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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Überlegungen zu einem LED-Scheinwerfer


Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Ich plane, mir eine Version 2 meines LED-Scheinwerfers zu bauen, der 
folgende Eigenschaften haben soll:

- 6 x 5 W LED weiß, austauschbare Kollimatoren mit 3° oder 6°
  Öffnungswinkel
- Stromversorgung: 5 - 15 V (6 oder 12 V Gelakkus,  je nach Bedarf)
- Stromgeregelter Step-up-Wandler max. 1 A
- MSP430F2012 für den digitalen Regler, Dimmer, Steuerung

Besonderheiten:
+ Es sollen immer mindestens 3 LEDs in Betrieb sein
+ Die zweite Gruppe soll bei Bedarf zugeschaltet werden können

Da ich nur einen Wandler bauen will, muß der maximal ~ 45 V 
Ausgangsspannung liefern können, um alle 6 LEDs in Reihe bei Vollast 
treiben zu können. Das Abschalten der 2. Gruppe würde ich mit einem 
parallelgeschalteten FET machen, der die Gruppe einfach kurzschließt.

Das heißt: Der Regler muß den Wandler so weit drosseln, daß bei 
kurzgeschlossener 2. Gruppe der Sollstrom eingestellt wird.

Der Regler soll im MSP430 implementiert werden, und der Kurzschluß-FET 
soll auch von ihm gesteuert werden - er weiß also im Vorhinein, daß sich 
der Zustand der 2. Gruppe demnächst ändert und kann den Wandler 
entsprechend steuern.

Fragen an die Wandlerprofis:
- Sind meine Anforderungen realistisch?
- Ist die Idee mit dem Kuzschluß-FET brauchbar?
- Worauf sollte ich bei der Auslegung des Wandlers besonders achten?
- Welche Klippen sind beim Aufbau zu erwarten (außer ausreichender
  Kühlung)?
- Wie simuliere ich am besten die Power-LEDs mit Spice?
  (Ich habe bisher keine Bibliothek dafür gefunden.)

Wozu man sowas braucht?
Ich fotografiere wildlebende Eulen. (Anders als viele glauben, sind die 
nicht lichtscheu, sondern Licht scheint in deren Welt einfach nicht 
vorzukommen - sie reagieren - außer mit dem Irisreflex - nicht darauf.)

Der Scheinwerfer gibt nicht nur Sicht und Versteck für den Fotografen, 
sondern ermöglicht die Benutzung des Autofocus. Er hört den Auslöser der 
Kamera ab und schaltet kurz bevor der Verschluß der Kamera startet das 
Licht ab - auf diese Weise werden die Farben durch das 'Gift-Weiß' der 
LEDs nicht beeinträchtigt. (Es kommt natürlich ein Blitz zum Einsatz.)

Da ich das ganze Equipment in einem Kamerarucksack per Fahrrad auf nicht 
immer 4-spurig ausgebauten Radwegen transportiere, muß das Teil 
möglichst klein und leicht sein - die Akkus sind schwer genug... 
(Deshalb der Wunsch, auch mal einen kleinen 6V-Akku einpacken zu 
können.)

Autor: anonymous (Gast)
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Hi Uhu, schau dir mal die p4 leds an, extrem hoher Wirkungsgrad (weniger 
Abwärme, weniger Aufwand, insgesamt günstiger). Für die gibt es auch 
3fach optiken mit ~10° Öffnungswinkel. 3 Stück sollten dir mehr als 
genug Licht geben, das kommt dann an einen 50W Autoscheinwerfer heran. 
Als Akku  würde ich etwas mit mehr als 6V nehmen, einfach weil sonst ein 
großer Anteil an der Diode abfällt und damit der Wirkungsgrad sehr 
niedrig ist.

Wenn du nur 3*p4leds nimmst, hast du eine Vorwärtsspannung von 3*3.7V = 
11.1V. Das lässt sich per step-down bewerkstelligen ==> höherer 
Wirkungsgrad. Als Akku würde ich auch kein Blei nehmen, weil es einfach 
zu schwer ist. Wenn du dran kommst & dich traust li-ion (als pack bei 
ebay ~4€ pro zelle). Damit kannst du dann einen step-down wandler 
aufnehmen, der als Konstantstromquelle geschaltet ist. Sehen wirst du 
damit problemlos auf 50m.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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@ anonymous:

Meine Scheinwerfer-Version 1 ist folgendermaßen aufgebaut:
- 6 x Luxeon Star 3 W
- 2 x 3-fach-Kollimator 6°

Die LEDs werden je 2-Stückweise über (gekaufte) Step-Down-Stromquellen 
gespeist. (Man braucht deshalb 12 V Versorgungsspannung.)

Ein MSP430-F2011 ist für die Steuerung und die Generierung des 
Dimm-Signals für die Stromquellen zuständig.

Das ganze Teil bringt also maximal 18 W auf die LEDs - bei Entfernungen 
bis ~10 m reicht das aus, um den AF benutzen zu können. Darüber wirds 
kritisch bis unmöglich.

Deshalb die 'verschärften' Specs für V2.

Autor: lfuz (Gast)
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könntest du einen link zu version 1 anbieten?

Autor: lfuz (Gast)
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ah.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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@ lfuz:

Leider nein - aber wenns hilft, könnte ich eine Schaltskizze machen.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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anonymous wrote:
> Als Akku  würde ich etwas mit mehr als 6V nehmen, einfach weil sonst ein
> großer Anteil an der Diode abfällt und damit der Wirkungsgrad sehr
> niedrig ist.

Sehe ich das richtig, daß ein Step-Up dieses Problem nicht hat? Da wird 
doch die Diode mit der maximalen Ausgangsspannung (~45 V) versorgt.

> Wenn du nur 3*p4leds nimmst, hast du eine Vorwärtsspannung von 3*3.7V =
> 11.1V. Das lässt sich per step-down bewerkstelligen ==> höherer
> Wirkungsgrad.

D.h., man bräuchte einen Step-Down mit 0,9V Drop - das ist wohl ein 
bischen wenig. (Die gekauften Teile haben auf jeden Fall deutlich mehr.)

Autor: Christian Fasthuber (fasti)
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Hi!

Also selbst bei 6*3W Luxeons kommt man aus maximal 24V wenn alle in 
Reihe geschaltet sind, wie du auf 45V kommst weiß ich nicht. Das mit dem 
Kurzschluß  -FET sollte funktionieren. Ich würde allerdings anstatt LEDs 
abschalten alle 6 LEDs einfach dimmen. Bei batteriebetriebenen Geräten 
würde sich durch verringern des Stroms der LEDs eine Energieersparnis im 
Vergleich zu PWM ergeben, da die LEDs bei geringeren Strömen effizienter 
sind. Du hast aber gesagt, dass du Fotografierst also würde hier wohl 
eher PWM passen, da sich dadurch nicht die Farben ändern. Bedenke, dass 
LEDs nur einen CRI von 65-80 haben, was bei Fotografien für deutlich 
veränderte Farben sorgt. Gerade die Seoul P4 ist hier nicht gerade 
rühmlich, die CREE XR-E ist hier etwas besser allerdings sind die 
Optiken dafür wieder schwer zu bekommen und auch nicht so gut wie die 
der Seoul. Ich würde anstatt den Regler im MSP zu machen, einen eigenen 
Chip von Maxim, TI, Analog oder sonst wem nehmen, erstens weil diese 
Chips wesentlich schneller regeln können als du mit dem MSP, was die 
LEDs schützt und zweitens würde sich der Softwareaufwand beträchtlich 
reduzieren. Ausserdem können diese kleinen Regler wesentlich höhere 
Frequenzen weshalb sich die Bauteilgröße der Spule und Kondensatoren 
erheblich reduziert. Auf eine Temperaturüberwachung nicht vergessen, 
schließlich kosten die LEDs ja einiges.
Zur Simulation der LEDs: Bei Linear Technologies Switcher CAD III gibt 
es Luxeon LEDs, vielleicht kannst du die Parameter für dein Spice 
verwenden oder aber du simulierst gleich in LTSpice.....

Grüße

Fasti

Autor: anonymous (Gast)
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Hallo nochmal,

Eine luxeon 3 star weiß hat optimalerweise 80lumen bei 700mA.
Bei 6 LEDs wären es dann 480lumen, natürlich bei perfekter Kühlung.
Die aufgenommene (und in wärme umgewandelte) Leistung entspricht dann 
6*(3W) = 18W.

Eine p4 led hat bei 1A ungefähr 240lumen. D.h. bei zwei Stück hättest du 
480lumen erreicht. Die dafür aufgenommene Leistung ist 2*(3.7V*1A) = 
7.4W.
Das ist mehr als Faktor 2! Dazu kommt noch, dass der Wirkungsgrad einer 
LED mit der Temperatur sinkt. 18W sind schwieriger abzuführen als 7.4W 
und somit sind der Wirkungsgrad der 18W Version weiter, weil sie einfach 
nicht so kühl bleiben. Und man darf die Verluste im Schaltregler nicht 
vergessen.

So genug Werbung gemacht :)

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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@ Fasti:

> Also selbst bei 6*3W Luxeons kommt man aus maximal 24V wenn alle in
> Reihe geschaltet sind, wie du auf 45V kommst weiß ich nicht.

Für V2 will ich 5W-LEDs nehmen - die haben über 6V Vorwärtsspannung.

> Ich würde allerdings anstatt LEDs abschalten alle 6 LEDs einfach dimmen.

Ich will die beiden Gruppen mit verschiedenen Kollimatoren betreiben und 
die 3°-Gruppe im Nahbereich abschalten.

Dimmen natürlich extra.

> Bedenke, dass LEDs nur einen CRI von 65-80 haben, was bei Fotografien
> für deutlich veränderte Farben sorgt.

Deshalb hört der Scheinwerfer den Auslöser ab und schaltet ~ 10ms bevor 
sich der Verschluß öffnet die LEDs ab - das funktioniert mit Version 1 
prächtig.

Zum Regler:
Die PWM für den Wandler gibt doch die minimal mögliche Reaktionszeit des 
Reglers vor.

Andererseits: Sind bei LEDs denn so große Störungen zu erwarten, daß der 
Regler sehr schnell sein muß? Würde es nicht ausreichen, daß man ihn bei 
Laständerungen relativ träge reagieren läßt und die Abschalterei durch 
präventives Herrunterregeln entschärft?

> Auf eine Temperaturüberwachung nicht vergessen, schließlich kosten
> die LEDs ja einiges.

Die Version 1 habe ich auf einem 10x15 Rippenkühlkörper (als Chassis) 
aufgebaut und die LEDs und Stromquellen einfach mit 
Wärmeleit-Klebstreifen auf die glatte Seite geklebt - im Freiluftbetrieb 
bei Vollast wird der gerade mal lauwarm.

Ich will zwar bei V2 auf einen 10x10 Kühlkörper gehen, aber ich denke, 
daß man auch damit keine großen Verrenkungen wengen Übertemperatur 
machen muß.

> Zur Simulation der LEDs: Bei Linear Technologies Switcher CAD III
> gibt es Luxeon LEDs, vielleicht kannst du die Parameter für dein
> Spice verwenden oder aber du simulierst gleich in LTSpice.....

Danke! Genau das werde ich tun...

@ anonymous:
Die P4 habe ich im Auge dafür... Trotzdem werde ich wohl 6 nehmen und 
mir dann eher noch Gedanken über die Optik machen.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Ich habe mir gerade die Daten der P4 genauer angesehen und das Spektrum 
mit der Luxeon Star III verglichen:

Für die P4 spricht auf jeden Fall der hohe Wirkungsgrad.

Allerdings ist sie deutlich blaulastiger, als die Luxeon.

Da ich bei derart eiskalter Beleuchtung bei Nacht immer das Gefühl habe, 
im Nebel herumzutappen, werde ich wohl eher eine wärmere Lichtquelle 
nehmen - auch wenn die weniger effizient ist. (Der Effekt entsteht bei 
der Luxeon auch, aber es ist - für meinen Begriffe - gerade noch 
erträglich.)

Ursache für den Nebeleffekt scheint mir zu sein, daß ich blau leuchtende 
Gegenstände deutlich unschärfer sehe, als rote, oder gelbe. Dazu kommt 
wohl auch noch, daß Grün unter Weißlicht-LED-Beleuchtung ziemlich 
schlecht rüber kommt.

Nun geben die Weißlicht-LEDs eine Mischung aus den Komplementärfarben 
blau und gelb ab - das gibt dann schon leicht versetzte Doppelbilder. 
Wenn man in diesem Licht eine Wiese mit hohem Gras beleuchtet, wirds 
wirklich komisch... zumindest gilt das für diese Dioden-Stirnlampen mit 
den LED-Eiszapfen drin.

Vielleicht könnte man ja auch statt der weißen LEDs echte RGBs nehmen 
und das Licht damit zusammenmischen - dafür gibts sogar Controller, die 
das Dimmen ohne Veränderung der Farbe erlauben.

Autor: Fasti (Gast)
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Hallo!

Ahja ok, die 5W Luxeons haben mehr Vorwärtsspannung.
Ich habe vorher weniger die Geschwindigkeit der Regelung gemeint, welche 
natürlich durch die PWM Frequenz vorgegeben ist, sondern das, dass durch 
eine höhere Frequenz die Bauteile kleiner werden aber du hast ja 
offensichtlich genug Platz :-). Mit einer Temperaturüberwachung sollte 
nur überprüft werden ob die Temperatur in einem zulässigen Bereich 
bleibt, schließlich verändern viele LEDs bei steigender Temp ihre Farbe 
und die Lebensdauer sinkt.
Ich verstehe nicht ganz, wie ein vorzeitiges Abschalten der LEDs das 
Problem der Farbtreue umgeht....

Grüße

Fasti

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Naja, wenn die LEDs abgeschaltet werden, bevor die Kammera auslöst wird 
die Szene nur noch vom Blitz belichtet, garnicht mehr von den LEDs. 
Diese sind nur dazu da, damit der Autofucus funktioniert.

Autor: Fasti (Gast)
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Ah, jetzt hats klick gemacht, ich hab den Blitz vergessen.....
Vorrausgesetzt er ist stark genug......., 6 P4 LEDs mit Optik leuchten 
weit, sehr weit.....

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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> Diese sind nur dazu da, damit der Autofucus funktioniert.

Nicht nur - ich muß ja auch was sehen... vor allem, wenn es sich um 
kleine Junge handelt: Deren Gefieder sind derart konturenarm, daß der AF 
völlig ausflippt. Da bleibt nur manuelle Fokusierung.

Nochmal zum Step-Up-Wandler:

Der hat doch prinzipiell keinen schlechteren Wirkungsgrad, als ein 
Step-Down - oder sehe ich das falsch?

Da beim Step-Down die Vorwärtsspannung der Diode zwangsläufig einen 
höheren Anteil an der Ausgangsspannung schluckt, als im Step-Up, müßte 
es doch eher umgekehrt sein.

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