Treppenlauflicht selbstgebaut

Für die Treppe in unserer Wohnung habe ich eine besondere Beleuchtung gebaut. Es handelt sich um ein Lauflicht, welches beim Betreten der Treppe automatisch auslöst und dann eine Stufe nach der anderen beleuchtet. Das geht sogar mehrfarbig mit diversen Effekten, ist mit einer PC-Software konfigurierbar und enthält noch ein paar technische Finessen.

Das Projekt habe ich sehr allgemein gehalten, um es als Bausatz an Interessierte abgeben zu können und gleichzeitig habe ich versucht, es möglichst preiswert zu realisieren. Es ist kombinierbar mit einer Vielzahl an Leuchtmitteltypen und sicherlich anpassbar an viele verschiedene Arten von Treppen.

Im Artikel gehe ich auf die Möglichkeiten mit diesem Bausatz ein und beschreibe zudem meinen konkreten Aufbau.

In einem Video will ich vorweg das Endergebnis präsentieren, da die Sache sonst zu abstrakt bleibt.

Konzept

Bei der Planung des Treppenlauflichts habe ich mich für ein Bussystem entschieden, d.h. statt einer zentralen „großen“ Steuerplatine und sehr vielen Kabeln kommt stattdessen unter jede Stufe eine kleine Platine und es gibt lediglich ein 4-adriges Kabel entlang der Treppe, da die Platinen einfach verkettet werden. Außerdem lässt sich das System besser für kurze oder lange Treppen skalieren, weil keine unterschiedlich großen Steuerungen sondern einfach mehr oder weniger dieser Miniplatinen benötigt werden. Ein weiterer Grund für das Bussystem ist neben der deutlich einfacheren Verkabelung und der besseren Skalierbarkeit tatsächlich der günstigere Preis im Auf- und Nachbau. Dafür habe ich ein wenig mehr Aufwand bei der Software für die Microcontroller auf mich genommen.

Anschließbar sind folgende Leuchtmitteltypen:

  • HighPower-LEDs mit 1 Watt oder 3 Watt (bis 1 A), eine dimmbare Konstantstromquelle ist integriert
  • ultrahelle LEDs, üblicherweise ca. 20 mA pro Stück, pro Treppenstufe können bis zu 500 mA getrieben werden, d.h. ca. 25 LEDs
  • LED-Strips mit 12 V, 24 V oder anderen Spannungen bis 500 mA pro Treppenstufe
  • 230 V-Leuchtmittel (Glühlampe, Halogenlampe, Leuchtstoffröhre, …) über Relais; aufgrund der Relais ist das aber nicht dimmbar, d.h. die Stufen schalten nur nacheinander hart ein

Das folgende Foto zeigt die Platine, die allerdings nicht in allen Fällen voll bestückt werden muss.

In der nachfolgenden Schemadarstellung (Anklicken zum Vergrößern) wird die Belegung der Steckverbinder beschrieben. Dadurch wird bereits sichtbar, wie flexibel die Platine verwendet werden kann. Unterhalb der Darstellung folgt eine Beschreibung.

Verbinder P1: Spannung und Bus

Dient dem Anschluss der Spannungsversorgung und der beiden Busleitungen. Diese 4 Leitungen liegen als einzige entlang der Treppe von der ersten bis zur letzten Stufe. Die Spannungsversorgung besteht aus einem zentralen, geregelten 5 V-Schaltnetzteil. Hier kann ein einfaches Steckernetzteil verwendet werden. Kommen entsprechend viele LEDs zum Einsatz, muss das Netzteil natürlich den Strom liefern können. Für den Einsatz vieler HighPower-LEDs kann z.B. ein solches Framenetzteil eingesetzt werden.

Verbinder P2: Programmieren

Programmieranschluss. Wird in der Nachbauanleitung erläutert und ist hier nicht relevant.

Verbinder P3: Beleuchtungen

Das Treppenlauflicht verfügt über zwei Lichtkanäle. So ist einer für das Hauptlicht und ein weiterer für ein optionales Dekorationslicht vorgesehen. Letzteres könnte z.B. für eine farbige Akzentbeleuchtung verwendet werden. Mit einem Helligkeitssensor kann automatisch zwischen einem Tag- und Nachtbetrieb umgeschaltet werden. So kann in der Nacht ein dezentes farbiges Licht angenehmer sein. Per Konfigurationssoftware können die Lichtkanäle frei eingestellt werden. Für das Hauptlicht können HighPower-LEDs direkt angeschlossen werden, da die Platine eine dimmbare Konstantstromquelle enthält. Weiterhin können ultrahelle Standard-LEDs und LED-Stripes für Hauptlicht und Dekorationslicht verwendet werden.

Auch ein Relaismodus ist für beide Lichtkanäle vorgesehen, sodass eine 230 V-Beleuchtung verwendbar ist. Beide Lichtkanäle sind voll dimmbar (außer im Relaismodus) und beherrschen feines Fading ohne Ruckler oder Flackern. Weiterhin verfügt der Anschluss über einen PWM-Ein-/Ausgang, um mehrere Platinen zu verketten, sodass sogar mehrere HighPower-LEDs pro Stufe möglich sind (siehe Anleitung).

Verbinder P4: Helligkeitssensor

An diesen Anschluss kann ein Helligkeitssensor angeschlossen werden (Typ: siehe Anleitung), mit dem das Treppenlauflicht einerseits zwischen Tag und Nacht unterscheiden und je ein unterschiedliches Lauflichtprogramm anwenden kann. Andererseits kann die Helligkeit der Beleuchtung nach Wunsch auch mit dem Umgebungslicht mitgeführt werden: Viel Umgebungslicht -> hohe Leuchtkraft, wenig Umgebungslicht -> geringere Leuchtkraft, damit es nicht blendet. Alles ist frei konfigurierbar.

Verbinder P5: Bewegungsmelder

An die Platinen der ersten und letzten Stufe wird je ein Bewegungsmelder angeschlossen. Dieser Eingang ist je nach Konfiguration ein TTL-Eingang oder ein Analogeingang mit spezieller Softwareauswertung. Folgende Typen kommen in Frage:

  • PIR Infrarot Bewegungsmelder mit TTL-Pegel
  • Lichtschranke mit TTL-Pegel
  • EM-Feld-Antenne (siehe Anleitung), sehr preiswert, sehr empfindlich, kann unsichtbar verbaut werden -> empfohlen

Anschlusskonzept

Die folgende Schemazeichnung (Anklicken zum Vergrößern) verdeutlicht die Verkabelung. Es sieht nur deshalb chaotisch aus, weil zur Verdeutlichung der Möglichkeiten an jede Stufe eine andere Lichtkonfiguration angeschlossen wurde. Auch der Anschluss der Versorgungs- und Busleitungen, der Bewegungsmelder (hier EM-Feld-Antennen) und des Helligkeitssensors ist dargestellt.

Genauere Erläuterungen liefert die Aufbauanleitung unten im Artikel. Hier soll nur das Konzept vorgestellt werden.

Entwicklung

Die Entwicklung beginnt immer mit einem schriftlichen Konzeptheft und wird von vielen Experimenten begleitet. Hier sehen Interessierte einen Steckbrettaufbau, mit dem ich den Stromtreiber getestet habe.

Letztendlich ist der folgende, doch recht übersichtliche Schaltplan herausgekommen (Anklicken zum Vergrößern). Einige Bauteile werden nur optional bestückt. Das erklärt die Aufbauanleitung.

Aus dem Schaltplan ist dieses Leiterkartenlayout entstanden.

Die Rückseite:

Bevor ich an die Treppe gegangen bin, habe ich den ganzen Aufbau auf eine Holzplatte geschraubt und ausgiebig getestet.

Aufbau

Meine Treppe hat 14 Stufen, also musste ich 14 Platinen bestücken.

Da die Platinen in einem Bussystem arbeiten, benötigt jede Platine eine eindeutige Adresse, die per dafür vorgesehenen Lötbrücken eingestellt werden kann. Das folgende Bild zeigt ein paar Beispiele. Wer es nicht versteht, bekommt es in der Aufbauanleitung genau erklärt. Die Adresse ist 5 Bit breit und Adresse 0 wird nicht verwendet (entspricht nicht bestückter Platine). Daraus resultiert eine maximale Treppenlänge von 31 Stufen, was eine haushaltsübliche Treppe weit überragt.

Hier liegen nun die fertig bestückten 14 Platinen.

Da ich beim Testbetrieb ein Spulenfiepen hörte, habe ich die Spulen mit einem sehr flüssigen Modellbaukleber verklebt und konnte die Geräusche so deutlich reduzieren. Wer mit einem leisen Fiepen (so wie bei Röhrenfernsehern) ein Problem hat, kann auch vergossene Spulen verwenden, die allerdings etwas teurer sind.

Hier ist nochmal die Platine der ersten Stufe zu sehen. Sie übernimmt die Rolle des Masters auf dem Bus, obwohl sie dieselbe Grundbestückung und Firmware erhält, wie alle anderen Platinen auch. Lediglich durch die Adresse 1 wird die Masterrolle vorgegeben. Allerdings enthält diese Platine auch ein Einstellpoti (blau), mit dem die Schwelle zwischen Tag und Nacht eingestellt werden kann, d.h. man teilt der Platine mit, ab welchem Dämmerungsgrad der Tagbetrieb oder Nachtbetrieb gefahren wird. Und es gibt einen Taster (unten links), mit dem man das Lauflicht zum Test auslösen kann, falls die Bewegungsmelder noch nicht richtig konfiguriert sind.

Und jetzt wird es individuell: Die Leuchtmittel selbst sind nicht Bestandteil des Bausatzes, da die Geschmäcker hier sicherlich weit auseinander driften. Ich zeige nun meine Lösung.

Für das Hauptlicht habe ich HighPower-LEDs mit 3 Watt, bzw. 700 mA eingesetzt. Das Dekorationslicht wird mit blauen ultrahellen LEDs (ca. 20 mA) umgesetzt. Allerdings wollte ich nicht das für LEDs typische punktförmige Licht haben. So habe ich mir Gedanken gemacht, wie ich einen schönen Diffusor bauen kann. Ich bin ein leidenschaftlicher Resteverwerter und habe auf Arbeit diese IC-Verpackungsröhrchen aus dem Abfall gerettet. Jemand hat sie schon passend auf Mülleimerlänge geknickt, aber kein Problem für mich, da ich kürzere Längen brauche.

Hier kann man den Querschnitt sehen und wie IC’s üblicherweise darin untergebracht sind. Die Querschnittsform ist ideal, da ich in der schmalen Rinne sogar die Kabel verlegen kann.

Ich habe mir 14 Stück auf knapp 30 cm Länge gesägt.

Dann habe ich die Röhrchen sandgestrahlt, wodurch sie schön trüb geworden sind.

Schließlich habe ich die LEDs für das Dekorationslicht verkabelt.

Die LEDs werden dann je am Ende jedes Röhrchens mit Heißkleber eingeklebt. Der Kleber soll die Röhrchen auch luftdicht verschließen, damit sich innen kein Staub ansammeln kann.

Das sind die HighPower-LEDs für das Hauptlicht. Sie sind auf Star-Platinen aufgelötet. Diese Platinen bestehen aus Aluminium und leiten die Wärme der LED gut ab. Natürlich müssen noch Kühlkörper montiert werden.

Diese Kühlkörper habe ich noch in meiner Restekiste gefunden. Wer keine Kühlkörper hat muss diese aber nicht extra kaufen. Auch starke Aluminium- oder Kupferbleche tun ihren Dienst. Evtl. können sogar Metallkomponenten der Treppe zur Wärmeabgabe genutzt werden.

Die Star-Platinen hatte ich an einem Rand etwas abgesägt, was ich aber später dann doch nicht gebraucht habe. Den Grund sieht man gleich.

Die Platinen sollten ganz am Rand der Kühlkörper sitzen, um…

… auf diese Weise in das andere Ende der Röhrchen hineinleuchten zu können. Das Licht wurde aber zu sehr geschluckt und hat die Stufen nicht effektiv beleuchtet, sodass ich die LEDs dann doch anders montiert habe (folgt gleich).

Die Röhrchen habe ich auf der Ober- und Hinterseite mit Aluminiumfoliestreifen beklebt, damit noch mehr Licht nach vorne und unten reflektiert wird.

So sah schließlich mein anschlussfertiges Licht pro Stufe aus. Die HighPower-LEDs haben so einen weiten Streuwinkel, dass ich sie direkt auf die Stufen richten konnte. Dafür habe ich dann je zwei blaue Dekorations-LEDs je Stufe eingesetzt. In jedes Röhrchenende eine.

Und Tadaaa… meine EM-Feld-Antennen als Bewegungsmelder. Es handelt sich um nicht mehr als ein Stückchen Litze, das mit einem Ende an der Platine angeschlossen wird, am anderen Ende offen ist und unterhalb der Stufe angebracht wird. Kommt man in die Nähe der Stufe, erzeugt das von den Muskeln erzeugte elektromagnetische Feld einen winzigen Stromfluss im Draht, den die Platine indirekt messen und mit der Software entsprechend auswerten und filtern kann. Damit ist ein sensibler Bewegungsmelder für nahezu kein Geld entstanden. Während ich mich an billigen PIR-Infrarot-Bewegungsmeldern unerkannt vorbeischleichen kann (wenn man sehr langsam ist), funktioniert das hiermit nicht. Die Antenne merkt das. :P

Es gibt jedoch ein paar Details bei der Montage zu beachten, siehe Anleitung.

Montage

Nun erfolgt die Montage an der Treppe. Da ich die Treppe nicht durch Bohren nachhaltig beschädigen wollte, habe ich mir gutes doppelseitiges Schaumstoffklebeband besorgt und alle Komponenten angeklebt.

Hier sieht man die Rolle mit dem Klebeband von 3M, welches „9515W“ heißt. Der Preis von in meinem Fall 6,5 € für 33 m ist auch ok. Das Zeug hält schon seit Monaten und so kann ich das Klebeband uneingeschränkt für diesen Zweck empfehlen.

Dann kommt die Verkabelung, die sich wie eine Kette von einer Platine zur nächsten zieht. Ich habe darum Doppeladerendhülsen eingesetzt, um je eine ankommende und eine zur nächsten Platine weitergehende Ader pro Anschluss unterbringen zu können.

Hier sicht man eine fertig angeschlossene Platine, die jetzt nur noch festgeklebt werden muss.

Fertig. Mit praktischen klebbaren Kabelhaltern ist auch alles sauber untergebracht. Beim Besteigen der Treppe sieht man die Komponenten durch die Drehung der Wendeltreppe übrigens nicht. Dazu müsste man bei aufrechtem Gang schon kleiner als 80 cm sein.

Hier ist das 60 W-Schaltnetzteil, welches bei mir zum Einsatz kommt. Da ich 14 HighPower-LEDs zu je 700 mA und noch einige ultrahelle LEDs betreibe, muss das Netzteil in meinem Fall mit Reserve bis zu 12 A liefern können. Hier empfiehlt sich übrigens ein wertiges Netzteil, da billige Netzteile deutliche Geräusche machen können und die Betriebssicherheit auch ein wichtiges Kriterium sein sollte. Das Netzteil muss dauerleerlauffest sein (trifft auf die meisten zu), da das Treppenlauflicht im Leerlauf nahezu keinen Strom aufnimmt. Falls man ausschließlich ultrahelle LEDs einsetzt, dürfte in der Regel ein übliches Steckernetzteil ausreichen. Die Aufbauanleitung (s.u.) hilft bei der Berechnung.

An der oberen Stufe meiner Treppe ist der Weg für die Antenne etwas länger. Darum muss, wie die Anleitung vorschreibt, eine geschirmte Leitung als Verlängerung der Antenne eingesetzt werden. Ich hatte noch einen Rest Coaxleitung, den ich dafür eingesetzt habe.

Auf der Platinenseite wird ein Draht für die Antenne und ein Draht am Schirm angebracht.

Auf der gegenüberliegenden Seite wird nur noch der Antennendraht fortgeführt.

Mit Schrumpfschläuchen habe ich alles schön verschlossen und Antenne und Schirm auf einen Printstecker aufgelegt.

Hier sicht man nun die Montage unterhalb der großen oberen Stufe. Foto anklicken zum Vergrößern.

Fertig

Fertig ist mein Treppenlauflicht. Das Video war ja oben schon zu sehen. Hier aber nochmal Nahaufnahmen einer Treppenstufe mit je einem Lichtkanal. Hier das Hauptlicht.

Und hier das Dekorationslicht. In Wirklichkeit leuchtet es schön tiefblau.

Bausatz

Da dieses Projekt für den einen oder anderen interessant sein könnte, habe ich mich entschlossen, dieses Projekt als Bausatz anzubieten. Für mich sinken außerdem die Kosten meines Exemplars, da ich die Platinen in einer größeren Stückzahl gefertigt habe und die Kosten pro Platine deutlich geringer ausfallen.

Hier folgt eine Definition des Umfangs des Bausatzes und welche Arbeiten anschließend noch erledigt werden müssen:

Bausatz

Der Bausatz umfasst

  • die von dir gewünschte Menge an Platinen (unbestückt),
  • sowie die Aufbauanleitung,
  • die konfigurierbare Stückliste mit Bestellnummern von Reichelt.de,
  • die vorkompilierte Firmware und
  • die PC-Software, mit der du deine eigene Konfiguration inkl. der Effekte erstellen kannst.

Alles außer der Platinen kann und sollte hier bereits kostenlos heruntergeladen werden. Die unbestückten Platinen können zum ungefähren Selbstkostenpreis bei mir erworben werden. Auf Anfrage auch fertig bestückt, programmiert und getestet, wobei ich dann einen Stundensatz berechnen muss.

Du musst bis zum fertigen Treppenlauflicht folgendes tun, sofern du die unbestückten Platinen bei mir beziehst.

  • Elektronikkomponenten gemäß der konfigurierbaren Stückliste bei Reichelt.de oder einem anderen Distributor bestellen
  • Komponenten gemäß der Anleitung auf die Platinen löten. Feinster Pitch ist 1.27 mm und kleinste Komponenten sind SMD-0805, d.h. es ist lediglich eine geringe Erfahrungsstufe im SMT-Löten und natürlich Lötequipment erforderlich. Kein besonders hoher Anspruch, aber definitiv nicht für Erstlöter geeignet.
  • LEDs deiner Wahl (und gemäß der Vorgaben in der Anleitung) bei Reichelt.de, leds.de oder einem anderen Distributor bestellen
  • Platinen, Leitungen und deine Leuchten an deiner Treppe montieren. Dazu ist je nach Ausführung Elektronikerwerkzeug, d.h. diverse Zangen und Schraubendreher erforderlich. Außerdem muss auch Montagematerial verfügbar sein, welches von deiner Umsetzung abhängt.
  • Einen ISP-Programmieradapter besitzen oder beschaffen. Auch wenn die Platinen fertig programmiert von mir bezogen werden, musst du damit noch deine Konfiguration übertragen. Ein einfaches Gerät kostet unter 10 € (Amazon, ebay, …) und die nötige Software ist kostenlos. Hier siehst du Suchergebnisse bei Amazon.
  • Die beiliegende Firmware in alle Platinen übertragen.
  • Mit der beiliegenden PC-Konfigurator-Software (für Windows) deine eigene Konfiguration erstellen und mit dem ISP-Programmierer in eine Platine übertragen, siehe Anleitung.

Alle Arbeitsschritte sind detailliert in der unten verlinkten Anleitung beschrieben.

  Aufbauanleitung und Bestellliste (6,6 MiB, 1.113 mal heruntergeladen)

Package mit Aufbauanleitung und Bestellliste mit Bestellnummern von Reichelt.de. Es kann aber natürlich auch bei einem anderen Distributor bestellt werden.

(Anleitung und Bestellliste überarbeitet am 18.05.2015. Änderungshinweis für Anleitung liegt bei.)

  Firmware und PC-Konfigurationssoftware (415,2 KiB, 670 mal heruntergeladen)

Package mit der Firmware für die Microcontroller und der Windows-Software zur Konfiguration des Treppenlauflichts. Die Software setzt Windows XP oder höher sowie das Microsoft .NET Framework vorraus, welches bei Windows XP nachinstalliert werden muss und bei neueren Windows-Betriebssystemen in der Regel enthalten ist.

(Neue Firmware v1.0.1 seit 18.05.2015. Versionshistorie liegt bei. Kurzfassung: Bugfix in Umschaltung zwischen Tag-/Nachtbetrieb.)

Konfigurator-Software

Mit der Konfigurator-Software können einige Parameter für das Treppenlauflicht konfiguriert werden. Nachdem die Einstellungen vorgenommen wurden, kann eine Hex-Datei auf dem PC erzeugt werden. Diese wird mittels eines ISP-Programmers in die erste Platine übertragen. Die Aufbauanleitung schildert die Details.

Auch die Einstellungen in dieser Software werden in der Anleitung detailliert erläutert, sodass ich hier zur Übersicht nur grob darauf eingehen möchte.

Die Einstellungsseite „Allgemein“ nimmt im Wesentlichen die Beleuchtungsdauer, eine LED-Umgebungslichtanpassung und den Relaismodus auf. Die Beleuchtungsdauer gibt an, wieviel Zeit ab Betreten der Treppe vergeht, bis die Beleuchtung wieder abgeschaltet wird. Der Relaismodus muss dann aktiviert werden, wenn an einen Lichtkanal Relais mit 230 V-Beleuchtung angeschlossen werden. Weil die Beleuchtung dann nicht per PWM dimmbar ist, wird das mit dem Relaismodus zur Sicherheit konsequent unterbunden, selbst wenn ein Lauflichteffekt (s.u.) ein Dimmen vorsieht.

Die Seite „Lauflicht-Effekte“ ist wohl die interessanteste. Hier können Lauflichteffekte für das Einfaden und das Abfaden, jeweils am Tag und in der Nacht festgelegt werden. Jeder Lauflichteffekt kann bis zu 11 Programmschritte aufnehmen, wodurch sehr verrückte Effekte möglich sind. Neben einfachen Dimmkommandos lassen sich auch effektvolle Wellen und Wechselspiele zwischen der Hauptbeleuchtung und dem Dekorationslicht erzeugen. Das Tutorial-Video unten stellt ein paar Möglichkeiten vor.

Auf der Seite „Bewegungsmelder“ wird zunächst die Art der Bewegungsmelder festgelegt. Entweder existiert ein Bewegungsmelder mit TTL-Ausgang (PIR Infrarot oder Lichtschranke), für den eine gewünschte Flankenkonfiguration ausgewählt wird oder es existieren EM-Feld-Antennen. Weiterhin kann eine Stummschaltdauer für den gegenüberliegenden Bewegungsmelder, also der auf der Austrittseite der Treppe, eingestellt werden. Dies dient dazu, da eine Person, die die Treppe betritt, nicht beim Verlassen auf der anderen Seite einen weiteren Effekt in die andere Richtung auslösen will. Da die Sensoren die Durchgangsrichtung nicht feststellen können, wird der Sensor auf der Verlassseite der Treppe einen Moment stummgeschaltet, was in der Praxis auch gut funktioniert. Weiterhin kann auf der Seite die Empfindlichkeit von EM-Feld-Antennen justiert werden.

Die letzte Seite „Helligkeitssensor“ lässt eine Verstärkung in Software für eben diesen einstellen. Diese Option wird nur benötigt, wenn sich der Sensor nicht an einer einigermaßen hellen Stelle unterbringen lässt. Siehe Anleitung.

Im folgenden Tutorial-Video erkläre ich, wie du dir einen individuellen Lauflichteffekt erstellen kannst und führe ein paar Beispiele vor.

Hoffentlich war’s interessant. Viel Spaß ggf. beim Nachbau.

Beste Grüße vom
Emanuel

67 Gedanken zu “Treppenlauflicht selbstgebaut

  1. Hallo Emanuel,

    Dein Projekt begeistert mich sehr. Da ich gerade am Hausbau bin hätte ich grosses Interesse die Stufen nach Deiner Idee zu beleuchten.
    Was würden 45 Platinen kosten ?

    Vielen Dank im Voraus

  2. Hallo kannst Du mir ein Angebot für 14 Stück der Platinen machen und mit den teureren vergossenen Spulen.

    Vielen Dank ich freue mich riesig auf deine Antwort

  3. Huhu,
    wirklich sehr genial gelöst.
    Ich bin schwer begeistert und brauche das in meinem Haus auch!

    Könnte ich bitte ein Angebot für 16 Platinen bekommen?
    Und vielleicht noch eines für 40 Platinen?

    Vielen Dank.

    VG
    Julian

  4. Hallo,
    mein Treppenhaus muss zwingend mit Deinem Bausatz beleuchtet werden.
    Fettes Lob!
    Machst Du mir bitte ein Angebot für 14 Platinen.
    Danke!

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