Infinity-Mirror-LED-Deckenlampe mit Fernbedienung

Als ich meine Wohnung bezog störten mich von Anfang an die schlechten Energiesparlampen die mein Vermieter default-mäßig installiert hatte. Diese wurden einfach nicht richtig hell und selbst für das Nicht-Richtig-Hell-Werden brauchten sie mehrere Minuten. Mir war schnell klar, dass ich dieses Problem angehen musste und das ich einen Lötkolben brauchen würde. Denn ich wollte etwas Individuelles und zwar mit LEDs. Die sind sparsam, extrem langlebig und werden sofort hell wenn man sie anschaltet. Zudem kann man sie über Pulsweitenmodulation einfach dimmen. Diese Eigenschaften treffen jedoch in erster Line auf kleine LEDs zu, die weniger Leistung haben. Extreme Hochleistungs-LEDs sind weniger effizient und sie werden zudem sehr heiß, was ihre Lebensdauer herabsetzt. Aber ich wollte sowiso keine einzelnen superhellen Strahler sondern ein möglichst gleichmäßiges Licht, wofür sich LED-Streifen sehr gut eignen. Also besorgte ich mir ein paar Meter warmweiße LED-Streifen von Pollin und war schon beim ersten Test positiv überrascht. Als ich den ausgerollten Streifen an mein Labornetzgerät anschloss wurde meine Wohnung sofort angenehm hell während das Netzteil einen Energieverbrauch von 20 Watt anzeigte. Das schlug die fünf 9-Watt Energiesparlampen um Längen, die mit ihren kombinierten 45 Watt nur ein recht trübes Licht erzeugten.

Der Nachteil von LED-Streifen ist, dass sie für sich genommen recht hässlich sind und sie sich daher am besten für indirekte Beleuchtung eignen. Wenn sie hinter einem Sofa, Bett oder Schrank hervor strahlen sieht man sie ja selbst nicht. Aber bei einer Deckenlampe hat man da ein Problem, denn an der Decke ist üblicherweise nichts hinter dem man sie Verstecken kann. Also muss man etwas finden was man an die Decke hängen kann und das eine gewisse Fläche hat. Für mich war recht schnell klar, dass das die Gelegenheit war endlich einen richtigen Infinity-Mirror zu bauen. Ich habe so etwas einmal als Jungendlicher aus einer Weihnachtslichterkette, Sperrholz und viel Panzertape gebaut aber meine ästhetischen Ansprüchen haben sich seit dem weiter entwickelt.

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Bei einem Infinty-Mirror befindet sich eine Lichtquelle zwischen zwei Spiegeln, so dass ihr Licht immer hin und her geworfen wird. Einer der beiden Spiegel ist halb durchlässig, so das durch ihn immer etwas Licht nach außen dringen kann. Wer von außen auf den Halbdurchlässigen Spiegel schaut sieht dann die Lichtquelle nicht nur einmal sondern auch unzählige Refelktionen, die in immer weiterer Ferne zu sein scheinen. Der Spiegel täuscht somit eine faszinierende Tiefe vor, die er eigentlich gar nicht haben kann. Am besten sieht man den Effekt in Videos - und YouTube ist voll mit Videos von Infinity-Mirrors. Mein LED-Mirror sollte bunt werden daher beschloss ich als Lichtquelle RGB-LED-Streifen zu nehmen die ich zwischen den Spiegeln verlegt werden sollte. Diese gibt es günstig in der Bucht und sie kommen zumeist zusammen mit einem RGB-Controller der verschiedene Farbprogramme beinhaltet. Allerdings haben diese RGB-LED-Controller üblicherweise nur 3 Kanäle und ich wollte ja auch noch einen weißen LED-Streifen für die eigentliche Raumbeleuchtung. Und diese sollte natürlich auch gedimmt werden können. Also war schnell klar, dass ich einen eigenen 4-Kanal-LED-Kontroller entwickeln musste, der pro Kanal mehrere Meter LED-Streifen ansteuern kann.

Entwicklung des LED-Controllers

Eine LED mit einem Mikrokontroller anzusteuern ist eine verhältnismäßig leichte Übung, weshalb der Schaltplan auch recht übersichtlich ist. Die LED-Streifen selbst werden mit 12 Volt versorgt. Ein einfacher Linearregler macht daraus 5 Volt zur Versorgung eines kleinen Mikrocontrollers. Hier konnte mit dem 8-pinnigen ATtiny 45 einer der kleinsten und billigsten AVR-Mikrocontroller gewählt werden. Der ATtiny 45, den ich bei Reichelt bestellt habe hatte wieder erwarten kein Typisches SO8-Gehäuse, sondern eines, das ein wenig breiter war. Zum Glück ließ er sich trotzdem auf die selbst geätzte Platine löten - dennoch halte ich diese kleine Fallgrube für erwähnenswert. Mittels MOSFETs kann der Mikrocontroller jeden der 4 LED-Streifen einzeln nach Masse schalten und somit zum Leuchten bringen. Über eine Software-PWM die mit ca. 100 Herz läuft kann jeder Kanal unabhängig in 256 Stufen gedimmmt werden. Es gibt bereits im kleinen SOT23-Gehäuse MOSFETs, die dauerhaft über 5 Ampere Strom leiten können und Spannungen bis 20 Volt aushalten. Mit diesen konnte die ganze Schaltung sehr klein gestaltet werden. Schon die Randstecker, die ich gerne als Programmierschnittstelle einsetzte - weil sie kein zusätzliches Bauteil oder gar Bohrungen benötigen - machen etwa ein Viertel der nur 37 mm langen Platine aus.

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Die Fernbedienung

Weit weniger trivial als die Ansteuerung von LEDs ist die Auswertung einer Fernbedienung. Jedoch konnte ich hier auf die Software des IRMP-Projekts zurückgreifen. Und ich habe selten eine Softwarebibliothek gesehen, die sich derart reibungslos einbinden und in Betrieb nehmen lässt. Man schließt einen IR-Empfänger gemäß Datenblatt an einen Pin des Mikrocontrollers an, teilt der Bibliothek in einer Konfigurationsdatei mit welcher Pin das ist und welche gängigen Fernbedienungsprotokolle man auswerten möchte und schon funktioniert alles Einwandfrei. Man muss lediglich noch dafür sorgen, dass die Hauptroutine der Bibliothek zyklisch aufgerufen wird, aber dafür konnte ich sogar den selben Hardware-Timer verwenden der auch die PWM der LEDs steuert.

BILD-FEHLT Allerdings musste ich zunächst heraus finden was für einen IR-Empfänger ich kaufen musste, denn diese gibt es auf unterschiedliche Trägerfrequenzen abgestimmt. Ich wollte zwar nicht den LED-Controller verwenden der mir zusammen mit dem RGB-LED-Streifen geliefert wurde, wohl aber die beiliegende Fernbedienung. Ich musste also die Trägerfrequenz der Fernbedienung ermitteln. Dafür hatte ich zum Glück einen Photosensor, den ich mal im Rahmen von ProjektARES zum Vermessen von Laserpulsen gebaut habe und den ich seit dem immer mal wieder benutze. Das Gerät besteht lediglich aus einem Batteriehalter, einem Fototransistor und einem Widersatand. Mit dem Oszilloskop kann man die Spannung an dem Widerstand messen, welche direkt mit dem Lichteinfall auf den Fototransistor zusammenhängt. Schließt man den Sensor an das Oszi und strahlt dann mit der Fernbedienung darauf, kann man deutlich die Signale erkennen die von der Fernbedienung erzeugt werden. Man sieht auch, dass das Licht der Fernbedienung nicht einfach an und aus geht, sondern sich Phasen in denen das Signal oszilliert mit Phasen in denen kein Signal anliegt abwechseln. Das Oszillierende Signal nennt man Trägersignal und seine Frequenz daher Trägerfrequenz. Der Vorteil eines Trägersignals ist, dass man dadurch erheblich unempfindlicher gegen Fremdlicht wird. Denn der Empfänger kann so alle Signale die nicht der Trägerfrequenz entsprechen herausfiltern. Dies macht auch klar, warum man den Passenden Empfänger zur Fernbedienung kaufen sollte. Ein kurze Vermessung des Signals mit dem Oszi ergab eine Trägerfrequenz von 38 kHz - welche sehr verbreitet ist.

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Nun mussten nur noch das genaue Protokoll der Fernbedienung, sowie die Tastencodes ermittelt werden. Dafür wurde die IRMP-Bibliothek auf einem Mikrocontroller mit USB-Anschluss, den ich häufig für Test verwende, installiert und ein kleines Programm geschrieben, das die erkannten Tastencodes via USB an den PC sendet. Praktischerweise erkennt die IRMP-Bibliothek selbständig welches Protokoll sie empfängt. Die Tastencodes wurden notiert und konnten dann im LED-Controller mit Funktionen verknüpft werden. Das war in erster Linie eine spaßige Fleißarbeit. Es wurden verschiedene Farben, Farbverläufe und Blinkmuster implementiert. Zudem wurde programmiert, dass der Controller das Zimmerlicht beim Einschalten nicht sofort ganz anmacht, sondern in einem Zeitraum von ca. 1 Sekunde sanft hochfaded. Dabei wurde mittels einer kleinen Wertetabelle auch eine Gammakorrektur vorgenommen, denn doppelt so viel Licht erscheint dem Menschlichen Auge nicht als doppelt so hell.

Der mechanische Aufbau

Eine funktionierende Elektronik zu bauen ist eine Sache, ein ansprechend aussehendes Möbelstück herzustellen eine andere. Da letzteres weniger mein Fachgebiet ist, habe ich nach einer Möglichkeit gesucht, möglichst wenig selbst bauen zu müssen. Ich fand diese Möglichkeit in Form des Spiegels STAVE von IKEA. STAVE ist ein quadratischer Spiegel mit 70 cm Kantenlänge und einem 5 cm dicken Rahmen. Der Rahmen ist dick genug um STAVE in einen Doppelspiegel mit Lichtern zu verwandeln. Der Umbau ist auf dem unteren Bild beschrieben. Zunächst muss der Spiegel, der im Auslieferungszustand mit dem Rahmen verklebt ist, von diesem gelöst werden. IKEA hat mit dem Heißkleber nicht gespart und man muss sehr vorsichtig sein. Einem Freund, der die Projektidee von mir geklaut übernommen hat, ist ein Spiegel dabei zerbrochen. Ich habe für die Prozedur ca. eine Stunde gebraucht. Für den halb durchlässigen Spiegel habe ich mir eine 4 mm dicke Plexiglasplatte zuschneiden lassen, die ich mit einer halb durchlässigen Spiegelfolie beklebt habe. Leider ist mir das nicht ganz faltenfrei gelungen, was leichten Punktabzug in der Endwertung bedeute. Ich vermute, dass sich eine echte Glasplatte besser bekleben lässt, aber da der Spiegel an die Decke sollte, wollte ich ihn so leicht wie möglich machen.

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Der halb durchlässige Spigel wird zuerst in den Rahmen gelegt, so dass er später die Außenseite darstellt. Dann habe ich einen Rahmen aus 10 mm x 5 mm Holzleisten gebaut der genau in den IKEA-Rahmen passte. Auf diesem wurden die RGB-LED-Streifen festgeklebt. Da ich die Leisten vorher schwarz bemalt habe, damit sie von außen nicht zu sehen sind, sind sie auf dem rechten Bild auch nur schwer zu erkennen. Dann wurde der Rahmen auf die Plexiglasplatte gelegt. Obendrauf kam dann die IKEA-Spiegelplatte. Zum Schluss wurden Reste von den Holzleisten an den Rahmen angeschraubt, um den ganzen Stapel zu fixieren. Weder die beiden Spiegel noch die LED-Leisten sind mit dem Rahmen verschraubt oder verklebt. Die ganze Konstruktion ist formschlüssig und wird nur durch die angeschraubten Leisten fixiert. Das hat sich während der Konstruktion als sehr vorteilhaft erwiesen, denn ich musste das Ganze mehrfach wieder auseinander bauen. Sei es um die Spiegel noch einmal zu putzen oder um ein abgerissenes Kabel wieder an die LED-Streifen zu kleben. Jetzt fehlten nur noch die weißen LED-Streifen. Diese wurden auf weiße Kunststoff-Profilleisten aus dem Baumarkt aufgeklebt, welche wiederum auf die Rückseite des IKEA-Rahmens geklebt wurden. BILD-FEHLT Die LED-Streifen wurden mit der Elektronik verbunden und diese wiederum mit einem 5-A-Schaltnetzteil, welches, ebenso wie die Fernbedienung zu den RGB-LED-Streifen mitgeliefert wurde. Die Elektronik wurde so angebracht, dass der IR-Empfänger an einer Seite etwas über den Rand heraus ragte. Das Netzteil wurde mit Lüsterklemmen direkt mit dem Deckenlicht verbunden, so dass man über den Lichtschalter Ein- und Ausschalten konnte.

Zum Schluss musste der Spiegel an der Decke befestigt werden, was kein allzu leichtes Unterfangen war. Denn er sollte möglichst flach anliegen und keine störenden Befestigungen sollten zu sehen sein. Da ich inzwischen den Videoprojektor meines Heimkinos neben dem Platz für den Spiegel befestigt hatte, musste dieser auf jeden Fall so flach an die Decke, dass der Beamer darunter durch strahlen konnte. Dafür habe ich in den Rahmen des Spiegels Metallprofile geschraubt die als Ösen dienten und ebenfalls Ösen in die Decke geschraubt. Dann wollte ich die gegenüberliegenden Ösen mit massiven Kabelbindern verbinden, welche ich Stück für Stück enger ziehen konnte, bis der Spiegel flach an der Decke anlag. Das Problem war nur, die Kabelbinder überhaupt durch die Ösen zu bekommen. Denn diese sind nicht sehr lang, so dass ich den Spiegel bis ca. 10 cm unter die Decke manövrieren musste bevor ich die Kabelbinder durchziehen konnte. Es mussten auch alle Kabelbinder geschlossen sein, bevor ich sie belasten konnte denn einem einzelnen Kabelbinder wollte ich den Spiegel nicht anvertrauen. Da es - wie üblich wenn ein Projekt kurz vor der Vollendung steht - mitten in der Nacht war, hatte ich auch niemanden der mir helfen konnte zur Verfügung. Also habe ich aus allem was im Haushalt zu finden war, vom Bohrmaschinentisch bis zum Schuhschrank einen Turm gebaut, der hoch genug war, dass ich den Spiegel darauf knapp unter der Decke postieren konnte. Dann war der Spiegel schnell angebracht und das Projekt abgeschlossen.

Downloads

RGBA-LED.zip Quellcode, AVR-Studio-6 Projekt, hex-File, Target3001-Datei (Platine + Schaltplan) (76 kB)

© 2014 - 2017 Philipp Meißner