schrank eingebaut werden.

Das Verkabeln ist nicht ganz einfach

Jede Küche ist unterschiedlich aufgebaut. Daher ist für jedes Unterschrank-Beleuchtungssystem ein eigener Verkabelungsplan erforderlich. Bei diesem Projekt werden zwei der 90 cm langen LED-Streifen auf einer Seite der Mikrowelle und 3 Streifen auf der anderen Seite angebracht. Das Netzteil und das Dimmmodul werden über der Mikrowelle angebracht.

Jeder Streifen bezieht etwas weniger als 1 A, d. h. ein Zweig des Stromversorgungsbaums müsste fast 2 A und der andere fast 3 A bewältigen. Daher waren für den Verkabelungsplan stärkere Kabel zur Versorgung der Anschlussboxen an beiden Seiten der Installation erforderlich. Das stärkere Kabel führt in unter den Schränken an entgegensetzten Seiten einer Küchenwand angebrachte Anschlussboxen. Von den Anschlussboxen führen dann dünnere Kabel zu den einzelnen LED-Streifen an den verschiedenen Seiten der Küche.

An einer Seite der Installation werden zwei LED-Streifen physisch mit den Enden aneinander angebracht, wobei mithilfe der internen Verdrahtungsmöglichkeit der oben erwähnten LED-Streifen der Anfang eines Streifen mit dem Ende des vorhergehenden verbunden wird. So muss in der Anschlussbox kein zusätzliches Kabel verlegt werden.

Als elektrische Anschlussbox wurden zwei Spritzguss-Aluminiumgehäuse 1590B von Hammond Manufacturing verwendet. Die Gehäuse sind ideal für diesen Zweck. Sie sind klein, stabil, günstig und mit Handwerkzeug leicht zu bearbeiten. Durch eine mit einem Stufenbohrer angebrachte mittelgroße Bohrung wird das breite vom Netzteil ausgehende Kabel eingeführt, und ein kleineres Loch an einer anderen Seite des Gehäuses bildet den Ausgang für die beiden schmaleren Kabel, die die LED-Streifen mit Strom versorgen (Abbildung 3). Innerhalb des Gehäuses wird das dicke Stromkabel mit einer Anschlussklemme mit den beiden dünneren Verteilungskabeln verbunden.

Abbildung 3: Das Spritzgussgehäuse 1590B von Hammond Manufacturing ist eine komfortable elektrische Anschlussbox. Die Abbildung zeigt die an der Unterseite des Küchenschranks befestigte Anschlussbox. Das dicke Kabel wird mit dem drahtlosen LED-Dimmer verbunden, und die beiden dünneren Kabel versorgen die beiden LED-Streifen über JST-Steckverbinder mit Strom. (Bildquelle: Steve Leibson)

Das Blockschaltbild des gesamten Systems zeigt das 12-V-Netzteil und die mit ihm verbundenen LED-Streifen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Blockschaltbild des LED-Beleuchtungsprojekts zeigt die vollständige Verkabelung des Systems vom 12-V-Netzteil bis zu den LED-Streifen. Beachten Sie, dass der Strom durch den oberen LED-Streifen ganz links in einen zweiten in Reihe geschalteten LED-Streifen fließt. (Bildquelle: Steve Leibson)

Die stärkeren Stromkabel vom Netzteil zu den Verteilerboxen sind etwa 3 m lang. Um einen Spannungsabfall über diese Länge zu verhindern, wurde 2 mm starkes rot/schwarzes Lautsprecherkabel verwendet. Das ist für diesen Zweck wahrscheinlich überdimensioniert, aber das Kabel war gerade zur Hand.

Die Wahl für die Verbindung zwischen den Anschlussboxen und den LED-Streifen war etwas schwieriger. Die 90 cm langen LED-Streifen können aufgrund ihrer mechanischen Ausführung leicht ersetzt werden. Das bedeutet, dass die elektrische Auslegung auch ein einfaches Entfernen und Ersetzen mit Steckverbindern ermöglichen sollte.

Die meisten der zwischen den beiden Anschlussboxen und den LED-Streifen angebrachten Steckverbinder müssen weniger als 1 A aushalten, aber für die beiden in Reihe geschalteten LED-Streifen ist ein Steckverbinder für fast 2 A erforderlich. Für dieses Projekt sind zuverlässige und kostengünstige Steckverbinder erforderlich. Die Serie RCY von JST mit einer Nennstromstärke von 3 A übertrifft diese Anforderungen. In diesem Projekt kommen Kabelsätze mit RCY-Anschlussdosen SYR-02T, Steckkontakte SYM-001T-P0.6, RCS-Verbindungsstecker SYP-02T-1 und Steckbuchsen SYF-001T-P0.6 von JST zum Einsatz. Diese kompakten, leuchtend roten Steckverbinder sind in Abbildung 3 oben abgebildet. Die RCY-Steckverbinder von JST werden normalerweise für Hobbyzwecke bei niedrigen Batteriespannungen verwendet.

Für Hobbyzwecke bei niedrigen Batteriespannungen werden auch zuverlässige, kostengünstige, vorgefertigte Kabelsätze für die jeweiligen Nennstromstärken verwendet, z. B. der Kabelsatz 2880 von Adafruit. Diese wären ebenfalls ideal für dieses Projekt.

Es werde Licht

Für das Bohren der Löcher, das Anschrauben aller Komponenten und die gesamte Verkabelung war ein ganzer Tag erforderlich. Aber die ganze Planung hat sich gelohnt, und es mussten nur wenige überraschende Herausforderungen bewältigt werden. Die gesamte Installation ist kompakt und nahezu unsichtbar. Beim ersten Druck auf die Ein/Aus-Taste der HF-Fernbedienung leuchteten alle fünf LED-Streifen sofort auf, und auch das Dimmen funktionierte wie beabsichtigt.

Abbildung 5: Das fertige Beleuchtungssystem liefert helles, gleichmäßiges Licht, und die Leuchtkörper und Kabel sind kaum sichtbar. (Bildquelle: Steve Leibson)

Und das Beste: Der Ehepartner hat sich sehr über das Ergebnis gefreut.

Fazit

LED-Bänder sind eine flexible Möglichkeit, mit einfachen Mitteln und wenig Aufwand viel Licht zu produzieren. Sie sind besonders dann hervorragend geeignet, wenn lange Strecken beleuchtet werden müssen.

Das im 1. Teil dieser zweiteiligen Artikelserie verwendete LED-Band wurde auf einer 5-m-Spule geliefert, von der fünf je 90 cm lange Stücke abgeschnitten wurden. Im 2. Teil wird gezeigt, wie die Beleuchtung der Mikrowelle mit dem Rest des LED-Bands ausgetauscht und an die Farbtemperatur der Unterschrank-LEDs angepasst werden kann.