Gartenlampen

Projekt-Idee

Das Ziel bei diesem Projekt ist es eine chillige RGB-Gartenbeleuchtung f├╝r die Terrasse zu bauen, die ├╝ber WLAN gesteuert wird. Bevor jetzt lange Erkl├Ąrungen folgen erst mal ein Bild des Endergebnis:

Gartenlampe im Schnee

Das Standrohr f├╝r die Lampen sind Edelstahlrohre, die von defekten Solargartenlampen ├╝brig geblieben sind. Der Ring oben besteht besteht aus zwei Teilen, die durch 3D-Druck herstellt worden sind. Der ├Ąu├čere schwarze Ring des Lampenschirms enth├Ąlt einen RGB-LEDStrip mit 22 WS2812 LEDs. Der innere Teil des Rings ist aus transparentem PLA gedruckt. Dieses Teil dient als Diffusor f├╝r das Licht und au├čerdem als Befestigung an dem Lampenrohr.

Die Elektronik

Die Farben mit der die WS2812-Leds leuchten k├Ânnen einzeln angesteuert werden. Dazu h├Ąngen die LEDs in einer sogenannten Daisy-Chain, d.h. das die Ansteuerdaten werden durch die LEDs durchgeschleift und jeweils an die n├Ąchste Leds weitergereicht. Einzelheiten zu der Ansteuerung der WS2812 kann man z.B. hier finden. Theoretisch soll man zwischen zwei Leds eine Entfernung von 5m ├╝berbr├╝cken k├Ânnen. Praktisch funktioniert das nach meiner Erfahrung aber nur selten richtig stabil.

Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, das insgesamt vier Lampen hintereinander an ein Kabel geh├Ąngt werden sollen. D.h. 22 Leds * max. 60mA * 4 ergibt einen maximalen Strom von ca. 5,28A bei 5V. Die Kabell├Ąnge soll dabei insgesamt bei etwas ├╝ber 12m liegen. Der Spannungsabfall auf dem langen Kabel w├╝rde dazu f├╝hren, dass die Betriebsspanung unter den 4,5V Bereich f├Ąllt und die Leds nicht mehr sicher funktionieren.

Die L├Âsung dieser beiden Probleme ist eine kleine Treiberplatine mit einem DC/DC-Konverter, der in jeder Lampe aus +24V lokal +5V erzeugt. Daf├╝r wird ein kleiner Traco TSR1-2450 eingesetzt, der maximal 1000mA Ausgangsstrom liefert. Der maximale Strom auf der Leitung reduziert sich dadurch fast um einen Faktor von 5. Au├čerdem erfolgt die Daten├╝bertragung zwischen den Lampen ├╝ber einen RS485-Treiber mit differenziellen Signalen, die sehr unempfindlich gegen├╝ber St├Ârungen sind. Der dort eingesetzte SN75LBC180 von TI wurde benutzt, weil der Receiverausgang dieses Bausteins CMOS-Pegel liefert. Die g├╝nstigere Version, die auch besser zu bekommen ist, der SN75ALS180, liefert nur TTL-Pegel, die bei den WS2812B eigentlich au├čerhalb des g├╝ltigen Pegelbereichs liegen.

Hier mal der Schaltplan und das Layout des Treiber:

Die Gr├Â├če der Platine ist so gew├Ąhlt, dass sie am Ende einfach in das Standrohr der Lampe untergebracht werden kann.

3D-Platinenansicht

Die Ansteuerung der Lampengruppe erfolgt per WLAN ├╝ber ein ESP8266-Modul (Nodemcu). Die Firmware daf├╝r ist mal nicht selbst gemacht, sondern es wird direkt das OpenSource-Projekt WLED genutzt. Dar├╝ber kann man diverse Farbmuster usw. einfach ├╝ber eine sch├Âne Weboberfl├Ąche ausw├Ąhlen. Au├čerdem gibt es eine Timersteuerung, Anbindung an MQTT-Broker & Homeassistant etc.

Verkabelung

Versorgt wird das ESP8266-Modul ebenfalls ├╝ber eine der Treiberplatinen mit +24V. Der halbe Treiberbaustein wird dabei als RS485-Umsetzer benutzt. Dieses Modul ist zusammen mit einem Netzteil in einem wasserdichten Kunststoffgeh├Ąuse untergebracht.

Die Mechanik und Zusammenbau

Die STL-Dateien f├╝r den 3D-Druck:

Diffusor monitiert

Die Stege in dem Diffusor zwischen dem Lampenschirm und dem Haltering sind hohl. Die Kabel zu den Ledstrip werden dort durch gef├╝hrt. Die L├Âcher in der Edelstahlrohr sollten hier f├╝r min. 5mm Durchmesser betragen. Bei der Bohrung f├╝r die Halteschraube ist ein Durchmesser von 3.5mm ausreichend.

Kabeldurchf├╝hrung

Die Kabel werden an den Ledstripe angel├Âtet bevor man sie in den Ring einklebt.

Au├čenring mit Ledstripe + Kabel

Au├čenring komplett

Ein bisschen kompliziert ist der Zusammenbau der beiden Lampenteile, weil beim Ausrichten der beiden Teil nicht gut erkennen kann, ob die Bohrungen f├╝r die Verschraubung an der richtigen Stelle sind. Au├čerdem muss dabei darauf geachtet werden, dass die Kabel nicht abgeklemmt werden. Als Schraube sind 15mm M3-Schrauben vorgesehen.

Die Kabel von dem LED-Streifen zu der Treiberplatine sollte man so lang lassen, dass die Treiberplatine ca. 8 cm oben aus den Standrohr herausgezogen werden kann. An der Treiberplatine werden die Kabel direkt an die Testpunkte angel├Âtet. Danach wird die R├╝ckseite der Platine und die L├Âtstellen mit Klebeband isoliert. Die Kabel zur Versorgung zwischen den Lampen werden von unten durch das Standrohr geschoben und dann ein Riacon-Steckverbinder angeschlossen. Mit diesem erfolgt dann der Anschluss an die Treiberplatine. Danach wird die Treiberplatine in das Standrohr zur├╝ckgeschoben und mit dem Deckel verschlossen.

Fertige Lampe

Erfahrungen

Die mit PLA gedruckten Lampenschirme halten der Witterung und dem UV-Licht schon ein paar Jahre stand. So wie die Lampe aufgebaut ist, gibt es auch keine Probleme mit eindringendem Wasser oder ├Ąhnlichem. Allerdings ist die Standfestigkeit der LEDs im Au├čeneinsatz nicht zufriedenstellend. In den Lampen sind LED-Strips, die mit einer Schutzschicht gegen Feuchtigkeit gesch├╝tzt sind, eingebaut. ├ťber den Winter funktionieren die Lampen problemlos, aber ab dem Fr├╝hjahr gehen immer einzelne LEDs in den Lampen kaputt. Ich wei├č nicht, ob es an der Temperatur, Feuchtigkeit in den LEDs oder der UV-Strahlung zusammenh├Ąngt. Die L├Âtstellen der LEDs sind nicht das Problem, sondern scheinbar direkt die Bonding-Dr├Ąhte in den LEDs. Viele der LEDs funktionieren wieder, wenn man von oben auf die LED-Geh├Ąuse dr├╝ckt. In einem Artikel von einem Elektronik-Fertiger habe ich mal gelesen, dass die WS2812 sehr empfindlich gegen├╝ber mechanischem Druck bei der Fertigung sind. Vielleicht war der LED-Stripe, den ich eingesetzt habe, vielleicht nur bereits vorgesch├Ądigt… Bei anderen Projekten mit WS2812-Strips gab es diese Probleme bisher nicht.