LED-beleuchtete Hausnummer

Die Hausnummer

Eine schicke Hausnummer, die bei Tag und bei Nacht gleichermaßen gut zusehen ist - das war das Ziel. Und außerdem sollte die Nummer ein Unikat sein. In der Zwischenzeit leuchtet sie seit rund 15 jahren unbeeindruckt vor sich hin und ist halt einzigartig, auch heute noch.

Das Design- Prinzip der Hausnummer ist die Invertierung. Bei Tage ist es eine weiße Nummer auf blauem Grund. Und bei Nacht ist dann die Nummer blau.

Die Nummer ist ein einem Acrylgehäuse untergebracht. Das Gehäuse besteht aus einer 10mm dicken Acrylgrundplatte. In diese sind seitlich Gewindebohrungen eingebracht, an denen die Acrylaufsatzhaube festgeschraubt wird.
Die Aufsatzhaube ist wie ein Aquarium mittels auf Winkel geschnittener Acrylplatten und durchsichtigem Acrylkleber gefertigt. Wenn ich es auf die Spitze getrieben hätte, wären die Kanten zuvor poliert worden. Dann wäre die Haube komplett durchsichtig, ohne matte Kanten.

Die Nummer selbst besteht aus zwei Schichten Acrylplatten. Die hintere Platte besteht aus durchsichtigem 10mm Acryl, während die vordere aus 6mm milchigem Macrolon besteht.

Die Anfertigung der Nummer ist Handarbeit - versteht sich. Zunächst eine originalgetreue Zeichnung auf Millimeterpapier oder per Computer. Dieses Original dann per Blaupause auf das Macrolon und die Acrylscheibe übertragen. Dann mit einer Laubsäge oder einer Konturenstichsäge die Nummer ausschneiden. Beide Platten nun übereinanderlegen und mit farblosem Kleber verkleben. Nach Aushärtung des Klebers werden nun die Seiten der Nummer bearbeitet. Beim Bearbeiten beachten, dass Acryl unter Wärme weich wird und dann verkleistert. Also entweder mit einer Feile sachte feilen, oder mit einem Bandschleifer oder Rotationschleifer mit geringer Geschwindigkeit schleifen. Einfach darauf achten, dass es nicht zu warm wird.

Sind die Konturen passend, können nun die Seiten fein geschliffen werden. Ist alles fertig, dann werden die Seiten weiß lackiert. Dazu werden die Front- und die Rückseite abgeklebt. Die Kanten des Abklebematerials können ruhig leicht überstehen. Da von den Seiten her gesprüht wird, ist das unwichtig. nachdem der Lack trocken ist, können die Abklebungen entfernt werden.

Auf der Rückseite der Nummer werden nun die LEDs angebracht. Ziel ist es, eine gleichmäßige Leuchtfläche an der Vorderseite zu erhalten. Dazu nimmt man sich das Datenblatt der verwendeten LEDs und schaut nach deren Abstrahlwinkel. Ich habe PLCC4 LEDs verwendet, deren Abstrahlwinkel 120 Grad beträgt. Mit Hilfe der Winkelberechnung am Dreieck kann man folgende Informationen erhalten:

Bei 16mm Abstand der LED zur Front (Dicke der Nummer) und halben Abstrahlwinkel (60 Grad) ist damit die seitliche Leuchtweite aus der Leuchtmittelachse heraus 27mm. Das heißt, das eine LED an der Nummer eine Leuchtbreite von 54mm hat. Damit ich nun eine gleichmäßige Ausleuchtung und große Helligkeit erreiche, lege ich die Leuchtbereiche übereinander. Zwei LEDs pro Fläche sind ausreichend hell. Oder anders gesagt, alle 27mm wird eine LED angeordnet.
Die LEDs habe ich nun zuerst mit sehr dünner Litze verbunden und dann mit Heißkleber an der Rückseite angeklebt. Die benötigen Vorwiderstände sind ebenfalls mit angeklebt. Dadurch, dass alles flach an der Rückseite klebt, ist von vorn nichts zu sehen. Im Betrieb wird hier auch nichts so warm, dass sich Kleber lösen könnte.

Die Nummer ist nun mittels Abstandhaltern auf die Grundplatte geschraubt. Ich habe dafür Halter einer ehemaligen Leuchtreklame verwendet. Die sind dünn und biegsam. Auf diesen habe ich dann seitlich die Nummer mittels Heißkleber verklebt. Die Stromzuleitung erfolgt ebenfalls mittels dünner Litze. 140 mA brauchen keine dicken Drähte. Das Netzteil befindet sich innerhalb des Hauses.

Jetzt noch ein paar Gedanken zur Stromversorgung. Da LED-Beleuchtung eine energiesparende Version ist, sollte kein Netzteil mit niedrigem Wirkungsgrad verwendet werden. Ich habe hier ein Steckerschaltnetzteil 12 Volt verwendet. Der Strom des Netzteiles richtet sich nach der Anzahl der LED-Ketten hinter der Nummer. Wie viele Ketten es sind, richtet sich nach der Anzahl der LEDs und der zur Verfügung stehenden Spannung vom Netzteil.

Blaue und weiße LEDs habe typische Flussspannungen von ca. 2,7 - 3,5 Volt, grüne und gelbe 1,9 bis 2,5 und rote von 1,6 bis 2,2 Volt. Einfache Addition der Spannungen ergibt die erforderliche Gesamtspannung je Kette. Es sollte immer mindestens 1 Volt übrig bleiben. Dieses eine Volt übernimmt dann der Vorwiderstand für die LED-Kette. Für einen sicheren und langanhaltenden Betrieb ist der Widerstand sehr wichtig.
Also konkret habe ich vier LEDs mit Flussspannungen von 2,4 Volt verwendet. Diese Spannung kann man mit Hilfe eines Multimeters einfach ausmessen. Das ergibt in der Summe eine Spannung von 9,6 Volt bei einem Strom von 20 mA. 20 mA ist der normale Betriebsstrom einer solchen LED. Da alle LEDs einer Kette in Reihe geschaltet sind, fließt durch alle LEDs der gleiche Strom. Ergo auch durch den Vorwiderstand. Dieser ist nun mittels ohmschem Gesetz schnell ermittelt.
R= U/I = (12V-9,6V) / 0,02A = 120 Ohm.

Die Ketten werden alle parallel geschaltet. Für die Nummer 8 habe ich sieben Ketten verbaut. Das heißt , das der Betriebsstrom bei rund 140 mA liegt. Das Netzteil sollte also mindestens 12 Volt und 200 mA haben.
Für die Energiebewussten, das entspricht einer ohmschen Leistung von 1,68 Watt. Der Wirkungsgrad des Netzteils beträgt mehr als 0,9. Damit ist die Gesamtleistung rund 1,86 Watt.
Damit kann auch eine Energiesparlampe nicht mithalten.

Im Normalfall sind die LEDs bei 20mA Strom schon sehr hell. Man könnte fast sagen, dass die Hausnummer bei Nacht blendet. Um das zu mildern, habe ich noch eine automatische Helligkeitssteuerung hinzugefügt. Dazu ist in der Hausnummer ein lichtempfindlicher Widerstand eingebaut.

Die Funktion ist nicht kompliziert. Ein NE555 arbeitet als astabiler Multibvibrator. An seinem Triggereingang tritt funktionsbedingt eine Dreieckspannung auf. Diese Spannung wird auf den als Komparator beschalteten IC2 gebracht. Der Komparator ist ein BiMOS Operationsverstärker mit MOS-FET-Eingang und bipolarem Ausgang. Durch den hohen Eingangswiderstand wird weder die Dreieckspannung noch der Lichtwert des lichtempfindlichen Widerstandes R7 beeinflusst.

Der Komparator erhält über den Fotowiderstand seinen lichtabhängigen Triggerpunkt. Dieser ist so gelegt, dass er innerhalb des Spannungsbereiches des Dreiecksignal des NE555 liegt. Mit P2 und P3 kann der Bereich fixiert werden. Die Funktion ist jetzt so, dass je nach Helligkeit der Widerstandswert sich ändert. Große Helligkeit ergibt niedrigen Wert und folglich einen niedrigen Triggerpunkt. Zunehmende Dunkelheit vergrößert den Widerstand, womit der Triggerpunkt nach oben wandert. Am Ausgang des Komparators erscheinen nun ja nach Helligkeit unterschiedliche Tastverhältnisse. Ist die Helligkeit groß, also Triggerpunkt unten, dann kippt der invertierende Komparator bereits früh beim Anstieg der Dreieckspannung auf High. Bei niedrigerer Helligkeit erfolgt das kippen erst später, sprich, das Tastverhältnis geht in Richtung dunkler. Bei völliger Dunkelheit entstehen nur noch schmale Impulse am Komparatorausgang.

Damit das Ganze nun auch sauber selbst unterschiedliche Ströme schalten kann, habe ich einen Power MOSFET Driver mit nachfolgendem Power MOSFET eingesetzt. Das ist nicht zwingend notwendig, erleichtert aber nachfolgende eventuelle Veränderungen, da durch den sauber angesteuerten MOSFET keine thermischen Problem entstehen. Hier ließe sich auch mit deutliche mehr Leistung (mehr LEDs) operieren. Theoretisch wären mit dem BUK455 bis zu 16 Ampere bei sicherem Betrieb möglich.

Am Gate des MOSFET ist noch eine LED als Helligkeitskontrolle angebracht. Diese Kontrolle befindet sich im inneren des Hauses, wo auch die Steuerung untergebracht ist. man kann so von innen schon erkennen, ob die Hausnummer leuchtet oder nicht. Und die Helligkeit lässt sich auch abschätzen.