Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LED-Umbau Artas NVA Signallampen


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von U. M. (oeletronika)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Hallo,
es geht um ein kleine Projekt mit einer Anzahl alter rustikaler 
3-Farb-Taschenlampen (Marke "Artas") 
https://www.ebay.de/itm/256441278753?chn=ps
aus DDR Beständen, die mit HP-LED Cree XML und einem Li-Akku 18650 auf 
modern frisiert werden sollen.
(so ähnlich wie hier: https://www.youtube.com/watch?v=OCkV8gWi2VU)

Die Lampe soll mit dem originalen Schalter betätigt werden, aber auch 
eine analog Dimmfunktion haben, so dass die Helligkeit mit einem Poti 
einstellbar ist.
Dazu will ich ein Layout mit der Schaltung im Anhang machen.
Ich möchte dabei die geballte Kompetenz der hier im Form versammelten 
Spezialisten nutzen, um evtl. Denkfehler zu offenbaren und nützliche 
Hinweise zu sammeln. Die Schaltung habe ich bisher so noch nicht 
aufgebaut.

Alle Halbleiter sind danach ausgesucht, dass sie privat, preisgünstig 
und möglichst komplett bei einem Distributor (DigiKey) beschaffbar sind.

Die Aufladung des Li-Akku soll mit 5V USB-Netzteil über eine (6-pol.) 
USB-C Buchse erfolgen. Als Lade-IC will ich für U1 (MCP73833, DFN-10) 
nutzen.
Der Ladestrom wird mit einem Widerstand an Pin 6 (Prog) festgelegt.

Um versehentliche Tiefentladung zu vermeiden, z.B. weil jemand die Lampe 
weglegt, ohne sie richtig auszuschalten, soll U11 (MCP65R41-1202E) 
dienen. Mit dem FET M21 wir der Stromfluß durch die LED unterbrochen, 
wenn die Akku-Spannung unter ca. 2,9 V fällt.

Der Stromverbrauch durch die restliche Schaltung sollte dann in der 
Größenordnung ca. 5 uA liegen. Das entspricht einer Entladung von unter 
50 mAh pro Jahr. Deshalb ist auch alles rel. hochohmig ausgelegt.

Die integrierte Referenz von U11 (1,21V) soll gleichzeitig als 
Referenz-Spannung für die Sollwertvorgabe der Stromquellenschaltung 
(U31, M31) genutzt werden. Mit den Widerständen R23...R25 kann der max. 
LED-Strom in Abhängigkeit der Meßshunts (R36...R39) festgelegt werden.

Als Lithium-Akku soll eine hochwertige Zelle Typ: LG INR18650HG2 mit 
Lötfahnen genutzt werden. Diese Zellen ohne (intergrierte 
Schutzbeschaltung!) haben eine sehr "steife" Entladekennlinie,
so dass rel. lange ein hoher Strom aus dem Akku entnommen werden kann
und die Akkuladung mögl. optimal genutzt wird.

Ein Akku, der im Fehlerfall (Kurzschluß) thermisch durchgeht, stellt 
eine hohe Brandgefahr dar. Deshalb muß die Schaltung sehr zuverlässig 
arbeiten.
Um fatale Fehler abzufangen, wird ein dünner Draht (ca. 0,2...0,3mm) als 
Schmelzicherung direkt Reihe zum +Pol des Akku gelötet. Der brennt bei 
Kurzschlußströmen von 50A und mehr zuverlässig durch.

Die Schaltung der Kostant-Strom-Quelle (KSQ) arbeitet mit einem 
Rail-to-Rail OPV, der auch auf minimalen Stromverbauch ausgesucht ist. 
An den Eingängen wird die Spannung von den Meßshunts mit der 
Sollspannung vom Poti verglichen und entsprechend der FET M31 
angesteuert.

Mit dem Widerstand R27 kann der min. einstellbare LED-Strom eingestellt 
werden. Das dient primär dazu, dass man erkennt, dass die Lampe nicht 
ausgeschaltet ist, sondern nur auf geringe Helligkeit gedimmt um 
ungewollte Entladung des Akkus bei längerer Lagerung der Lampe zu 
vermeiden.

Mit dem Tiegpass R31,C31 werden mögliche Spannungssprünge durch 
"kratzen" des Poti gedämpft. C32, C33 sind optional, falls die Schaltung 
zu Schwingungen neigt.

Optional soll innen im Gehäuse noch Platz für ein kleinen Voltmetermodul 
sein, das mit einem Taster aktiviert wird um die Akkuspannung 
anzuzeigen.

Die Cree XML wird auf Alu-Star gelötet bestellt. Der ALU-Träger wird 
dann auf eine zylindrische ALU-Fassung geschraubt (D30mm x 10mm). Die 
drehe ich mir selber auf einer kleinen Drehbank.
Dieser Adapter kommt wiederum auf ein ALU-Kühlblech (ca. 100 x 60mm).
Das Kühlblech wird innen in der Lampe auf die rückseitige Wandung mit 
thermischer Kopplung (Wärmeleitpaste) geschraubt, so dass die Wärme der 
LED möglichst gut auf die gesamte Rückwand verteilt nach außen geht. So 
sollte es kein Problem sein, ca. 4...5W abzuführen.
Abgesehen davon muß man die Lampe ja nicht deuerhaft mit voller Leistung 
betreiben.

Der Reflektor der Lampen wird mit einem Dremel so weit abgeflext, dass 
die LED auf dem ALU-Adapter in den Reflektor paßt. Eine spezielle 
LED-Optik wird nicht verwendet. Die Lampe leuchtet dann mit einem rel., 
großen Winkel, aber das Leuchtbild ist ziemlich homogen, zumindest im 
Vergleich zum Original mit den kleinen Glühlämpchen.

Gibt es Hinweise und Ideen dazu?
Falls es Interessenten gibt, die etwas nachnutzen wollen, kann gerne 
Kontakt zu mir aufgenommen werden.
Gruß Oeletronika

von Arno R. (arnor)


Lesenswert?

U. M. schrieb:
> C32, C33 sind optional, falls die Schaltung
> zu Schwingungen neigt.

Genau umgekehrt. Mit C32/C33 wird die Schaltung auf jeden Fall 
niederfrequent schwingen. Aber auch ohne die wird das wohl so sein, denn 
R32 und R35 sind viel zu hochohmig und machen mit der Eingangskapazität 
des M31 bzw. des OPV jeweils gefährliche Tiefpässe mit der zugehörigen 
Phasendrehung.

Außerdem würde ich die UNterspannungsabschaltung nicht mit einem 
weiteren Mosfet im Hochstromzweig machen, sondern die Referenzspannung 
wegschalten (z.B. P22 auf Masse schalten) oder den Pin 4 von U31 anheben 
oder das Gate von M31 auf Masse legen.

von Michael B. (laberkopp)


Lesenswert?

Arno R. schrieb:
> Genau umgekehrt. Mit C32/C33 wird die Schaltung auf jeden Fall
> niederfrequent schwingen.

Ja. Üblich wäre so
1
        plus
2
         |
3
  +------+---------|>|----------+
4
  |      |                      |
5
Poti----|+\                     |
6
  |     |  >--+--R6---+--------|I MOSFET
7
  |  +--|-/   |       |         |S
8
  |  |   |    Ci      |BC547    |
9
  |  |   |    |       >|--100R--+
10
  |  |   |    Rp     E|         |
11
  |  |   |    |       |         |
12
  |  +---(----+--Rx---(---------+
13
  |      |            |         |
14
  |      |            |       Shunt
15
  |      |            |         |
16
  +------+------------+---------+--o

IRLHM620 zwar 2 x falsch geschrieben  aber richtig ausgesucht, die DC 
Kurve liegt oberhalb, er steuert bei 2.5V voll durch.

Davon 2 in Reihe find ich wie Arno unnötig.

Will man wirklich die Farbfilter vorschieben  oder lieber eine
https://www.mouser.de/new/cree/cree-xlamp-xml-color-g2-leds/

Wenigstens ein 90-white, und keine  cool white mit CRI 65, das wäre ja 
Geisterbahnbeleuchtung.

Wenn man mit 1A zufrieden ist, könnte ein LTC3454 alle Probleme lösen.

von U. M. (oeletronika)


Lesenswert?

Arno R. schrieb:
> U. M. schrieb:
>> C32, C33 sind optional, falls die Schaltung
>> zu Schwingungen neigt.
> Genau umgekehrt. Mit C32/C33 wird die Schaltung auf jeden Fall
> niederfrequent schwingen.
Ok, kann sein.
> Aber auch ohne die wird das wohl so sein, denn
> R32 und R35 sind viel zu hochohmig und machen mit der Eingangskapazität
> des M31 bzw. des OPV jeweils gefährliche Tiefpässe mit der zugehörigen
> Phasendrehung.
Gut, R32 und R35 müssen nicht hochohmig sein. Da fließt ja eh nur der
Gatestrom bzw. Biasstrom.
> Außerdem würde ich die UNterspannungsabschaltung nicht mit einem
> weiteren Mosfet im Hochstromzweig machen,
Da habe ich auch überlegt, ob es nicht einfacher geht.
Normal würde man M31 einfach die Gatespannung gegen gnd klemmen.

> sondern die Referenzspannung wegschalten (z.B. P22 auf Masse schalten)
Da muß man aber beachten, dass U31 eine pos. Offsetspannung haben kann.
Dann kann der Ausgang auch nach High aussteuern, wenn +In auf Masse 
liegt.

> oder den Pin 4 von U31 anheben
Da müßte man also Strom von +Akku nach U31/Pin4 ziehen, z.B. mit einem 
pnp-Trans. Da aber R35 nicht so hochohmig sein sollte, würde diese 
Beschaltung
mehr als paar uA abfließen lassen.

> oder das Gate von M31 auf gnd legen.
Technisch geht das sicher, aber hat auch zur Folge, dass mehr als paar 
uA
von Ausgang U31 nach gnd abfließen.

Der zusätzliche FET mit R_ds von weniger als 5mOhm stört da weniger und 
schien mir die beste Lösung, dass kein zusätzliche Strom abfließt, der 
den Akku über längere Zeit schneller tiefentladen könnte.

Ich danke dir für die Hinweise.
Gruß Oelektronika

von Arno R. (arnor)


Lesenswert?

U. M. schrieb:
> mehr als paar uA abfließen lassen.

U. M. schrieb:
> mehr als paar uA von Ausgang U31 nach gnd abfließen.

Hättest dazuscheiben sollen, daß die TaLa nur eingeschaltet im Schrank 
rumliegen soll. Wozu ist dann eigentlich der Schalter zwischen P15/P16?

U. M. schrieb:
> Der zusätzliche FET mit R_ds von weniger als 5mOhm stört da weniger und
> schien mir die beste Lösung, dass kein zusätzliche Strom abfließt, der
> den Akku über längere Zeit schneller tiefentladen könnte.

Der verbraucht aber Energie im dem Fall, daß die TaLa mal eingeschaltet 
ist.

von U. M. (oeletronika)


Lesenswert?

Michael B. schrieb:
> Arno R. schrieb:
>> Genau umgekehrt. Mit C32/C33 wird die Schaltung auf jeden Fall
>> niederfrequent schwingen.

> Ja. Üblich wäre so        plus
>          |
>   +------+---------|>|----------+
>   |      |                      |
> Poti----|+\                     |
>   |     |  >--+--R6---+--------|I MOSFET
>   |  +--|-/   |       |         |S
>   |  |   |    Ci      |BC547    |
>   |  |   |    |       >|--100R--+
>   |  |   |    Rp     E|         |
>   |  |   |    |       |         |
>   |  +---(----+--Rx---(---------+
>   |      |            |         |
>   |      |            |       Shunt
>   |      |            |         |
>   +------+------------+---------+--o
>
OK,  Ci + Rp am Ausgang werde ich berücksichtigen

Eine Notwendigkeit für den BC547 sehe ich aber nicht, wenn die 
Stromquelle von dem  OPV gesteuert wird.
Die KSQ soll auch mit einer Spannung über die Meßshunts arbeiten, die 
ein gutes Stück unter der U_be eines Transistors liegt, damit der Akku 
auch noch höheren Strom abgeben kann, wenn die Entladespannung langsam 
gegen 3V geht.

> IRLHM620 zwar 2 x falsch geschrieben  aber richtig ausgesucht, die DC
Ja, heißt wohl richtig: IRLHM620

> Davon 2 in Reihe find ich wie Arno unnötig.
Siehe dazu meine Antwort an Arno.

> Will man wirklich die Farbfilter vorschieben  oder lieber eine
> https://www.mouser.de/new/cree/cree-xlamp-xml-color-g2-leds/

Es geht darum, weitgehend den rustikalen Look mit den originalen 
Funktionen der Farbfilter zu erhalten. In Praxis wird man eine TaLa vor 
allem dafür benutzen, im Dunkeln weißes Licht zu machen.
Für RGB-LED würde der Aufwand zur Ansteuerung auch ergeblich größer.
Man bräuchte z.B. 4 Potis oder was anderes?

> Wenigstens ein 90-white, und keine  cool white mit CRI 65, das wäre ja
> Geisterbahnbeleuchtung.
Naja, ist eh nur eine alte Taschenlampe.
Ob richtig hell mit neutral-weiß (ca. 4500...6000K) oder lieber 
warmweiß, aber dafür nicht gang so hell - das ist Geschmackssache.
Der Kumpel, von dem das ausgeht, will vor allem max. Helligkeit haben.

> Wenn man mit 1A zufrieden ist, könnte ein LTC3454 alle Probleme lösen.
Ja, würde sicher auch funktionieren. Halte ich aber für Overengineering.
5,80€ pro Stück bei DigiKey und vergleichweise deutlich mehr 
Schaltungsaufwand als eine einfache analoge KSQ mit einem robusten FET
scheint mir die einfachere Lösung zu sein.
Bezüglich Wirkungsgrad ist da auch nicht wirklich viel mehr rauszuholen.
Gruß Oeletronika

von U. M. (oeletronika)


Lesenswert?

Arno R. schrieb:
> U. M. schrieb:
>> mehr als paar uA abfließen lassen.
> U. M. schrieb:
>> mehr als paar uA von Ausgang U31 nach gnd abfließen.
> Hättest dazuscheiben sollen, daß die TaLa nur eingeschaltet im Schrank
> rumliegen soll.
Aber das ist doch in Praxis meist so.
TaLa liegt monatelang irgendwo rum (zumindest im Sommern) und wenn sie 
mal gebraucht wird, ist sie leer!

> Wozu ist dann eigentlich der Schalter zwischen P15/P16?
Das soll der originale Schalter sein, der oben an diesen Lampen dran 
ist.
Mit einer viertel-Umdrehung kann man den als Taster nutzen und mit einer 
halben Umdrehung auf Dauerlicht schalten.
Rechts neben diesem Knubbel kommt ein Poti, dessen Achse aus dem 
Blechgehäuse ragt. Damit kann die Helligkeit gedimmt werden.
Da gibt es nur das Problem, dass der Dimmer nicht ganz auf Null steht 
und die LED noch immer etwas Strom zieht (z.B. o,5 mA). Das sieht man am 
Tage kaum aber es luscht den Akku in paar wochen leer.

> U. M. schrieb:
>> Der zusätzliche FET mit R_ds von weniger als 5mOhm stört da weniger und
>> schien mir die beste Lösung, dass kein zusätzliche Strom abfließt, der
>> den Akku über längere Zeit schneller tiefentladen könnte.
> Der verbraucht aber Energie im dem Fall, daß die TaLa mal eingeschaltet
> ist.
Ja eben, dazu habe ich ja auch was geschrieben.
- Die minimale einstellbare Helligkeit nicht so gering sein, dass man es 
kaum wahrnimmt.
- Der Tiefentladeschutz verhindert, dass der Akku in kurzer Zeit 
(Wochen,Monate) kaputt geht.
Gruß Oeletronika

von Rüdiger B. (rbruns)


Lesenswert?

So ein Powerbank Modul für 3 EUR und die Hälfte ist fertig.
https://www.ebay.de/itm/264992070573

von Andreas M. (andreas_m62)


Lesenswert?

Es gibt auch Adaptergehäuse in Form einer Flachbatterie (3R12).
Da passen 3 R6-Batterien oder 3 R6-Akkus rein.

von Lu (oszi45)


Lesenswert?

U. M. schrieb:
> Deshalb muß die Schaltung sehr zuverlässig arbeiten.

An den Unterschied zwischen Glühobst, was bei niedriger Spannung noch 
etwas glimmt und einer LED, die da schon zuverlässig finster bleibt, 
wollte ich nur kurz erinnern.

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.