Ein LED Tisch mit Berührungssensoren

Bereits seit mehreren Jahren möchte ich für mein Büro einen Leuchttisch mit Touch Funktion bauen. Im Wesentlichen soll dieser aus einem schwarzen LACK Beistelltisch mit den Abmessungen 55 cm x 55 cm und einer 6 mm Glasplatte bestehen.

In einem ersten Schritt habe ich damit begonnen die furnierte MDF Oberfläche des Tisches mit einem stabilen Cutter aufzuschneiden, und das innere Wabengewebe aus Karton zu entfernen.  

Ich möchte einen kleinen Sternenhimmel aus LEDs realisieren. Dafür habe ich mir die untenstehende Bohr- und Verdrahtungsvorlage gestaltet. In die umkreisten Bohrungen sollen 3 mm Radiale eingesetzt werden, und in die nicht gekennzeichneten Bohrungen die LEDs von weißen Lichterketten. Einzelne Zweige möchte ich mit Hilfe von Vorwiderständen dimmen.

Um die 4mm Bohrungen professionell erscheinen zu lassen habe ich mir kleine Einsätze aus PLA gedruckt.

Eingesetzt und dünn mit mattem schwarzen Lack übersprüht sieht das Ganze dann so aus.

Um die Touch Funktion zu realisieren, wollte ich ursprünglich die im Artikel 'Platinen selber fräsen' aufgebauten, kleinen breakout boards für SFH7741 Reflexlichtschranken verwenden. Es hat sich allerdings bei Verwendung einer dicken Glasplatte als sehr schwierig herausgestellt den korrekten Schaltabstand für die Lichtschranken zu finden. Ich habe daher begonnen mich mit kapazitiven Sensoren zu beschäftigen.

Häufig wird ein preisgünstiger TTP223 IC verwendet, der kapazitive Änderungen durch Verstimmung eines Schwingkreises detektiert.

Laut Datenblatt kann die Empfindlichkeit der Schaltung durch Vergrößerung der Elektrodenfläche, also durch Erhöhung der Gesamtkapazität verbessert werden. Ein parallel zum Sense Pad geschalteter Kondensator verringert allerdings die Empfindlichkeit. Dieser scheinbare Widerspruch löst sich auf, wenn man sich die durch externe Beeinflussung mögliche Änderung der Gesamtkapazität vor Augen führt. 

Ich verwende für meinen Aufbau kleine Module mit aufgelötetem TTP223,

die ein Sense Pad von ca 1,1 cm Durchmesser auf der Rückseite haben.

Für die Kapazität einer Kreisscheibe mit Radius r gilt gegen die Unendlichkeit

C = 8 x epsilon x r

Für einen Radius von 5,5 mm dürfte die Eigenkapazität daher ca. 0,4 pF betragen. Bereits wenn eine feste Kapazität von nur 1 pF parallel  geschaltet wird, kann sich die Gesamtkapazität des Systems durch externen Einfluß nur noch um wenige Prozent ändern. Maximal Empfindlichkeit erzielt man ohne zusätzliche unveränderbare Kapazität.

Um eine große veränderbare Kapazität zu schaffen, habe ich eine Drahtschlaufe an des Sens Pad gelötet.

Laut Nührmann (Das große Werkbuch Elektronik - Teil 1, München, 1989, Franzis Verlag, 5.Auflage, S. 820) gilt für eine mehrlagige Luftspule

wobei U den Umfang der Spule, l die axiale Länge, a den Abstand zwischen zwei Windungen und n die Zahl der Windungen oder Lagen angibt. Für eine Drahtschlaufe von 5 cm Durchmesser aus 0,6 mm Klingeldraht mit 0,3 mm  Kunststoffisolierung in 3 Windungen ergibt sich daher eine Kapazität von ca. 11 pF. Die Empfindlichkeit der Schaltung erhöht sich dadurch drastisch, und die MDF- und die Glasplatte des Tisches stellen kein Hindernis mehr für die Berührungserkennung dar.

Aus einem N-FET vom Typ IRFZ44N und einem 10k Ohm Widerstand habe ich zusätzlich eine Treiberschaltung für die LED Lichterketten realisiert.

Nachdem die Lichterketten mit Heißkleber befestigt sind, und Alles verdrahtet ist, sieht das Innenleben des Tisches wie im Bild unten aus.

Die Rückseite des Tisches habe ich anschließend lichtdicht mit einer weiteren MDF Platte verschlossen.

Der nächtliche Sternenhimmel auf der Tischoberseite erscheint dann im Betrieb wie folgt.

Die Funktion der Berührungssensoren erkennt man am Bestem im Video.

Viel Spaß beim Nachbau eines vielleicht ähnlichen LED Tisches...