bühnentaugliche LED-Sticks mit WLED-Controller

10.03.2024 erstellt
11.03.2024 editiert

The WLED-Project

Kürzlich, also irgendwann in der zweiten Hälfte von 2023 stieß ich durch Zufall auf das WLED-Project: https://kno.wled.ge/

Damit fing mein Hirn wieder an zu rattern.....

Denn der größte Aufwand bei so einem Projekt ist nicht die Idee und der Aufbau, sondern der kreative Part, also das Erstellen von Lichteffekten, die möglichst abwechslungsreich sein sollen und dann auch noch gut aussehen. Und genau hier kommt WLED ins Spiel. Alle wesentlichen technischen Funktionen sind bereits fertig implementiert und die Effekte sind zahlreich und jeder einzelne ist im Design und den Farben einzeln anpassbar.

das Lastenheft - die Wunschfeatures

Ausgehend von den kommerziell erhältlichen Geräten sind für mich folgende Features essenziell:

• viele LEDs, mehr als die 16 beim Original (!)
• Akku-Betrieb über 6, besser 8...10 Stunden
• Akku wechselbar
• DMX-steuerbar per Software
• alternativ per App steuerbar, wenn keine weitere Lichtsteuerung vorgesehen ist oder nur einfarbige Ambientebeleuchtung gewünscht wird

von der Idee zum ersten Prototyp

Technikauswahl

Als Controller kam für mich nur ein ESP32 in Frage. Der ist ausreichend schnell, kommt mit eigenem WLAN-Modul und - am wichtigsten - liegt noch in meiner Schublade. Übrig vom letzten Projekt - einer Füllstandsanzeige für einen Gartenteich mit Ultraschallsensor und Einbindung in Homeassistant via MQTT und Diagramm-Anzeige. Veröffentliche ich sicher auch irgendwann mal. Aber zurück zum Thema!

Für die LED-Streifen kommen verschiedene In Frage. Meine Wahl fiel auf ein Modell mit 96 Stk. WS2812B LEDs pro Meter (480 LEDs). Wird der 5m-Streifen durch 4 geteilt, ergeben sich genau 120 LEDs auf eine Stripe-Länge von 125 cm. Und 5V für die LEDs ist ideal, da das auch für den Controller benötigt wird.So reicht ein DC Step-Down-Wandler und es wird kein weiterer für 12V o.ä. benötigt. Weniger Wandler-Verluste.

Zur Kühlung sollte ein Alu-Profil zum Einsatz kommen, welches ggf. auch zwei Stripes beidseitig aufnehmen kann. Idee für den Profilquerschnitt 15 x 3 mm, das passt gut auch noch in ein 25mm-Rohr (ID = 19 oder 21mm). In ein 30mm-Rohr mit ID = 24mm sowieso.

Falls bei einseitiger Stromeinspeisung ein Helligkeitsunterschied zwischen Anfang und Ende sichtbar sein würde, könnte man ja die [+]-Leitung am einen Ende und die Masse am anderen Ende einspeisen und das Alu-Profil selbst als Rückleiter benutzen, um keine Leitung durch das Plexiglasrohr legen zu müssen. Bei ersten Tests mit 3A Strombegrenzung war aber kein Problem mit dem Spannungsabfall erkennbar.

erster Test

Für einen ersten Test der WLED-Firmware kam ein LED-Ring zum Einsatz. Den hatte ich noch vom Fotobox-Projekt übrig - das folgt hier sicher auch noch.

Also los. ESP32 mit dem Recher verbunden und WLED direkt aufgespielt. Da ich von Tasmota (Umbau WLAN-Schaltsteckdosen, hier) noch wusste, dass USB-Zugriff von Webseiten aus nur mit dem Chrome-Browser geht, habe ich es mit meinem Firefox gar nicht erst ausprobiert.

Also https://install.wled.me/ aufgerufen und den ESP32 bespielt. Da die Programmierer mitgedacht haben, ist der Zugriff auf den ESP sehr einfach. Solange der Controller das gewünschte WLAN-Netz noch nicht kennt (oder gerade nicht erreichen kann), wird ein eigener WLAN Hotspot geöffnet und man kann sich direkt anmelden und mit 192.168.4.1 verbinden. Das macht den Zugriff auch "unterwegs" per Handy sehr einfach. Der ESP32 stellt nun eine eigene Webseite bereit, über welche zuerst einmal die Grundkonfiguration eingestellt wird.

Also Anzahl und Typ der LEDs, maximale Stromstärke )*, WLAN Zugangsdaten usw. Zusätzlich wird unter LED... direkt angezeigt, wo man die Steuerleitung des LED-Stripes anschließen soll.

Nachdem der ESP32 auf seinem Testboard nun mit dem LED-Ring verbunden und die Stromversorgung für die LEDs hergestellt waren, zog ich das USB-Kabel vom Rechner ab und steckte es in eine Powerbank. Von Anfang an also Akkubetrieb!

Und siehe da, am Rechner konnte ich die Oberfläche direkt erreichen und bereits einige Effekte laufen lassen. Auch Presets habe ich gleich eingestellt und gespeichert. Ja, auch die Presets landen im Gerätespeicher (Flash) des ESP und stehen auch nach einem Neustart wieder zur Verfügung. 

Jetzt noch die Android-App heruntergeladen und getestet - auch sie findet das Device sofort und ein Klick darauf bringt uns auf die Geräteoberfläche. Genau, wie man sie schon vom Desktop kennt. Nur halt an das kleinere Smartphone-Display angepasst.

zweiter Test / Berechnungen

Nach dem nun die LED-Streifen sowie ein paar 3A-5V Abwärtswandler bestellt und geliefert waren, konnten weitere Tests und Messungen erfolgen.

Am meisten interessierte mich, wie effektiv der Abwärtswandler tatsächlich arbeitet. Also habe ich den Streifen mit 120 LEDs einmal über ein Labornetzgerät mit 5V betrieben und einmal mit 12V über einen der LM2596S DC-DC Converter. Zu dem Zeitpunkt wollte ich noch 12V-Akkus oder Akku-Packs (Li-Zellen 18650, 3S4P, 11,1V) einsetzen. Die Stromanzeige am Labornetzgerät ergab Wandlerverluste in Höhe von ca. 20%. Das deckt sich mit der Angabe im Datenblatt, wo bei 12V -> 5V und 3A ziemlich exakt 80% Wirkungsgrad angegeben sind.

Der Stripe wird angegeben mit 19,8W (!) pro Meter. Das ergibt pro LED ca. 0,21W bei 5V, also 42 mA - wenn alle 3 Farben mit 100% leuchten. Vereinfacht also etwa 14mA pro LED und Farbe. Stimmt zwar nicht ganz, aber damit lässt sich im Weiteren aber ganz gut rechnen.

Um eine sinnvolle Akku-Laufzeit zu erreichen, nutzte ich sie softwareseitige Strombegrenzung bei 3000mA. Diese Funktion von WLED berechnet live den theoretischen Stromverbrauch und regelt bei Überschreitung adaptiv herunter. Das heißt, wenn die Begrenzung auf 3A eingestellt ist, steht jeder LED etwa 25mA zur Verfügung. Bei zwei Farben (z. Bsp. rot+blau) kommt man mit 2 x 14mA = 28 mA schon knapp über diesen Maximalwert. Hier sieht man noch keine Verringerung der Helligkeit, wenn WLED den Maximalwert von 100% rot und 100% blau auf jeweils 89% herunterdreht.

Stellt man aber alle LEDs auf 100% weiß (rot, grün und blau), muss WLED den Maximalwert schon auf 59% herunterdrehen, damit pro LED nur 25 statt 42mA verbraucht werden. Den Unterschied sieht man zwar, aber dafür ist die Gesamthelligkeit bei weiß nicht heller, als eine 2/3 Mischfarbe wie magenta der cyan.

Für die Akku-Laufzeit bedeutet das bei maximal angesteuerten LEDs:

5V * 3000mA = 15W + ca. 2,5 W für den Controller => 17,5 W im Extremfall
bei 80% Wirkungsgrad sind das 17,8W / 0,8 = 21,88 W

Bei Verwendung eines handelsüblichen Akkus mit 5 Reihen (3,6V * 5 = 18V) und 5,2 Ah ergibt sich eine Kapazität von ca. 94 Wh und eine Laufzeit von 4...5 h. 

Das ist zwar nicht berauschend, aber bereits bei einfarbiger Nutzung (z.Bsp. nur rot) komme ich auf 14mA  * 120LEDs = 1,68A * 5V = 8,4W + 2,5W  (Controller) = 10,9W * 80% Wirkungsgrad = 13,6W und eine Laufzeit von 94Wh /  13,6W = 6,9h.

Und hier sind die 2,5W für den Controller noch sehr konservativ gerechnet. Ich rechne für diesen Einsatzfall eher mit 8...9h. 

Weiter muss man mit berücksichtigen, dass bei fast allen Effekten nur selten alle Farben auf max. Helligkeit gesetzt sind. Damit ergeben sich schon alleine dadurch sehr wahrscheinlich deutlich längere Laufzeiten.

Anpassungen

Mit dem derzeit vorgesehenen XL4015 Spannungswandler für 5A ergeben sich weitere Möglichkeiten. Einerseits wäre damit beinahe der volle LED-Strom möglich - zumindest kurzzeitig mit deutlich steigender Erwärmung aber leicht erhöhtem Wirkungsgrad auf knapp 90%.

Andererseits bei Begrenzung auf 3,5 oder 4A vielleicht etwas weniger Wärmeentwicklung am Wandler und leicht höhere Maximalhelligkeit bei Mischfarben. Die genaue Laufzeit muss ich dann noch ermitteln.

Bei Ansteuerung über DMX kann man ja recht gut steuern. Setzt man hier den Masterdimmer auf 70%, geht die Laufzeit entsprechend hoch.

Akku-Auswahl

Ursprünglich wollte ich China-Akkupakete mit 11,1V (alternativ 14,4V) einsetzen. Da wären bei 3S4P oder 4S4P dann 12 oder 16 Zellen á 3,6V (18650) zum Einsatz gekommen. Allerdings wäre pro Akkupack auch eine BMS-Platine notwendig geworden. 

Und die Preise für selbst importierte Akkupakete (z.B. Ersatz für handelsübliche LED-Floorspots) sind auch nicht mehr bei 18€ sondern eher bei 25-30€ für ein 11,1V-Paket.

Kauft man in Deutschland Einzelzellen von guter Qualität, muss man mit 4-6€ je Zelle rechnen. Damit kommt man schon alleine für die Akkus auf 50-100 €. 

Daher entschied ich mich, normale Werkzeug-Akkus zu verwenden. Das hat mehrere Vorteile:

1. bewährte Akku-Systeme
2. keine zusätzliche Ladeelektronik nötig (BMS)
3. fertige Ladegeräte (ggf. Doppellader)
4. integrierte Schutzschaltung
5. teilw. integrierte Kapazitätsanzeige
6. Adapterplatten (3D-Druck) für viele Akkusysteme verfügbar
7. unterschiedliche Hersteller nutzbar bei Verwendung von unterschiedlichen Adapterplatten
8. z. T. günstige Angebote erhältlich

Da die Werkzeug-Akkus mit hohen Kapazitäten nicht für 12 V erhältlich sind, entschied ich mich für Einhell 18V Akkus mit 4 bzw 5,2 Ah. Die habe ich für Tests bereits da.

Zusätzlich ist der Sicherheitsaspekt auch nicht von der Hand zu weisen. Für ein selbst zusammengetackertes Akkupaket samt preiswerter BMS-Platine und Ladegerät muss man erst einmal die Verantwortung übernehmen. Schließlich sollen die Teile ja im öffentlichen Bereich eingesetzt werden und dürfen auf keinen Fall abbrennen o.ä. 

Da kommt es mir sehr gelegen, zumindest für den kritischen Bereich der Akkus bereits geprüfte und bewährte Technik ganz ohne basteln einzusetzen. Die Elektronik dahinter ist wesentlich weniger Anfällig für spektakuläre Ausfälle und kann mit klassischen Sicherungen ganz gut gegen zu hohe Ströme abgesichert werden.