Taschenlampendimmer

Bei einer Taschenlampe, an der man einen externen Schalter anschliessen kann, wollte man die Möglichkeit haben, die Helligkeit einzustellen (dimmen).
Die einfachste Variante wäre, wenn man ein Potentiometer zwischen Batterien und Lampe schalten würde. Der grosse Nachteil daran ist, dass am Poti eine beachtliche Leistung umgesetzt wird, da bei der eingesetzten Lampe immerhin 1.5A bei 6V fliessen. Dazu kommt das so ein Poti relativ gross und was viel gravierender ist, dass wertvolle Batterieenergie als Wärme verpufft wird. Eine andere Lösung besteht darin, dass man die Lampe kontinuierlich ein- und ausschaltet und zwar mehrere tausend mal pro Sekunde. Je länger die Lampe eingeschaltet bleibt und je kürzer ausgeschaltet, je heller wirkt die Lampe. Das Auge ist zu langsam um ein Pulsieren zu erkennen. Da die Zustände Ein und Aus viel einfacher zu Realisieren sind und die Verluste in diesen beiden Zuständen sehr klein sind, kann so sehr viel Energie gespart werden und es wird auch nichts heiss. Dieses Prinzip nennt man Puls-Weiten-Modulation kurz PWM und wird in sehr vielen Geräten eingesetzt (man kann damit z. B. auch die Drehzahl eines Gleichstrommotors verändern).
Die Schaltung wurde für eine Batteriespannung von 6V ausgelegt. Sie kann aber mit kleinen Modifikationen auch für andere Lampen mit einer Betriebsspannung zwischen 3 und ca. 40V eingesetzt werden. Der Lampenstrom kann maximal 2A betragen (oder bis zum thermischen Maximum des Leistungsschalters).

Zum besseren Verständnis sind im Schema die Bestandteile der Taschenlampe zusätzlich eingezeichnet (weiss).

Die grösste Schwierigkeit bestand darin, für meine PWM Ansteuerung die nötige Betriebsspannung bereitzustellen. Wie man im Schema sieht, ist die Lampe für eine einpoligen Schalter zwischen Lampe und Batterie ausgelegt ohne zusätzliche Versorgungsspannung oder ähnliches. Dieses Problem habe ich gelöst durch ausnutzen der Momente, in denen die Lampe ausgeschaltet ist. Denn in diesem Moment liegt an der Klemme J1 die volle Batteriespannung an. Mit dieser Spannung wird der Kondensator C3 aufgeladen der die Schaltung speist solange die Lampe eingeschaltet ist. D1 verhindert, dass bei eingeschalteter Lampe C3 entladen wird. D1 sollte eine Schottky-Diode sein, um die Verluste zu verkleinern.
Nachteil bei diesem Prinzip ist, dass man die Lampe nicht ganz auf 100% Leistung bringt, da die Lampe eine minimale Zeit ausgeschaltet werden muss um die Spannungsversorgung aufrecht zu halten. Bei der eingesetzten Lampe konnte etwa 97% der Leistung erreicht werden mit dieser Schaltung.
Für eine möglichst einfache PWM Ansteuerung sind nur die beiden OPs IC3A und IC3D notwendig. IC3D bildet einen Sägezahngenerator. Dieser Bestimmt die Frequenz des PWM Signals. Da ich die Schaltung nicht mehr zur Hand habe, kann ich die genaue Frequenz nicht mehr angeben. Sie beträgt mehrere Kilo Herz (ca. 10 - 30 kHz). Man könnte nun am Positiven Eingang des Komparators IC3A ein normales Potentiometer anschliessen und damit das Puls/Pause Verhältnis am Ausgang von IC3A einstellen. Man kann auch eine beliebige andere Gleichspannung als Steuerspannung einsetzen.
Als alternative für ein Potentiometer werden hier zwei Tasten eingesetzt. Wenn man auf die Tasten drückt wird die Lampe konstant heller bzw. dunkler. Das wird erreicht durch den Integrator IC3B. C1 und R9 bilden eine Integrationskonstante von 1s. Wem das zu schnell ist, kann entweder C1 oder R9 vergrössern.
Der Integrator erhöht/erniedrigt die Spannung am Ausgang solange eine Taste gedrückt ist und behält diesen Wert bei solange sich C1 nicht entlädt. Da die Spannung an C1 die Polarität wechselt kann kein Elko oder Tantalkondensator eingesetzt werden (der eingesetzte Keramikkondensator behält die Ladung auch wesentlich länger aufrecht).
IC3C bildet zusammen mit R5 und R6 einen invertierenden Verstärker mit dem das Signal des Integrators so abgeschwächt wird, damit es optimal mit dem Sägezahngenerator zusammenpasst.
Mit den Widerständen R1, R2 und R11 wird eine virtuelle Masse erzeugt, die den OPs IC3B und C als Referenz dient. Mit den Widerständen R5 und R11 wurde die Schaltung so an die eingesetzte Lampe angepasst, damit sie bei kleinster Helligkeit gerade noch leuchtet und eine möglichst grosse Helligkeit erreicht werden kann.
Als OPs wird ein vier-fach OP vom Typ MCP604 der Firma Microchip eingesetzt, da er für diese Anwendung zwei sehr wichtige Eigenschaften besitzt. Zum einen besitzt er einen sehr hohen Eingangswiderstand was nötig ist beim Integrator durch den hohen Wert von R9 (Auch Messungen mit dem KO können den Integrator sehr stark beeinflussen)
Zum anderen da er ein hohes Gain-Bandwidth-Product besitzt. Dies ist nötig um anständige PWM-Frequenzen zu erreichen.Als Leistungsschalter wurde ein MOSFET Transistor eingesetzt, da diese bei kleinen Spannungen wesentlich kleinere Verluste aufweisen und in kleineren Baugrössen erhältlich sind.
Zum Ansteuern von MOSFETs benötigt man normalerweise eine Spannug zwischen 10 und 15V um sie sicher durchzuschalten. Da dies hier nicht Möglich ist, wird ein sog. Smart-FET eingesetzt den man mit normalen Logikpegeln (Uin > 2.5V) ansteuern kann. Der ganze Rest übernimmt die zusätzliche Schaltung im FET (darum auch die Bezeichnung Smart-FET)
Der Schaltstrom kann maximal 2A betragen oder bei höheren Spannungen bis die max. Verlustleistung erreicht ist (Beim Einsatz des BSP78 kann der Strom auf 3A erhöht werden).
Die Betriebspannung dieser Schaltung kann zwischen 3 und 6V betragen. Aber mit kleinen Modifikationen kann sie bis zu einer Batteriespannung von ca. 40V eingesetzt werden. Es ist sicherzustellen, dass die Spannung am OP 5.5V im Bereich zwischen 2.5 und 5.5V gehalten wird. Dies kann erreicht werden in dem man zum Kondensator C3 eine Zener-Diode parallel schaltet und zwischen der Diode D1 und dem Kondensator C3 einen Widerstand dazwischen schaltet, zur Strombegrenzung durch die Zener-Diode (Diese Modifikation sollte mit ein wenig gebastel auf diesem Print Platz haben).

Von Anfang an war das Ziel, das ganze so handlich wie möglich und auch möglichst klein zu gestalten. Zu diesem Zweck wurde schon sehr früh ein passendes Gehöuse gesucht um in etwa zu wissen wie viel Platz ich für meine Schaltung zur Verfügung habe. Die Wahl fiel auf ein kleines Gehäuse der Firma TEKO das für den Einsatz als kleine Fernbedienung gedacht ist. Es ist sehr handlich und flach.Die Abmessungen betragen: 56,5 x 35,5 x 13,5 mm (L x B x H). Es sind Versionen mit einer, zwei oder drei Tasten erhältlich und bietet Platz für eine 12V Fernbedienungsbatterie (Tastkappen werden mitgeliefert, SMD Taster müssen separat bestellt werden).
Damit die Schaltung in dieses Gehäuse passt, war es unumgänglich das Ganze mit SMD Bauteilen aufzubauen. Wie man dem Print ansieht, wurde praktisch der Ganze im Gehäuse zur Verfügung stehende Platz ausgenutzt. Trotzdem war es möglich, die Schaltung auf einer einseitigen Platine unterzubringen mit gerademal drei Drahtbrücken.
Wer noch nie mit SMD Bauteilen zu tun hatte, sollte vorher ein bisschen üben und sich damit ein wenig vertraut machen. Sonst ist diese Schaltung aber sehr unproblematisch im Aufbau.
Wer für die Anpassung der Schaltung an seine Lampe mit den Widerstandswerten herumprobieren möchte, sollte als Ersatz feine Litzen einlöten und mit bedrahteten Widerständen experimentieren. Sonst sind die Lötpads sehr schnell vom Print verschwunden.\\Der Schalter wird auf der Lötseite montiert, dazu müssen seine Beinchen etwas bearbeitet werden, sonst ist er zu hoch. Damit der Dimmer auch mit Schalter einigermassen Wetterfest ist, sollte man Stück Gummimatte oder ähnliches über den Schalter legen oder wenn die Lampe einen eigenen hat, kann man ihn auch ganz weglassen.

Das Kabel zur Lampe wird an den Anschlüssen neben dem Schalter angelötet und hinten im Gehäuse durch ein Loch herausgeführt. Das Kabel sollte festgeklebt werden, damit kein Wasser eintreten kann.
Alle Bauteile die zum Nachbau dieser Schaltung benötigt werden, können bei der Schweizer Firma Distrelec bestellt werden. Bei den üblichen Elektronikversendern in Deutschland (Conrad, Reichelt, Farnell) sind die wichtigsten Bauteile leider nicht im Sortiment. Falls jemand herausfindet wo man diese Bauteile in Deutschland/Östereich findet wäre ich um ein kurzes Mail dankbar, damit ich das hier nachtragen kann.

Alle benötigten Dateien zum Nachbau der ganzen Schaltung sind in dieser zip-Datei enthalten: pwm-dimmer.zip