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Samstag, 27. Juni 2015

Filzlampe mit RGB LED-Streifen im organischen Look

RGB Filzlampe

Elektronik und Textilkunst


Elektronik und Kunsthandwerk schließen sich nicht aus. Ich stolperte vor einiger Zeit bei der Recherche zu Textilkunst über die Shibori Technik. Mit dieser, aus Japan stammenden Abbindetechnik werden, ähnlich der Batik, bunte Stoffe gefärbt. Dazu stickt, bindet, verdrillt und/oder verknotet man Stoffe und taucht sie anschließend in Färbebäder. Die Ergebnisse sind sehr interessant. Auf der Suche nach mehr Informationen zum Thema, fand dich die Bücher „Modernes Shibori“ von  Silke Bosbach und „Filz Experiment“ von Annette Quentin-Stoll und Robert Quentin – beide Autoren arbeiten mit Wollstoffen und Abbindetechnik. „Filz Experiment“ hat mich zu der Lampe inspiriert. Die Autorin nutzt Vorbilder der Natur und verarbeitet Wollvlies zu organischen Formen. Dazu setzt Sie unter anderem Shibori Abbindetechniken ein.

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Mein Projekt stand fest. Ich wollte für eine Textilausstellung eine Lampe bauen, die den organischen Look eines Korallenskeletts haben sollte.


Filzarbeiten, das Material verstehen


Ich hatte mich zuvor noch nie, abgesehen von einem Pullover, den ich zu heiß in der Waschmaschine gewaschen hatte, mit dem Filzen beschäftigt. Deshalb stellte ich kein Vorvlies her, sondern besorgte mir ein fertiges Wollvlies in einem Naturweiß. Wolle verfilzt sich. Aber warum? Die Tierhaare haben eine schuppige Oberfläche. Warmes Wasser und alkalische Seife stellen die Schuppen auf. Durch die Walkbewegung verkeilen sich diese Schuppen ineinander und bilden einen festen, unlösbaren Verbund. Dabei schrumpft das Werkstück.




Probefilz erstellen

Schritt 1: Kreise markiern und heften


Da mir die Erfahrung fehlt, teste ich zuerst die Technik an einem „kleineren“ 30 x 30 cm Stück. Aber auch erfahrene Filzer machen Proben. Man darf den Materialaufwand nicht unterschätzen, denn jeder kleine Wollstachel benötigt die Fläche eines Kreises von 5-6 cm Durchmesser. Ich markiere mit einem wasserlöslichen Stift aus dem Schneidereibedarf die Kreise auf dem Wollvlies. Dabei ordne ich die Kreise wie Bienenwaben an. Mit einer Nadel und reichlich schwarzem stabilen Faden nähe ich mit einem Heftstich die Kreise ab. Dabei achte ich darauf, den Anfangs- und Endfaden etwa 15 cm überstehen zu lassen.



Schritt 2. Zusammenziehen und Abbinden




Danach geht es ans Abbinden. Zuerst ziehe ich die Enden der Heftfäden vorsichtig zusammen. Der Wollvlieskegel hebt sich. Ich helfe mit einem kleinen Zug an der entstehenden Spitze nach. Der Kegel legt sich in Falten. Ich mache einen Doppelknoten. Nun benutze ich die beiden Fadenteile um diesen entstandenen Wollzipfel kreuzförmig und fest zu umwickeln und zu sicher zu verknoten. Die überstehenden Fäden schneide ich auf ca. 1cm zurück.




Schritt 3 : Seife und Wasser kommen zum Einsatz


Es ist Zeit zum Filzen. Das Werkstück wird in warmes Wasser getaucht und mit einer Schmierseife (ich benutze Kernseife) in der Hand gewalkt. Das heißt, ich knete das Werkstück und die abgebundenen Stacheln in der Hand bis das Werkstück verfilzt ist. Dabei wird es klein und sehr kompakt. Nun noch mit klarem Wasser spülen, die Fäden vorsichtig ziehen und das Ergebnis trocknen lassen.

Erste Tests mit der Transparenz des Materials und Leuchtdioden



Ich finde, das Ergebnis kann sich sehen lassen. Ich mache an dem Musterstück dann auch gleich Proben mit Leuchtdioden. Einzelne LEDs in den Stacheln gefallen mir nicht. Ich will die Lampe homogener erstrahlen lassen und wähle deshalb RGB LED Streifen.

Material berechnen und das Werkstück filzen


Jetzt kann ich meinen Bedarf an Wollvlies berechnen. Ich habe eine bekannte Größe des Musterstücks und eine gewünschte Größe der Lampe. Ich muss für meine Lampe ein Stück Filz mit 1,2 Meter Länge und 50 cm Breite filzen. Bitte macht unbedingt selbst Probefilze, denn das Ergebnis kann variieren! Die Arbeitszeit darf man nicht unterschätzen. Ich habe mich einen kompletten Sonntag damit beschäftigt. Danach hat man ein unbeschreiblich schönes Unikat in den Händen.

Aus was für einem Material baue ich den Standfuß?


Als Sockel dient mir ein zylinderförmiger roter Abfall-Stein aus dem leider aufgelassenen Marmorwerk am Ort. Nachträglich hätte mir jedoch ein würfelförmiger Granitstein, wie er z.B. im Straßenbau verwendet wird, besser gefallen. Natürlich könnte man auch einen Metall, Holz oder Kunststoffsockel verwenden. Wichtig ist das Gewicht und die Grundfläche. Der Sockel sollte so gewählt werden, dass die fertige Lampe stabil steht. Mit einem Steinbohrer bekommt mein Stein ein Loch in der Mitte. Marmor bohrt sich leichter als harter Granit. In das Loch klebe ich mit Zweikomponentenkleber einen Alustab. Auch hier verwende ich Material, das bei einem Zuschnitt einer Antenne als Abfallstück übrig blieb. (Mach flott den Schrott). Je nach Material und Stabdurchmesser federt die Lampe später nach oder bleibt starr (Eisenstab) wenn man sie anstupst. Die Stange dient als Halterung für die LED Streifen.

Jetzt kommt der Teil mit dem Licht...


Ich verwende zwei 50cm lange RGB LED Streifen und einen RGB LED Controller mit Infrarotfernbedienung. Da sich LED Streifen nur sehr wenig erwärmen und mit Niederspannung betrieben werden, sind sie ideal für Basteleien mit Stoff und Papier. Ich verlöte die beiden 50 cm langen Streifen mit vier Litzen an den, mit RGB und 12Volt gekennzeichneten Anschlüssen. (RGB steht für die Farben Rot, Grün, Blau). Ein Ende des LED Streifens bleibt offen. An das andere Ende löte ich den Steckverbinder des Controllers. Der Controller besitzt einen Anschluss für ein Steckernetzteil. Die Stärke des Netzgerätes muss man nach der Stromaufnahme der Streifen wählen. Für meine Streifen reicht ein Netzteil mit 12V DC und 1A. Ich klebe nun die Streifen auf die Aluminiumstange und fixiere die Kabel vorsichtig mit einem Kabelbinder am oberen und unteren Ende des Metallstabes. In der Mitte ziehe ich einen Kabelbinder vorsichtig über den Streifen zusammen. Ich rechne damit, dass das Klebeband nach einigen Jahren nicht mehr hält.

Schaltung vor Fertigstellung testen


Der Controller ist angesteckt. Das Netzteil ist verbunden. Ein kurzer Test zeigt mir, dass alle LEDs und der Controller funktionieren und ich mit dem Verkleiden der Lampe fortfahren kann. Zuerst suche ich mir einen der unteren Filzstacheln und schneide ihn an der Spitze mit einer Schere ab. In diesem Loch findet der Infrarotempfänger Platz. Er muss eine Sichtverbindung zum Sender haben.  Ich verklebe ihn mit Patex. Ich streiche den Infrarotempfänger und Filz mit Kleber ein, lasse ihn kurz ablüften, und verklebe anschließend beide Teile. Dann wird der Stachelfilz zu einem Zylinder zusammengenäht und über die Lampe gestülpt. Ein weiterer Test erfolgt. Sieht alles gut aus? Ja, es gefällt mir. Ich falte die Enden oberhalb des Metallstabes zusammen und schließe die Öffnung mit einem naturfarbenen Faden. Ebenso nähe ich die Unterseite um den Metallstab zusammen. Den Controller lasse ich am unteren Ende, innerhalb des Filzes verschwinden.



Fertig!


Die Lampe war auf der Ausstellung ein Blickfang. Allerdings konnte ich mich nicht durchringen, sie zu verkaufen. Es steckt zu viel Herzblut und Arbeit darin. Sie ist ein schönes Stimmungslicht am Abend.


Material und Werkzeug:

  • naturfarbenesWollvlies Vorfilz, wird meist in 1,90 m Breite am laufenden Meter verkauft,
  • schwarzes und naturfarbenes, stabiles Garn
  • kreisförmige Schablone, z.B. Trinkglas, Getränkedose etc.
  • wasserlöslicher Markierungsstift
  • Nadel und Schere
  • Wasserschüssel oder Waschbecken mit warmen Wasser
  • Schmierseife oder Kernseife
  • Sockelstein aus Granit, Marmor oder ein Stein aus dem Bach
  • Metall- oder Holzstange ca. 55 cm
  • Steinbohrer und Bohrmaschine
  • Kleber
  • LED RGB Streifen 2 x 50cm
  • 4 Litzen 0,25 qmm für LED Streifen-Verbindung (ca. 10 cm)
  • RGB Controller mit Infrarotfernbedienung
  • Steckernetzteil ca. 1A
  • 3-4 Kabelbinder (oder nichtleitendes Befestigungsmaterial)
  • Lötkolben und Lötzinn
  • Seitenschneider 

Mittwoch, 24. Juni 2015

LED Grundlagen


Wissenswertes zu Leuchtdioden

Was bedeutet LED:
LED ist die Abkürzung von Light Emitting Diode
Übersetzt: Licht aussendende Diode oder Leuchtdiode.

LEDs haben keinen Glühfaden wie herkömmliche Lampen, sondern basieren auf einer Halbleitertechnologie. Sobald durch die LED in Durchlassrichtung (Die LEDs haben eine Polaritätsrichtung) ein Strom fließt, senden Sie eine Strahlung ab, die in Abhängigkeit des Materials in unserem Auge als farbiges Licht wahrgenommen wird. Die Polarität einer Standard-LED erkennt man an der Länge der Anschlussdrähte. Der Anschlußdraht der Kathode (negativ) ist immer kürzer als der Draht der Anode (positiv). Damit man auch nach dem Kürzen der Drähte die Anschlußbelegung erkennt, besitzt das Gehäuse eine kleine Abflachung an der Seite der Kathode (minus)
5mm Standard-LED
Schaltzeichen



Geschichtliches
Die Lichtemission an anorganischen Stoffen wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. Die LED wurde jedoch erst mit dem Einzug der Transistoren und der Halbleitertechniken Anfang der 60er Jahre hergestellt. Die Bauformen, die sich bis zu den 90ern am Markt etablierten, waren ausgenommen von einigen Sondertypen, Leuchtdioden mit einem Durchmesser von 5mm und 3mm in geringen Leuchtstärken und einem Wellenbereich von 500nm (grün) bis 760nm Infrarot. Erst mit dem Einzug der blauen LED und einem Wettlauf der Firmen um die Leuchtstärke der LEDs wurde die Entwicklung stark voran getrieben. Mittlerweile sind wir bei den stärksten LEDs bei einer Lichtausbeute von 250 Lumen pro Watt angelangt. Physikalisch kann man bei kaltweißem Licht nur 350 Lumen pro Watt erreichen.

Haltbarkeit
LEDs haben eine sehr lange Haltbarkeit, die von 30.000 bis 100.000 Stunden reichen kann. Problematisch wird jedoch die Lebenszeit der Ansteuerungselektronik sein. Dort müssen elektronische Bauteile wie Elektrolytkondensatoren verbaut werden, die eine geringe Haltbarkeit aufweisen. Je aufwendiger die Vorschaltelektronik ist, desto anfälliger ist das komplette LED-Leuchtmittel. Bei LEDs, die mit einfachem Vorwiderstand betrieben werden (wie in LED Streifen etc.) ist jedoch eine sehr lange Lebenszeit zu erwarten.

Bauformen
Leuchtdioden ersetzen mittlerweile Kleinlampen, Standardlampen und sogar Leuchtstoffröhren. LEDs werden als Hintergrundbeleuchtung von Displays in Fernsehern und Monitoren und im Fahrzeugbau eingesetzt. Es gibt kaum eine Lichtanwendung, in der LEDs keine Rolle spielen. Das komplette Farbspektrum von Infrarot, Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau bis Ultraviolett und Weiß wird bereits abgedeckt. Durch Mischungen der Farben Rot, Grün und Blau (RGB, Lichtkreis) kann man jede Farbe bis hin zu Weiß mit LEDs erzeugen.  

Grunddaten der Leuchtdiode

Farbe oder Wellenlänge in nm (Nanometer) bei Weiß auch die Farbtemperatur in K (Kelvin)
LEDs kann man in den Farben Infrarot (für das Auge nicht sichtbar) Rot, Orange, Gelb, Grün, Türkis, Blau, Pink und Ultraviolett kaufen. Es gibt auch Mischfarben, die mit RGB-LEDs erzeugt werden können. RGB-LEDs bestehen aus 3 Einzelleuchtdioden in Rot, Grün und Blau und werden entweder vom Hersteller beschalten, oder es werden 4 Anschlüsse herausgeführt, an denen man die LEDs selbst beschalten kann.
Weiße LEDs gibt es in einem kalten Weiß (Daylight mit 5500—6000K) oder Warmweiß, das dem herkömmlichen Glühlampenlicht entspricht und eine Farbtemperatur von 2700-3000 K hat.

Vorwärtsspannung  oder Flussspannung in V (Volt)
Je nach Material haben Leuchtdioden unterschiedliche Betriebsspannungen, die man in der Elektronik Vorwärtsspannung nennt. Diese Daten sollte man beim Kauf erfragen. Standard LEDs in Rot, Gelb und Grün werden normalerweise mit 2 Volt Gleichspannung betrieben. Blaue, superhelle grüne und weiße LEDs haben einen Spannungsbereich von ca. 3-4 Volt und sollten normalerweise mit 3,6 Volt versorgt werden.

Strom in A (Ampere) oder mA (Milliampere)
Diese Angabe ist wichtig zur Berechnung des Vorwiderstandes, den man für eine Standardleuchtdiode benötigt. Bei einfachen 5mm LEDs beträgt dieser Strom ca. 20mA. ChipLEDs, die in der Raumbeleuchtung und Taschenlampen Anwendung finden, benötigen Konstantstromquellen mit 350 oder 700mA. Hier sollte man ebenfalls nach den Daten fragen. 

Abstrahlungswinkel in ° (Grad)
LEDs strahlen das Licht durch einen winzig kleinen Halbleiter ab. Diese Lichtquelle wird durch die verschiedenen Kunststoffformen mehr oder weniger breit gerichtet oder fokussiert. Sehr helle LEDs haben oft nur einen geringen Abstrahlungswinkel von 15 oder 20°. Ein komplettes Rundumlicht hätte 360°. Deshalb werden gerne LED-Cluster verwendet. Kleine SMD LEDs werden auf Leiterplatten gelötet und in verschiedenen Winkeln kreisförmig angeordnet, so dass ein Rundumlicht-Effekt entsteht. Dadurch wird eine ähnliche Abstrahlung des Lichts wie bei Glühlampen erreicht.

Lichtstärke cd (Candela), Lichtstrom L (Lumen), Beleuchtungsstärke E (LUX)
Die Lichtstärke einzelner LEDs werden in Candela angegeben. 1 Candela entspricht dem Licht einer Kerze. Die 5mm Standard-LEDs haben mittlerweile Lichtstärken von bis zu 30 cd bei einem Winkel von 20°
Bei Leuchtmitteln wird die Einheit Lumen im Datenblatt angeben. Lumen ist die Einheit, die den Lichtstrom in Berücksichtigung der Helligkeitsempfindlichkeit beim menschlichen Auge darstellt.
Für Arbeitsplatz und Wohnraumbeleuchtungen ist die Beleuchtungsstärke E in Lux am wichtigsten. Diese lässt sich berechnen, indem man den Lichtstrom durch die Fläche teilt. Diese Einheit kann mit einem Luxmeter gemessen werden.

Richtwerte für Beleuchtungsstärken (Auszug aus DIN 5035 Teil 2)
100 Lux Lagerräume, Treppen, Verkehrswege in Gebäuden
200 Lux Lagerräume mit Leseaufgabe, Archive
300 Lux Büroarbeitsplätze ausschließl. in Fensternähe, Versand
500 Lux Datenverarbeitung, Kassenbereiche, Besprechungsräume
750 Lux Technisches Zeichnen
1000 Lux Farbprüfungen, Farbkontrollen, Warenprüfung



0,001 Lux Sternklarer Nachthimmel
0,25 Lux Mondlicht
10 Lux Straßenbeleuchtung
100 Lux Flurbeleuchtung
500 Lux Bürobeleuchtung
1.000 Lux Beleuchtung TV-Studio
10.000 Lux Operationssaal
10.000 Lux Im Schatten im Sommer
20.000 Lux Bedeckter Sommertag
100.000 Lux Heller Sonnentag
0,0001 Lux Bewölkter Nachthimmel ohne Fremdlichter

Reihen- und Parallelschaltung von Standard-Leuchtdioden


LEDs haben, wie bereits berichtet, eine sogenannte Vorwärtsspannung in Volt und einen bestimmten Strombedarf in Ampere. Man kann LEDs in Reihe  (wie man es z.B. von Weihnachtsbeleuchtungen kennt) oder parallel schalten.

Reihenschaltungen haben den Vorteil, dass mehrere Leuchtdioden mit einer höheren Spannung betrieben werden können und ein geringer Stromfluss notwendig ist. Der Nachteil: fällt eine LED aus, leuchtet die ganze Reihe nicht mehr. Der Stromfluss wird durch einen Widerstand begrenzt. Die Spannung muss höher sein, als das Produkt aus der Anzahl der LEDs und der Vorwärtsspannung der LED. Z.B. 3 x 2V = 6V.  Die Betriebsspannung muss demnach über 6V liegen.




Parallelschaltungen benötigen nur eine niedrige Spannung z.B. zwei Batterien 1,5V. Jedoch multipliziert sich die Stromaufnahme mit der Anzahl der LEDs. Das bedingt eine schnellere Entladung der Batterie, eventuell höhere Kabelquerschnitte und stärkere Netzteile. Bei einem Ausfall einer LED leuchten die anderen LEDs weiterhin. Die Betriebsspannung muss hier über der Vorwärtsspannung einer einzelnen LED liegen. Z.B bei 2V LEDs müssen über 2V anliegen. Die Stromaufnahme ist hier jedoch 3 x so hoch wie in der Reihenschaltung.
Die Leistungsaufnahme in Watt ist bei beiden Schaltungen identisch, wenn die Betriebsspannung genau angepasst ist. Leistung ist gleich dem Produkt aus Spannung und Strom.





Berechnung des Vorwiderstandes für folgendes Schaltungsbeispiel:     







Formel
(ohmsches Gesetz)


Beispiel:

Versorgungsspannung Uo = 4,5V aus einer Blockbatterie
Vorwärtsspannung der LED ULED= 3,6V
Benötigter Strom der LED  I=20mA oder 0,02A
R= (4,5V-3,6V) : 0,02A
R=  45 Ohm

Die Verlustleistung des Widerstandes errechnet sich folgendermaßen:

PVerlust = (Uo-ULED) * I
für unser Beispiel
PVerlust= (4,5V-3,6V) * 0,02A
PVerlust = 0,018W

Vorwiderstände für weiße, helle grüne und blaue LED mit 3,6V Vorwärtsspannung und 20mA Stomaufnahme:
bei 3 V Stromversorgung ist kein Widerstand notwendig
bei 5 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 75 Ohm benötigt
bei 6 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 120 Ohm benötigt
bei 9 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 270 Ohm benötigt
bei 12 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 470 Ohm benötigt
bei 19 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 820 Ohm benötigt
bei 24 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 1,1 kOhm benötigt

Vorwiderstände für rote, schwache grüne und gelbe LED mit 2V Vorwärtsspannung und 20mA Stomaufnahme:
bei 3 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 51 Ohm benötigt
bei 5 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 150 Ohm benötigt
bei 6 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 200 Ohm benötigt
bei 9 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 390 Ohm benötigt
bei 12 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 560 Ohm benötigt
bei 19 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 910 Ohm benötigt
bei 24 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 1,2 kOhm benötigt