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Herstellung der LED-Streifen

Man muss auch wissen wie solche LED-STREIFEN hergestellt werden, der Irrglaube, dass die Streifen auf einem Endlosband bestückt werden und je nach Bedarf abgeschnitten werden ist falsch. Die Streifen werden in der Länge 500mm in eine Bestückungsmaschine gespannt und mit den LEDs bestückt. Die Anzahl der LEDs hängt davon ab wie viele LEDs pro Meter gebraucht werden. Es gibt Streifen mit 30/60/144 LEDs pro Meter. Danach werden die 500mm Streifen an den Enden auf die erforderliche Länge zusammengelötet.

Umsetzung der SMD5050 Klammer

Wie immer suche ich zuerst alle verfügbaren LED-Strefen aus meinem Sammelsurium die eine SMD5050 beinhalten. Wichtig war es alle Varianten der unterschiedlichen Hersteller zu haben. So kann man den bestmöglichen Mittelweg finden, um die Funktion (also das Klemmen) auf möglichst vielen Varianten anzuwenden.

Die Idee war es den Streifen nicht an der Rückseite zu verkleben, sondern die LED an den Außenflächen zu klammern. Im Bild 1.0 werden einige der Zahlreichen Varianten für SMD5050 dargestellt

• 1.0.1 WS2812B Streifen mit 30 LED pro Meter
• 1.0.2 WS2812B Streifen mit 60LED pro Meter
• 1.0.3 WS2812B Streifen mit 144 LED pro Meter
• 1.0.4 Sk6812 Streifen mit gleichen Unterteilungen wie oben
• 1.0.5 Kalt Weiß Streifen mit 60 LED pro Meter

Der nächste Schritt besteht darin die Außenmasse der SMD5050 auszumessen und zu vergleichen. Wie der Name SMD5050 schon beinhaltet stehen die Zahlen 5050 für die Masse 5mm an den Außenlinien (5050 ist gleich 5mm lang und 5mm breit). Zu meinem Erstaunen bewegen sich die SMDs nur im hundertstel Millimeter. Das heißt die Abweichungen sind marginal (2.0.1, 2.0.2) und für die Konstruktion zu vernachlässigen.

Anders sieht es bei der Höhe der LEDs aus, dort sind die Unterschiede etwas markanter (2.0.3, 2.0.4 und 2.0.5). Aber der größte Unterschied liegt bei den Lötungen mit mehr oder weniger Lötzinn. Die Unterschiede sind nun bekannt und können in der Konstruktion berücksichtigt werden.

Die meisten Probleme bereiten die Lötstellen und außenstehenden Widerstände. Die Lötstellen sind oft sehr unterschiedlich, manchmal etwas dicker und zuweilen ragen sie über die Seitenkante hinaus. Auch die Widerstände sind je nach Streifen an unterschiedlichen Stellen platziert.

Zuerst zeichne ich die Halteklammer (3.0.1) an der die LED später befestigt wird. Als nächstes gestalte ich den Halterahmen für die SMD5050, der später für die Klemmung der LED sorgt (3.0.2). Bei Bild 3.0.3 füge ich sogenannte Aussparungen hinzu. Diese Vertiefungen im Rahmen habe ich bei den verschiedenen LED-Streifen gemessen.

Nach diesen drei Hauptschritten drucke ich den ersten Prototyp mit meinem Lieblingsmaterial und favorisierten Drucker. Nach den ersten Versuchen die LED zu klammern war ich sehr zuversichtlich, dass es am Ende funktioniert. Natürlich muss man beim herausnehmen des Materials auch die Stabilität der Klammer im Auge behalten.

Die Entwicklung basiert auf meinen bisherigen Erfahrungen. Es ist ein Spagat zwischen Haltekraft, Stabilität und der Druckbarkeit. Die Anzahl der gedruckten Prototypen in diesem Fall fünfzehn Stück, sagt nur bedingt über die entstandene Arbeit aus. Fünfzehn Versuche ist eher wenig. Ich hatte Glück mit dem Grundkonzept und dass die Idee die Richtige war.

Im Bild 3.0.4 und 3.0.5 seht ihr noch die Veränderungen zu 3.0.3 in den Maßen und Formen wie z.B. das Anbringen von Fasen.

Herstellen der Klammer im 3D Drucker

Die CAD Entwicklung ist nun abgeschlossen. Als nächstes ist der Durckvorgang an der Reihe. Es müssen einige Faktoren berücksichtigt werden wie z.B. das richtige kalibrieren des 3D Druckers. Wenn man ein Gehäuse mit einem Deckel auf einem schlecht kalibrierten oder nicht kalibrierten 3D Drucker mit denselben Einstellungen und Material druckt, passt es immer zusammen. Es stimmen die Masse nicht aber die Bezüge von Gehäuse und Deckel sind gleich und darum passt es trotzdem.

Anders sieht es aus, wenn ein extern produziertes Bauteil wie die SMD5050 ins Spiel kommt. Dann muss die Masse in einem bestimmten Toleranzfeld übereinstimmen. Wenn man seinen 3D Drucker nicht kalibrieren will, kann man die Maße über den Slicer anpassen. Jeder Slicer bietet eine sogenannte Skalier Funktion. Der nächste Faktor hängt mit der Größe der Klammer zusammen, da die Klammer sehr klein ist muss die Düsenkühlung auf 100% eingestellt sein. Düsenkühlung ist eigentlich der falsche Begriff, da nicht die Düse, sondern das austretende Filament gekühlt werden soll. Bei kleinen Bauteilen kommt die heiße Düse schneller wieder am Werkstück vorbei, sodass dieses nicht richtig abkühlen kann. Dadurch verläuft das Filament und kann die gewünschte Form nicht halten.

Nicht zu unterschätzen ist auch die Druckrichtung. Bei unseren Klammern sollte die Druckrichtung seitlich stattfinden, also liegend gedruckt (4.0.1). Es schadet auch nicht einen BRIM vom Slicer generieren zu lassen (4.0.2).

Montage der SMD5050 Klammer

Für die Montage der Klammer ist es ratsam die einzelne LED oder den Streifen auf eine ebene Oberfläche zu legen und danach die Klammer von oben aufzudrücken. Die LEDs sind sehr stabil und können einiges aushalten. Wer Zweifel an der Haltekraft der Verbindung hat kann natürlich noch etwas Kleber hinzufügen. Man muss auch nicht jede LED am Streifen klemmen, es reicht völlig aus jede dritte oder vierte LED zu klemmen.

Ich habe unterschiedliche Varianten von Klammern konstruiert, die man verschrauben, klemmen und natürlich verkleben kann. Eine Einschränkung gibt es aber doch. Man kann die Klammer nur in zwei Richtungen anbringen. Bei der Konstruktion musste ich den Kompromiss eingehen, dass nur zwei Seiten für das Klipsen in Frage kommen. Man kann daher die Klammer nicht alle 90 Grad drehen und anbringen, sondern nur jeweils um 180 Grad. Kurz gesagt die Lötstellen müssen immer rechts und links von der Klammer stehen und nicht oben und unten. (siehe Bilder 5.0 – 5.1)

Anwendungsbeispiele

• 5.0.1, 5.0.2 WS2812B 60 LED/m
• 5.0.3 RGW auf Platine
• 5.0.4 WS2812B 144 LED/m (geht nur jede zweite LED zu Klipsen)
• 5.1.1 SK6812 verlötet auf Trägerplatte geklemmt
• 5.1.2 WS2812B verlötet drei Stück
• 5.1.3 RGW
• 5.1.4 CW mit Seitenclips rechts und links

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• Klemme für SMD5050

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Die Taschenlampe konnte man nicht ordentlich positionieren und sie blendete. Aus diesem Grund kam mir die Idee eine eigene blendfreie Lampe zu entwickeln, die man einfach auf das Heizbett stellen kann und nicht blendet. Am besten kabellos mit einer Powerbank. Ich hatte bereits eine eigene Powerbank mit dem Battery Shield V3 gebaut, welche ich dieses Mal als Basis genutzt habe.

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Liste der Komponenten

• 1 x Hohlbuchse 5,5×2,1
• 1 x Battery Shield V3
• 1 x LiPo 18650 3500mAh
• 1 x Wippschalter 250V/3A Einbaumaß 15×10,5mm
• 4 x Zylinderkopfschrauben mit Innensechkant M2 x6
• 6 x Linsensenkkopfschrauben M2 x 20
• 17 x 5V SMD2835 LED Streifen
• 5 x Jumperkabel

Wahl der LED

Da das Grundgehäuse der Powerbank mit dem Battery shield V3 bereits fertig war, musste ich mir hauptsächlich Gedanken über die Beleuchtung machen. Als Leuchtmittel sollten LEDs mit 5V oder 3V genutzt werden, da das Battery shield V3 entweder 5V oder 3V bereitstellt. Für meine Zwecke reicht ein geringerer Lumen Wert. Nach kurzer Recherche fand ich passende LED-Strips.

Die Lichttemperatur meines LED Streifens beträgt 6500K auch kaltweiß genannt. Dieses Licht beinhaltet sehr viel Blauanteil, wodurch sich gut arbeiten lässt und Details schnell sichtbar werden. Da das Battery shield V3 drei zusätzliche 5V und einen USB A Ausgang besitzt, ist die Versorgung der LEDs kein Problem. 

Bei den LEDs für die blendfreie Lampe handelt es sich um SMD2835. Diese sind 2,5 mm breit und 3,5 mm lang und haben eine etwas geringere Leuchtkraft als ein SMD5050. Wieviel die LEDs verbrauchen ist entscheidend für die Leuchtdauer der Lampe, da die Energiezufuhr über den Akku beschränkt ist.  

Konstruktion des Deckels und Zwischendeckels

Wie bereits im vorherigem Abschnitt erwähnt wird das Grundgehäuse der Powerbank nicht verändert. Die LEDs werden stattdessen auf einen Zwischendeckel aufgeklebt. Der Zwischendeckel dient auch als Träger der Hohlbuchse für den 3V Ausgang. Weiterhin wurde ein Durchbruch kontruiert um die Kabel vom Ein-Aus-Schalter durchzuführen. Die schrägen Öffnungen des Zwischendeckels sollen helfen bei Bedarf nachträglich noch von hinten Kleber an den LED Streifen anzubringen.

Bei der Oberseite (dem Deckel, wo das Licht durchscheint) wurde es ein wenig komplexer. Einerseits soll genügend Licht durchscheinen, andererseits darf es nicht blenden! Natürlich wäre ein glasklarer Deckel für die Lichtausbeute ideal, doch wie gesagt, dann würde es womöglich blenden. Um einen Ausgleich zu schaffen zwischen effektiver Lichtausbeute und Blendfreiheit sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Materialauswahl (Filament)
• Abstand zum Leuchtmittel
• Stärke der Scheibe
• Druckstrategie

Bei der Materialauswahl für die blendfreie Lampe fiel die Wahl auf „Elfenbein“. Der Abstand zum Leuchtmittel beträgt 10,5 mm und die Scheibendicke (Materialstärke) 1 mm. Die Schichthöhe beträgt 0,25 mm, sprich bei einem Millimeter ergibt das vier Schichten, wobei die erste Schicht 45° nach links und die zweite Schicht 45° nach rechts aufgetragen wird. Durch die verschiedenen Richtungen der Schichten wird das Licht immer wieder gebrochen und blendfrei. Es handelt sich dabei um eine subjektive Wahrnehmung und die Bezeichnung blendfrei gilt daher nicht für alle Menschen.

Zusammenbau

• Verlöten der Teile mit den Jumperkabeln:

• Schneiden und ankleben der LED Streifen: Der LED Streifen wird in zweimal 6 LEDs und einmal 5 LEDs getrennt und auf den Zwischendeckel geklebt. Der Kabeldurchbruch am Deckel für den Stecker muss frei bleiben:

• Anbringen der Hohlbuchse am Zwischendeckel:

• Einschrauben des Battery shield in das Gehäuse nachdem die zehn Gewinde zuvor in das Gehäuse geschnitten worden sind.

• Wippschalter in den Deckel eindrücken:

• LiPo 18650 in die Aufnahme drücken

• Kabel verbinden und einschalten:

• Falls alle LED’s leuchten, Zwischendeckel auf Gehäuse stecken und danach den Deckel auf den Zwischendeckel stecken und verschrauben:

Blendfreie Lampe CAD Design

Für die Gewinde sind die Bohrungen auf Kernlochdurchmesser konstruiert, d.h. bei M2 auf den Durchmesser 1,6 mm. Man kann das Gewinde mit dem Gewindebohrer schneiden oder mit einer Schraube formen (eindrücken). Ich persönlich bevorzuge das Gewindeschneiden. Wo an dem Gehäuse die Gewinde geschnitten werden müssen zeigen die beiden Grafiken.

Weitere Anmerkungen

Mancher wird sich fragen, warum der Wippschalter aus dem Deckel ragt und nicht versenkt wurde. Die Lampe lässt sich dadurch besser ein- und ausschalten.  Meistens hat man nur eine Hand frei und kann nicht richtig in die Versenkung greifen, wenn der Wippschalter aber hervorsteht ist es leichter ihn zu bedienen. Trotzdem habe ich auch eine Variante mit versenktem Wippschalter konstruiert, die man im Download-Bereich herunterladen kann!

Die Leistung der Lampe liegt bei ca. 1,4 Watt. Bei 5,05 V beträgt die Stromstärke daher 0,27 A, was kein Problem  für das Battery Shield V3 und den LiPo darstellt. Die Leuchtdauer der Lampe beträgt ca. 5 Stunden im Dauerbetrieb. Für diese Daten habe ich einen Samsung 18650 mit 3500 mAh verwendet. Die Powerbank kann parallel zum Betrieb der Lampe genutzt werden. Die gesamte Stromstärke sollte allerdings nicht über 3A liegen.

Ich benutze diese Lampe nicht nur für meinen 3D Drucker, sondern auch beim Löten, lesen oder als Nachtlicht. Die Powerbank ist zudem extrem leicht mit 127g.

Datei zum Herunterladen

• STL Dateien der blendfreien Lampe

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Daher habe ich einen Schnellverbinder im CAD designt mit dem Jumper Kabel sehr einfach verlötet werden können. Der Verbinder dient als ideale Löthilfe. Natürlich muss auch der Litzen Querschnitt für die benötigte Amperezahl ausreichen! Auf dem Markt gibt es hauptsächlich minderwertige Schnellverbinder. Meine STL Datei ist dagegen günstig und funktioniert einwandfrei.

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Liste der Komponenten

• 4 Pin RGB LED Streifen
• Jumper Kabel
• Schrumpfschlauch
• Heißkleber

Anwendung im Projekt

Für ein größeres Projekt brauchte ich 16 RGB Streifen mit je 21 LEDs. Die Streifen wurden nachher in eine 3D gedruckte Fassung geschoben. Der LED-Streifen wurde direkt an der vormarkierten Stelle mit einer handelsüblichen Schere getrennt (meistens sind die RGB-Streifen nach jeder dritten LED teilbar).

Bei den Jumper-Kabeln habe ich eine Seite männlich und die andere weiblich gewählt. Die Seite mit den PINs (männlich) wurden an den RGB-Streifen gelötet und die Buchse (weiblich) als Stecker benutzt. Es ist entscheidend Jumper-Kabel mit quadratischem Gehäuse (Standardabmessung: 2,54 mm). Die Länge des Plastikgehäuses spielt keine Rolle. Je nach Marke sind die Plastikgehäuse 12 mm oder 14 mm lang.

Ablauf

Da keine Vorarbeit an den Kabeln notwendig ist kann direkt mit dem Löten begonnen werden. Ich bevorzuge zuerst am RGB-Streifen an den Lötstellen (Kupferschicht) Lot aufzubringen.  Danach löte ich die PINs an die Lötstellen ohne zusätzliches Lot. Die PINs sollten nicht zu tief Richtung LED verlötet werden und die Ausrichtung muss passen.

Anschließend kommt der Verbinder ins Spiel. Dieser Verbinder ist an der RGB Seite und nach oben offen. Der RGB-Streifen wird in den Verbinder eingelegt, sodass die Lötstellen sich im Verbinder befinden. Im Anschluss werden die vier Kabel in die Schlitze gedrückt und die Lötstellen evtl. mit Heißkleber versiegelt. Ich empfehle zur Sicherheit noch einen 12er Schrumpfschlauch anzubringen. Dadurch erhält man eine superstarke Verbindung!

Arbeitsschritte in Bildern

Vorteile:

• Keine Kabelvorbereitung
• Starke Verbindung
• Einfacher 3D Druck

Nachteile:

• Benötigt mehr Platz
• STL Datei nur für RGB Streifen mit 10 mm Breite

Datei zum Herunterladen

• • STL Datei der Anlöthilfe

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