LED Fahrrad Lampe

Funktion

Bei diesem Projekt geht es darum, aus einem normalen Fahrrad Batterielicht einen LED Scheinwerfer zu bauen. Verwendet wird hier der Frontscheinwerfer aus einem Beleuchtungsset von Conrad Elektronik: BATTERIE BELEUCHTUNGS-SET (Artikel-Nr.: 853599-14 ) aber das ganze kann natürlich auch an andere Gehäuse/Akku Kombinationen angepasst werden.
Das optische System besteht aus einer Lumiled der Firma Luxeon mit einer Leistung von 1W und einer zur LED passenden Optik. Die Elektronik besteht aus einem hoch effizienten DC/DC-Wandler und einer Batterieunterspannungsanzeige.

Schaltung

Schema des Step-up Wandlers zur LED Velolampe

Das optische System besteht aus einer Lumiled der Firma Luxeon mit einer Leistung von 1W und einer zur LED passenden Optik. Diese Optikmodule sind mit verschiedenen Öffnungswinkel zwischen 10 und 30° erhältlich, das hier eingesetzte Modul besitzt einen eliptischen Kegel, was für einen Fahrradscheinwerfer die beste Wahl ist um die Strasse auszuleuchten. Die LED ohne Optik besitzt einen Öffnungswinkel von 110°.Die Elektronik besteht aus einem hoch effizienten DC/DC-Wandler und einer Batterieunterspannungsanzeige.
Da ich sowieso von Anfang an einen DC/DC-Wandler einsetzen wollte, war es kein Nachteil, dass die Lampe für 2 C-Zellen ausgelegt ist und somit eine Spannung von 1,9 bis 3,0 V zur Verfügung stellt, was für den Betrieb einer weissen LED zu wenig wäre. Durch den Einsatz eines DC/DC-Wandlers ergeben sich mehrere Vorteile, da die LED immer im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, bleibt die Helligkeit der Lampe konstant über die ganze Batterielaufzeit. Wie mancher annimmt, reduziert der DC/DC-Wandler die Batterielaufzeit nur unwesentlich, da beim Einsatz eines simplem Vorwiderstandes wertvolle Energie in Wärme umgesetzt wird und bei diesem DC/DC-Wandler der Wirkungsgrad bei über 85% liegt.Gemäss Datenblatt der LED sind für den Betrieb typischerweise eine Spannung von 3,42 V nötig, der maximale Strom beträgt 0,35 A. Bei der Planung der Schaltung suchte ich einen passenden DC/DC-Wandler Baustein für diese Anwendung. Ich hoffte einen passenden “white LED driver” zu finden oder so. Aber die sind alle für Ausgangsspannungen bis 40 V mit bis zu 10 LED's in Serie gedacht. Auch die Suche nach einem normalen DC/DC-Wander IC der die gestellten Bedingungen erfüllte war schwierig, da für eine LED ein konstant Strom und nicht eine konstant Spannung nötig wäre. Da es für den Bereich von 1,5 bis 3,5 V keine Bausteine mit Stromregelung zu geben scheint, habe ich mich hald mit dem Kompromiss Spannungsregelung zu frieden gegeben.
Zum Einsatz kommt ein LM2621 von National, ein Step-up Wandler der es erlaubt mit einer Eingangsspannung bis hinunter auf 1,2 V zu Arbeiten und einen Strom von bis zu 1 A liefern kann, also ausreichend für diese Anwendung. Durch die hohe Schaltfrequenz von bis zu 2 MHz ist es möglich, kleine Spulen und Kondensatoren zu Verwenden, was eine sehr kompakte Schaltung ergibt.Die Schaltung des DC/DC-Wandlers entspricht grösstenteils dem typischen Aufbau gemäss Datenblatt. Einzelne Bauteilwerte wurden den gegebenheiten angepasst (E6 Reihe anstatt E12, geringfügig höhere Frequenz,…). Bei der Wahl der Diode, ist es wichtig nur Schottky Dioden zu verwenden, da normale Gleichrichterdioden nicht für solche Schaltfrequenzen geeignet sind. Die Spule wurde gemäss Datenblatt ausgelegt und bei einem empfohlenen Hersteller bezogen. Bei der Wahl der Ausgangsspannung des Wandlers wird es etwas knifflig, da jede LED Toleranzen aufweist und darum der Arbeitspunkt jeder LED verschieden ist. Darum ist es nötig, nach dem Zusammenbau den Spannungsabfall über dem 1 Ohm Widerstand R9 zu messen und gegebenenfalls die Widerstände R7 oder R8 anzupassen. Wer möchte kann von vornherein in seiner Version einen Spindeltrimmer oder ein Potentiometer einbauen um die Lampe “abzugleichen”. Man kann die Schaltung weiterentwickeln um z. B. ein Stromregelverhalten zu erhalten. Dazu benötigt man einen zusätzlichen Operationsverstärker, mit dem man den Spannungsabfall über R9 so verstärkt, dass man ein stromproportionales Signal um 1,24 V bekommt (Was der internen Referenzspannung entspricht). Dieses Signal ersetzt dann den Spannungsteiler mit R7 und R8 am Feedbackeingang. Falls jemand plant diese Weiterentwicklung zu realisieren, kann ich das gerne noch besser erklären :-)
Der zweite Schaltungsteil besteht aus einem einfachen Schmitt-Trigger bestehend aus dem Operationsverstärker LMV7271 und den Widerständen R1 bis R4. Die Schaltschwellen sind für normale NiMH/NiCd Akkus ausgelegt, heisst die LED leutchtet wenn die Batteriespannung unter 1,95 V fällt und schaltet bei 2,0 V wieder ein. Die LED ist eine low-current Version und wird mit 2mA betrieben. Der OPV besitzt Rail-to-Rail Ein- und Ausgänge und wird direkt vom DC/DC-Wandler versorgt. Die Batterieunterspannungsdetektion deaktiviert die Lampe nicht, sondern dient nur zur Information, dies ermöglicht Alkali-Batterien zu entleeren bis hinunter auf 0,6 V Zellenspannung. Akkus müssen ersetzt werden wenn die Rote LED leuchtet, da sie sonst zerstört werden!

Aufbau

Layout der LED Velolampe

Beim Layout dieser Schaltung galt es viele verschiedene Anforderungen zu erfüllen die man beachten muss. Als erstes galt es die Konturen der Platine so zu bestimmen, dass sie ins verwendete Gehäuse passt, was vor allem nach dem try and error Prinzip erfolgte (also zeichnen, auf Papier ausdrucken, ausschneiden und ins Gehäuse setzen, korrigieren,…).
Beim Layouten selber galt es vorallem die Anforderungen des DC/DC-Wandlers zu erfüllen (gute und wichtige Hinweise zum Layout im Datenblatt des IC's) und zum anderen, eine möglichst grosse Kupferfläche unter der LED erzeugen zu können. Diese Fläche ist zwingend nötig, da die LED eine nicht unerhebliche Wärmeentwicklung aufweist. Darum ist es nötig, unter der LED eine Kupferfläche zur Kühlung vorzusehen.
Der Zusammenbau der Schaltung gestaltet sich recht einfach, da ausser den IC's alles gut zum löten ist. Vorallem beim DC/DC-Wandler ist besonders darauf zu achten, dass keine Lötzinnbrücken entstehen. Der Aufbau erfolgt gemäss Stückliste, die Reihenfolge sieht etwas so aus: Drahtbrücke, alle SMD, Lumiled mit wenig Wärmeleitpaste zwischen LED und Kupferfläche, Diode, vor dem Einbau Tantalkondensatoren und der kleinen LED müssen die Anschlüsse abgebogen werden, so dass sie später ins Gehäuse passen. Obwohl im Layout eine grosse Klemme eingezeichnet ist, werdern hier die Batteriekabel direkt eingelötet.
Zur Inbetriebnahme verwendet man am besten ein Netzgerät mit Strombegrenzung (auf 0,6 A einstellen) , damit die LED nicht gleich Zerstört wird falls etwas falsch Bestückt wurde. Als erstes fährt man die Spannung des Netzgerätes langsam hinauf bis etwa 3 V. Ab etwa 1,2 V sollte die LED beginnen zu Leuchten und ab etwa 2 V sollte die Helligkeit konstant bleiben. Danach misst man die Spannung über dem 1 Ohm Wiederstand R9, diese Spannung sollte im Idealfall 0,35 V betragen. Falls dieser Wert darüber oder wirklich zu tief (unter 0,3 V) ist müssen die Wiederstände R7 oder R8 angepasst werden (oder falls vorhanden kann diese Spannung nun mit dem Spindeltrimmer angepasst werden).
Danach sucht man mit dem Netzgerät die Ein- und Ausschaltspannung der Unterspannungs-LED. Durch die Wiederstandstoleranzen und die jenachdem angepasste Wandlerspannung weichen diese Spannungen vom Sollwert ab. Bei meiner Lampe schaltet die LED bei einer Spannung vom 1,83 V ein und bei 1,92 V wieder aus, was tolerierbar ist.
Nach dem der Print vollständig bestückt war und funktionierte machte ich Temperaturmessungen, um herauszufinden ob die Kühlfläche genügend gross ist. Wie man auf den Photos (siehe weiter unten) sehen kann wird der DC/DC-Wandler heisser als die LED selber aber liegt durchaus im normalen Rahmen. Die Umgebungstemteratur während den Messungen betrug 26°C. Ich habe mir bis jetzt keine Mühe gemacht um die Temperatur innerhalb des Gehäuses zu messen. Ob die Lampe noch funktioniert, wenn man sie im Sommer im Auto liegengelassen hat (Umgebungstemperatur, > 50°C) weiss ich nicht aber falls die Lampe zu heiss wird, schaltet der DC/DC-Wandler sich selbstständig ab und schützt so die Lampe vor Zerstörung.
Mit den abgebildeten Akkus lässt sich eine Laufzeit von 6,5 h erreichen, bis die Unterspannungsled zu leuchten beginnt. Wie lange man die Lampe bei Einsatz von Alkaliebatterien betreiben kann habe ich bis jetzt nicht getestet, aber eine normale C-Zelle besitzt etwa 8 Ah, also wird die Laufzeit sich mehr als verdoppeln.

Download

Alle benötigten Dateien zum Nachbau der ganzen Schaltung sind in dieser zip-Datei enthalten: led-lampe.zip
Das Schema und Layout sind im Eagle Format und können mit der Freewareversion problemlos bearbeitet werden.
Homepage von Cadsoft, Hersteller von Eagle.

Bezugsquellen

Die meisten verwendeten Bauteile (Widerstände, Kondensatoren, low-current LED,…) sind bei jedem gut sortierten Elektroniklieferanten zu bekommen, wie z. B. Distrelec, Farnell, Conrad oder Reichelt. Die Lumiled und die Optik dazu bekommt man mittlerweile auch recht gut, ich weiss dass sie bei Farnell und Conrad sicher im Sortiment sind. Etwas komplizierter wird es mit den IC's und der Spule, die ich direkt bei den Herstellern als Entwicklungsmuster bestellt habe. Bei Coilcraft, dem Hersteller der Spule, kann man das ganz einfach online machen und man bekommt seine Muster in wenigen Tagen. Bei National Semiconductor war das leider nicht so einfach, da sie mich für Mustersendungen immer an einen lokalen Distributer verwiesen haben. Der Typ am Telefon war wirklich freundlich und nach längerem geschickt den geschäftlichen Fragen ausweichen (…, was für eine jährliche Stückzahl erwarten sie?…) war meine Bestellung in Ordnung und nach “nur” etwa zwei Wochen hatte ich meine IC's zu Hause.
Falls jemand interesse an diesem Projekt hat und sich vor solchen Telefonaten scheut, soll er mir kurz ein Email schreiben, da ich von allen Sachen min. vier Muster bekommen habe, also noch Material für drei Lampen vorhanden ist.

Abschliessendes

Das hier vorliegende Projekt ist “offen”, heisst man kann es weiterverwenden, kopieren, abändern,…, und zwar im Sinne der GPL (GNU public license) die ja auf Hardware nicht 1:1 anwendbar ist. Komerzielle Nutzung dieses Projektes verlangt aber meine Zustimmung.

Falls jemand plant diese Schaltung mit einer 3 oder gar 5 W Version der Lumiled einzusetzen hier noch ein paar Hinweise:

  • DC/DC-Wandler und die LED müssen auf seperaten Prints aufgebaut werden, da sich die beiden Bauteile sonst gegenseitig Aufheizen und so sicherlich ein Wärmeproblem entsteht.
  • Die Kupferfläche unter der LED muss sicherlich vergrössert werden, genaue Infos darüber sind direkt beim Hersteller Luxeon zu finden.

Bilder

Fertige Lampe
Lichtkegel
Temperaturmessung Rückseite
Temperaturmessung Wandler IC
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