Aqaurien LED selbst bauen

Sicher einer der teuersten Punkte in der Meerwasseraquaristik ist die Lampe. Die meisten fertigen Aqauriensysteme sind bei den Lampen zu schwach ausgelegt und deshalb muss hier früher oder später eigentlich immer nachgerüstet werden.

Eine sehr gute Aquarien LED Lampe kann man recht einfach und relativ günstig selbst bauen. Dazu benötigt man folgende Elemente:

  • Ein Gehäuse mit Halterung
  • LEDs
  • Stromversorgung
  • Kabel
  • Steuerung

Hier werde ich die einzelnen Komponenten vorstellen.

Das Lampengehäuse

Es ist sehr schwer ein brauchbares leeres Lampengehäuse zu finden und so muss man wohl oder übel ein Gehäuse selbst entwerfen und bauen. Dies ist sicher einer der zeitintensivsten Schritte im Bau der Lampe, hier stelle ich meine passiv gekühlte Version vor, bei der alle Elemente einfach im Internet bestellt werden können.

Das Lampengehäuse und die Halterung sind aus 20×20 und 20×10 mm Aluprofilen zusammengebaut. Gehalten werden die Aludeckplatte und die Profile mit Aluwinkeln, welche durch Nutsteine Festgeschraubt sind.

Die Lampe selbst und die Halterung habe ich komplett aus Aluminium und Acrylglas hergestellt. Die LEDs und Steuerelektronik wurden dabei auf eine 5mm dicke Aluminiumplatte von 30x24cm aufgeklebt. Zum kleben verwendete ich Artic Silver Wärmeleitkleber der mit Arctic Silver Wärmeleitpaste im Verhältnis 2:1 gemischt wurde. Das Versetzen mit Wärmeleitpaste soll ein späteres ablösen der LEDs ermöglichen, sollte eine mal ausgetauscht werden müssen.

Die Deckenplatte wird durch Aluminium Vierkantprofile mit 20x20mm gehalten die über die gesamte Länge des Dennerle Nanocube 60L gehen. Die horizontalen Aluminiumprofile sind durch vier vertikale Aluminiumprofile in 20x10mm die jeweils 17cm lang sind auf den Rand des Nanocubes abgestützt. Damit die Aluminiumbein nicht vom Rand abrutschen sind sie in Alu H-Profile gesteckt die auf den Rand aufgesetzt sind. Dadurch steht die Lampe absolut fest, kann aber jederzeit einfach vom Aquarium abgenommen werden, ohne irgendwelche Klammern oder Schrauben zu lösen. Die Aluminiumbeine sind mit Winkeln an den Aluträgern der Lampe angeschraubt. Die Befestigung der Aluminiumplatte und Profile erfolgt mittels M5 Edelstahlschrauben und M5 Aluminiumnutsteinen der Größe Nut 5. Schließlich bildet ein 1mm dünnes Aluminiumblech die Rückseite der Lampe, durch die alle elektrischen Anschlüsse gehen. Eine 2mm Acrylglasplatte bildet die Lampenunterseite. Die Acrylglasplatte ist ebenfalls mit M5 Edelstahlschrauben an den Aluminiumprofilen befestigt und eine Silikonnaht dichtet die Lampe gegen Feuchtigkeit ab.

Die LED Lampe von unten. Ich habe die LEDs zuerst verkabelt und dann aufgeklebt, deshalb sieht das alles eher unordentlich auf aber als Prototyp ließ sich so besser mit der Verkabelung experimentieren. Empfehlen würde ich jedoch erst die LEDs aufkleben und dann löten, allerdings wird dann ein etwas leistungsstärkerer Lötkolben benötigt, da das Aluminium die Hitze schnell abführt und dann die Temperatur von schwächeren Lötkolben zu niedrig ist. Hier erkennt ihr auch die Besfestigung der Acrylscheibe mit Edelstahl Linsenkopfschrauben. Wie in der ganzen Lampe M5 mit Nutsteinen festgeschraubt. Ein nachträgliches Öffnen ist jederzeit möglich.

Diese Konstruktion ist sehr flexibel so lässt sich die Höhe der Lampe sehr schnell variieren und den Wünschen anpassen. Das Aluminium ist weich und einfach mit Hobbywerkzeug zu bearbeiten und leitet sehr gut Wärme. Die Lampe kann zu Wartungszwecken jederzeit wieder geöffnet werden, dies ist wichtig sollte doch mal eine LED getauscht werden müssen.

Die Lampe wird rein passiv gekühlt und erreicht mit 26 3W LEDs bei 75 % Helligkeit gerade mal 38 Grad bei ca 22 Grad Raumtemperatur. Wird die Aluminiumplatte an der die LEDs angeklebt sind durch einen Kühlkörper ersetzt so sollte die Temperatur noch niedriger liegen, selbst bei 100% Lichtabgabe. Jedoch sind die Kosten für einen so großen Kühlkörper sehr groß und es gibt so gut wie keine Standardkühler mit den Abmessungen wie sie für meine Lampe erforderlich sind. Alternativ kann auch eine aktive Kühlung benutzt werden dazu würden am besten mehrere kleinere Kühlkörper auf die Aluminiumplatte aufgeklebt und in der Mitte der Lampe eine Aussparung für 2 zu den Seiten offene Lüfter gelassen. Diese Kombination kann relativ günstig umgesetzt werden. Die Lüfter können dann über den RPi und PWM Steuerung je nach Lampentemperatur automatisch gesteuert werden.

Sollte sich die passive Kühlung im Sommer bei hohen Temperaturen als unzureichend herausstellen so werde ich die aktive Kühlvariante ausprobieren, im Moment seh ich hier aber keinen Handlungsbedarf und erfreue mich an meiner absolut lautlosen Lampe.

Eine Teileliste zum Bau des Gehäuses könnt ihr hier finden.

LEDs

Bei der Wahl der LEDs gibt es verschiedene Faktoren. Da die Lampe mit der größte Stromverbraucher ist, sollte hier auf gute Lichtausbeute bei geringem Stromverbrauch geachtet werden. Ich habe mich für Cree High Power LEDs der XT-E und XP Serie entschieden, da diese bei einem Strom von 700 mA eine sehr hohe Lichteffizienze aufweisen und man so trotzdem nur eine annehmbare Anzahl von LEDs benötigt. Für die Farben Grün und Rot habe ich auf günstigere Osram 3W LEDs zurückgegriffen, bei diesen Farben benötigt man nur wenige LEDs und diese werden auch nur bei geringen Intensitäten betrieben, so das ich mit einer günstigeren LED zufrieden bin.

Die Cree LEDs sind leider relativ teuer doch kann man im Internet manchmal günstige Aktionspreise finden wo nur 50% der regulären Kosten anfallen, allerdings erfordert dies etwas Zeit und Suchen.

Die Anzahl und Anordnung der LEDs richtet sich natürlich nach der Beckengröße und Geometrie sowie dem geplanten Riffaufbau. Für Nanowürfel wie meinem 60L Becken kann ich die sehr gleichmäßige Ausleuchtung meiner LED Lampe empfehlen. Für alle anderen Becken könnt ihr gerne mein kostenloses Phythonprogramm aqua-light herunterladen. Das Programm berechnet euch die Lichtintensitätsverteilung eurer Lampe für beliebige Wassertiefen und Beckengeometrien und stellt sie grafisch da. Dies ist ein sehr nützliches Tool falls ihr ein großes Becken plant und möglichst effektiv beleuchten wollt. Dadurch könnt ihr z.B. verschieden beleuchtete Bereiche im Riff planen und spart so LEDs gegenüber einer gleichmäßigen Beleuchtung.

Meine LED Lampe besteht aus 10 Royal-Blue Cree XT-E LEDs, 11 Cold-White Cree XP-E LEDs, 3 Green Osram und 2 Red Osram LEDs.

Stromversorgung

LEDs werden normalerweise in Reihe geschaltet und am besten mit einer Konstantstromquelle betrieben. Diese Schaltung hat den Vorteil das sollte eine LED ausfallen die anderen keinen Schaden nehmen.

Die LEDs in meiner Lampe werden über zwei 700 mA Konstantstromquellen (KSQ) mit jeweils drei unabhängig über PWM steuerbaren Kanäle mit Strom versorgt. Jede KSQ wird mit ungefährlichen 24V von einem Meanwell Netzteil mit 120W versorgt.

Die eingebaute Konstantstromquelle, welche jeweils 3 LED-Kanäle mit 700mA versorgt (weiße Kabel links). Jeder Kanal hat seine eigene PWM Steuerung (dünne Kabel rechts), welche die Helligkeit des Kanals mittels des RPi steuert.

Die KSQ versorgen dabei maximal 7 LEDs. Da ich nicht nur jede Farbe (weiß, blau, grün,rot) einzeln steuern wollte sondern auch noch ein Mondlichtkanal aus vier zentral gruppierten blauen LEDs haben wollte, war das Verkabeln der LEDs etwas komplizierter. Am Ende habe ich zwei weiße LED Kanäle und zwei blaue LED Kanäle und jeweils einen grünen und roten Kanal die ich getrennt ansteuern kann. Dies ermöglicht mir die Lichtfarbe individuell anzupassen und auch Sonnenauf- und Sonnenuntergang bzw. jahreszeitliche Schwankungen (in den Tropen wo die Korallenriffe in der Natur vorkommen sind diese sehr klein) zu simulieren. Der größte Vorteil ist jedoch das ein Blaukanal als Mondlicht geregelt werden kann.

Die Stromversorgung ist reichlich dimensioniert, was aber grundsätzlich zu empfehlen ist, muss man doch neben den 78 Watt LED Leistung auch die Verlustleistung der KSQ und des Netzteils sowie der Kabel berücksichtigen. Hier bin ich lieber auf der sicheren Seite, zumal die Herstellerangaben auch mal etwas abweichen können von den real erreichbaren Werten. Der Kostenunterschied bei den Netzteilen ist sowieso relativ klein und so schadet eine etwas großzügigere Dimensionierung nicht.

Kabel

Neben dem Stromversorgungskabel (Kaltgerätestecker ) des Meanwell Netzteils, benötigt man für die PWM-Steuerung noch ein geschirmtes 6-adriges Signalkabel, wie es bei Signalleitungen oder Mikrofonen Verwendung findet und in den Elektronikhandel angeboten wird.

Die Rückwand der Lampe aus 1mm Alublech mit der Stromversorgung (Mitte), PWM-Stererung (rechts) und der Temperaturauslese (links). Hier würde ich bessere Buchsen verbauen allerdings ist es nicht einfach diese zu finden, deshalb ist es bisher bei diesem Provisorium geblieben, funktioniert auch gut.

Die LEDs jeden Kanals werden mittels eines 1 mm^2 Kabel  miteinander in Reihe geschaltet. Ansonsten benötigt man noch ein paar Kabelstücke um die KSQ mit 24V zu versorgen und die entsprechenden Stecker und Buchsen um die Signale und den Strom an die Lampe anzuschließen. Hierfür bieten sich 4-polige DIN Buchsen für die Stromversorgung und  6- und 8-polige mini-DIN Buchen und Stecker für PWM Steuerung und Temperatursensoren an. Die Mini-Din Buchsen können auch sehr gut auf der kleinen Prototype-area des RPi PWM-HATs untergbracht werden, besonders wenn ein offenes Gebhäuse für den RPi verwendet wird.

Steuerung

Natürlich möchte man eine automatische Steuerung der Lampe die nicht nur Tag- und Mondphasen regelt sondern auch jederzeit und von überall mittels eines Webbrowsers überprüft werden bzw. geändert werden kann. Das lässt sich sehr preiswert mit einem Rhaspberry Pi realisieren. Dieser muss noch mit einem sogenannten PWM-HAT ausgestattet werden und schon regelt er mit Hilfe eines Python-scripts die Lampenintensität nach den eigenen Wünschen ganz automatisch und mittels Webinterface kann man überall nachschauen was gerade mit dem Aquarium passiert, Lichtintensität checken, Temperatur der Lampe und des Beckens prüfen und bei Bedarf natürlich auch das Beleuchtungsprogramm anpassen.

Der RPi ist nicht nur Lampensteuerung sondern kann auch viele andere Funktionen des Aquariums regeln und überwachen. So kann man beruhigt in Urlaub fahren und jederzeit über einen beliebigen Browser schauen ob alles noch in Ordnung ist. Sollte doch mal etwas passieren so können die Kontrollalgorithmen eingreifen und bei zu hoher Temperatur, die Heizung abschalten und Lüfter oder andere Kühlaggregate einschalten oder die Beleuchtung verringern. Auch lassen sich Balling-Lösungen genau durch den RPi dosieren und auch Wasserwechsel automatisieren. Die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt und die 60 Euro für Pi und PWM-HAT sehr gut investiert.

 

2 Comments

  1. Hollo Tobias,
    wie immer ein sehr schöner informativer Beitrag!
    Kannst Du mir für das Technikbecken eine Teileliste zukommen lassen?
    Und was steuerst Du alles über den RPI? Bin versuche auch grade einiges mit RPI zu steuern, bin da aber noch ein Frischling 🙂
    Bis jetzt steuere ich nur die Temperatur und das Licht.

    LG Andy

    1. Hallo Andy,

      Das Technikbecken ist ein 30x20x20 cm Aquarium, bekommst du eigentlich in jedem Aquariengeschäft oder in den Tierabteilungen der Baumärkte. Ansonsten habe ich die Glasscheiben über ebay gekauft, bei einem lokalen Glaser ist es sicher billiger, bei ebay kommen recht hohe Versandkosten hinzu. Die 2 Glasscheiben klebst du mit Aquariensilikon zusammen, hier brauchst du nicht viel, vielleicht 50 ml.
      Rückförderpumpe ist eine Tunze Silence 1073.008, die leider nicht ganz so leise wie der Name ist. Ansonsten habe ich noch einen Resun 300 Abschäumer, den würde ich aber nur bedingt empfehlen.
      Derzeit steuer ich mit dem RPi Licht, Temperatur und die Power zu allen Pumpen, den Heizstab, den Abschäumer und meinem Multireaktor. Auch die Strömungspumpe läst sich vom RPi steuern. Ich werde sobald alles fertig getestet und noch einige Zeit gelaufen ist dazu einen Artikel schreiben. Allerdings ist die Steuerung von 220V gefährlich, hier muss jeder wissen was er tut, deshalb werd ich dafür wahrscheinlich keine detaillierte Anleitung online stellen.

      LG Tobias

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