Schreibtischbeleuchtung mit LED

DIY-Projekt: LED-Streifen mit ESP8266 und MOSFETs für individuelle Schreibtischbeleuchtung

Für die Beleuchtung des Schreibtisches gibt es auf der linken Seite einen Platz für eine Schreibtischlampe. Zusätzlich ist im Schreibtisch unsichtbar eine Leuchte in der Ablage integriert. Dazu ist unter dem Vorsprung eine Nut eingefräst, um darin einen LED-Streifen zu versenken.

Zur Steuerung des LED-Streifens dient ein Mikrokontroller, ähnlich eines Arduinos: ein ESP8266 bzw. Node MCU. Ein ESP8266 ist ein 32-Bit Mikrokontoller, der zusätzlich über ein WLAN-Shield verfügt. Dadurch kann man später leicht Befehle an den Mikrokontroller schicken, z.B: über eine App oder über eine einfache Website, welche direkt auf dem Mikrokontroller läuft. Bei den LED-Streifen handelt es sich um einen RGBW-Aufbau. D.h. pro Lämpchen gibt es 4 LEDs, eines für Rot, Grün, Blau und Weiß. So kann man jede beliebige Farbe einstellen. Um ein sattes Weiß zu erhalten, gibt es zusätzlich die weiße LED. Im Gegensatz zu WLED kann man aber nicht jede einzelne LED einzeln steuern, jedoch lag hier nicht die Priorität. Wichtiger war eine entsprechend hohe Lichtstärke, da das Ganze auf dem Schreibtisch als zusätzliche Beleuchtung fungieren soll. Die Steuerung der einzelnen Farben wird ein PWM-Signal verwendet. Bei dieser Modulationsart liegt abwechselnd eine Spannung bzw. keine Spannung an einem Pin des ESP8266 an. Die Frequenz liegt über den 50 Herz, sodass für das Auge kein Flackern sichtbar ist.

Um eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erhalten, wird der Streifen nicht mit 3,3 oder 5 Volt, sondern mit 12 Volt betrieben. Trotz der, im Gegensatz zum ESP8266, höheren Spannung können Ströme von einigen Ampere fließen. Ströme über einem Ampere würde der ESP8266 nur für kurze Zeit, aber nicht auf Dauer überleben und durchbrennen. Deshalb braucht man einen Schalter mit folgenden Anforderungen

Steuerbar über den ESP8266 bzw. 5V
Schaltfrequenzen jenseits Frequenz von mehr als 50Hz ohne Durchbrennen
Auslegung auf mehrere Ampere auf Dauer

In diesem Fall wurde für diese Aufgabe ein MOSFET verwendet, konkret ein NPN bzw. N-Channel MOSFET IRLB8721, welcher bis zu 16 Ampere dauerhaft verträgt. Da auf dem RGBW-Streifen 4 Kanäle, für jede Farbe einen, sind, braucht man 4 MOSFETs. Auf das erste Bein, dem Gate kommt das Signal. Auf das Zweite, dem Drain, der Ausgang in Richtung LED-Streifen und das dritte Bein auf der rechten Seite ist Source und wird mit Masse bzw. Ground verbunden.

Als Netzteil verwende dient ein altes, was noch in der Kiste lag. Dadurch stehen direkt 12V bereit und muss sich nicht mehr um den 230V Teil kümmern. Jedoch benötigt der ESP8266 3,3V oder 5V und keine 12V. Daher braucht man einen Spannungsregler. Mit einem 7805ACT, 2 Kondensatoren und einer Diode lässt sich der schnell zusammenbauen. Über den 7805 wird die meiste Energie „verbraten“. Später wurde deshalb der 7805 noch mit einem kleinen Kühlkörper ausgestattet. Über die vorgeschaltete Diode kann die Spannung über weitere ca. 0,6V abgesenkt werden, was den 7805 schont. Damit die Spannung weiterhin möglichst glatt ist, sind noch zwei Tantal-Kondensatoren verbaut. Es empfiehlt sich gleich mehrere Kondensatoren bestellt. Achtet man beim Einbau nicht sauber auf die Polung, führt das zu Rauchzeichen und einem Kondensator, der den Dienst verweigert.

Um Alles zu Testen lohnt sich der Probeaufbau auf einem Steckboard. Nach einer Funktionsprüfung kann man es dann ohne Probleme auf einer Lochrasterplatine übertragen. Nach dem Aufbau geht es an die Programmierung. Dazu gibt es dann einen zweiten Artikel.