Projekt 48: LED Taschenlampe

Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Projektes, welches im Rahmen vom Fachpraktikum Elektrotechnik im 5. Semester Mechatronik absolviert wurde. Ziel des Beitrags ist es, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.

Autoren: Robin Kirsch, Marcus Irmer

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Die Aufgabe bestand darin, ein LED-Upgrade für eine Taschenlampe auf Basis eines Artikels vom Januar 2015 aus der Zeitschrift c‘t Make zu erstellen. Die Taschenlampe soll mit einem Mikrocontroller versehen werden, der sich so programmieren lässt, dass die Taschenlampe über eine Duo-LED den Ladestatus der Batterie anzeigt und über einen Taster verschiedene Modi wählbar sind. Darüber hinaus regelt der Mikrocontroller, wann die LED in den Low-Light- oder Stand-By-Modus wechseln soll und weitere kleinere Einstellungen.

Erwartungen an die Projektlösung

• Lesen Sie den Artikel in c‘t Make: 1/2015 (S. 38ff).
• Planen Sie den Aufbau
• Beschaffen Sie die Bauteile
• Realisierung des Aufbaus
• Machen Sie ein spektakuläres Video, welche die Funktion visualisieren.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (**)

Projekt LED-Taschenlampe

Verwendete Bauteile

• 1x Hochleistungs-LED, 9 - 12V
• 1x Strangkühlkörper
• 1x Duo-LED rot/grün
• 1x Mikrocontroller LPC810M021FN8, 8DIP, 32 Bit
• 2x DIL8 Fassung für den Mikrocontroller
• 1x Spannungsregler LP2950-3.3V
• 1x Leistungs-MOSFET IRLU120
• 1x Schottky-Diode
• 1x Zenerdiode 3,6V
• 1x Induktivität 68μH, 2A belastbar
• 1x 1,5 Ohm Widerstand
• 4x 68 Ohm Widerstände
• 1x 100 nF Keramik - Kondensator
• 3x 1 μF Keramik - Kondensatoren
• 1x Lochrasterplatine
• 1x Taster
• 1x USB 2.0 Serial - Converter zum Flashen des Mikrocontroller
• Kupferlitze zur Verdrahtung
• Wärmeleitpaste

Projektplan

Der Projektplan veranschaulicht die einzelnen Arbeitsvorgänge im Groben und stellt ihre zeitliche Dauer dar. So kann man erkennen, welche Aufgabe, wie viel Zeit in Anspruch genommen hat.

Abbildung 1: Projektplanung

Projektdurchführung

Abbildung 2: Schaltplan

Abbildung 3: simulierte Schaltung

Abbildung 4: dreidimensionale Schaltung

Abbildung 5: Verdrahtung

Als Grundlage für die Umrüstung diente die Schaltung (Abbildung 2: Schaltplan). Darauf aufbauend wurde die Bauteilliste erstellt. Dabei wird ein Mikrocontroller verbaut, der zum einen die Bedienung der Taschenlampe steuert und zum anderen die Aufgaben eines Schaltreglers übernimmt. Denn Power-LEDs sind etwas eigenwilliger als Glühlampen: Statt einer konstanten Spannung erwarten sie einen konstanten Strom, und ihre (keineswegs konstante) Brennspannung liegt mit über 10 Volt deutlich höher als bei üblichen Lämpchen oder auch normalen LEDs. Also muss eine Schaltung her, die aus der niedrigen Batteriespannung eine höhere macht und gleichzeitig den Strom auf den gewünschten Wert begrenzt, ohne dabei allzu viel Verlustleistung zu erzeugen. Dafür eignet sich am besten ein Aufwärts-Schaltregler, der unten erklärt ist. In der Schaltung sind zudem ein Taster für die Bedienung und links zwei LEDs zur Statusrückmeldung verbaut, welche im realen Aufbau als Duo-LED zusammengefasst wurden. Als Ausgangsperipherie dient dann die Power-LED rechts in der Schaltung. Der Schaltplan wurde daraufhin mit dem Programm Multisim realisiert und anschließend in das Programm Ultiboard (Abbildung 3: Schaltung) übertragen.

Für die Power-LED wurde ein Adapter entworfen, der auf die alte Glühlampenfassung gesetzt wird und einen Kühlkörper beinhaltet, der die Wärme abführt. Für den Taster und die Status-Duo-LED wurden zwei Bohrungen an der Seite der Fassung vorgenommen. Die simulierte Schaltung ist anschließend auf eine Lochrasterplatine übertragen und aufgelötet worden. Die Verdrahtung der Hauptplatine ist in Abbildung 5 zu sehen. Für den Controller ist eine Fassung verbaut, sodass dieser leicht entnehmbar ist, um ihn zu Flashen. Zum Flashen wurde dafür ein weiterer Adapter entworfen, der die entsprechenden Pin-Belegungen des Controllers mit einem USB-UART-Wander verbindet. Für die externen Bauteile sind darüber hinaus Pfostenstecker benutzt worden, um sie einfacher kontaktieren zu können.

Erläuterung Schaltplan

Der Schaltplan besteht prinzipiell aus einer Stromversorgung, einem Mikrocontroller, den Bedienelementen und einem Step-Up-Converter. Auf der linken Seite des Mikrocontrollers findet man die Bedienelemente (Taster) zum Ein- und Ausschalten der Power-LED, sowie die Anzeige durch die Rot-Grün Duo-LED. Da die Power-LED eine hohe Betriebsspannung benötigt, benötigt man einen Step-Up-Converter. Diese Schaltstufe befindet sich auf der rechten Seite und ist in Abbildung 6 vereinfacht dargestellt. Es handelt sich um eine Spule in Reihe mit einer Diode. Außerdem enthält die Schaltung einen MOSFET (hier als Schalter dargestellt) und einen Kondensator.

Abbildung 6: Step-Up-Converter

Abbildung 7: Aufbau Mikrocontroller

1. Fall: Schalter geöffnet und t strebt gegen unendlich: Liegen z.B. als Eingangsspannung 10 Volt an, so wird die Ausgangsspannung ca. 9.5 Volt betragen, da an der Diode eine geringe Diodenspannung abfällt. Der gewünschte Effekt der Verstärkung der Eingangsspannung ist also noch nicht eingetreten.

2. Fall: Schalter geschlossen: Wenn der Schalter geschlossen ist, verhindert die Diode ein Entladen des Kondensators, sodass die Ausgangsspannung erhalten bleibt. Außerdem wird die Spule kurzgeschlossen. Der Schalter darf jedoch nur für einen Bruchteil einer Sekunde geschlossen werden, da ansonsten die Spule zerstört wird. Dadurch speichert die Spule Energie in Form eines Magnetfeldes.

3. Fall: Schalter erneut geöffnet: Wenn man den Schalter nun erneut öffnet, versucht die Spule den Stromfluss aufrecht zu erhalten. Das bedeutet, dass Sie die vorher abgespeicherte Energie über die Diode und den Kondensator abgibt. Somit summiert sie sich am Kondensator auf.

Interessanterweise regelt der hier verwendete Mikrocontroller den Step-Up-Converter von ganz alleine über die integrierten Peripherie-Blöcke SCT (State Controlled Timer) und einem Komparator hardwaretechnisch und ganz ohne Software.

Der Komparator vergleicht die Spannung an dem 1,5 Ohm Widerstand mit einer vorher eingestellten Referenzspannung, um den Strom korrekt einzustellen. Der SCT liefert ein Rechtecksignal mit einer gewissen Frequenz und steuert so den MOSFET. Übersteigt die Spannung die Referenzspannung, schaltet sich der SCT ab und die Spannung sinkt wieder. Wenn die Spannung wieder unterhalb der Referenzspannung ist, schaltet sich der SCT wieder an (Abbildung 7: Aufbau Mikrocontroller).

Software

Der Mikrocontroller übernimmt außer das Steuern des Step-Up-Converters noch softwaremäßig die Berechnung des Batteriestatus, das Entprellen der Taster und die Kontrolle der Rot-Grün Duo-LED Anzeige.

Die Software wird mithilfe eines USB-Seriell-Wandlers auf den LPC810-Mikrocontroller übertragen, indem dieser über eine Adapterfassung mit dem Wandler verbunden und an einen Computer angeschlossen wird. Optimal geeignet sind USB/UART-Adapter, die auch bereits eine 3,3 Volt Ausgangsspannung bereitstellen. Masse (GND) und Versorgungsspannung (3,3V) sowie RXD und TXD müssen dann nur entsprechend mit dem LPC810 verbunden werden. Wichtig ist noch, dass zum Programmieren der GPIO-Anschluss 0_1 (Pin 5) mit Masse verbunden ist.

Mit dem kostenlosen Tool FlashMagic überträgt man anschließend das Hex-File mit dem Programmcode auf den LPC810.

Fazit und Ausblick

Als Ausblick wurde zur Ergänzung eine hardwaregeregelte PWM-Schaltung entwickelt. Der Pulsweitenmodulationsgenerator generiert aus einer Gleichspannung ein Rechteckssignal, welches zwischen der Maximalspannung und der Nulllage alterniert. Dabei lassen sich sowohl die Frequenz der Rechtecksspannung sowie der Tastgrad des Pulses, also die Breite der ihn bildenden Impulse, variieren. Die Schaltung ist aus mehreren Widerständen, Potentiometer, Kondensatoren, Dioden und zwei ICs aus SMD aufgebaut und ist für eine Spannung von 12 V ausgelegt. Die Schaltung kann jedoch auch mit einer minimalen Spannung von 4,74 V fehlerfrei betrieben werden. Zwei Potentiometer dienen darüber hinaus zur Regulierung der Frequenz bzw. der Pulsweite.

Ein reines pulsbreitenmoduliertes Signal wird beispielsweise erzeugt, indem im IC100 ein linear an- oder absteigendes Signal, z.B. eine Dreieckspannung, mit dem analogen Eingangssignal verglichen wird, das je nach seinen Einstellungen eine kurze oder lange Zeit über diesem liegt, sodass an den Schnittpunkten das Ausgangssignal zwischen zwei Logikpegeln, in diesem Fall 0 V und 12 V, umgeschaltet wird. Eine einfache Möglichkeit der Regelung besteht zudem darin, eine der Zeitkonstanten einer astabilen Kippstufe mit dem Eingangssignal zu beeinflussen.

Bei der vorliegenden Schaltung sind Frequenzen im Bereich von 6,4 Hz bis 208,4 Hz regulierbar, sodass sich eine Breite von über 200 Hz ergibt. Die Pulsweite ist von 0 % bis 100 % durch das zweite Potentiometer regelbar (jeweils bei U = 12 V gemessen). Die Pulsweiten- und Frequenzänderung sind beispielhaft in der Abbildung 9 bzw. Abbildung 10 dargestellt. Die Eingangsspannung ist je mit gelb leicht nach oben versetzt abgebildet. Links in blau sieht man in der Abbildung 9 das Ausgangssignal mit einer Pulsweite von 83,3%, rechts in blau das Ausgangssignal mit einer Pulsweite von 13,1 %. In Abbildung 10 indessen links das Ausgangssignal mit einer Frequenz von ca. 7 Hz, rechts das Ausgangssignal mit einer Frequenz von ca. 45 Hz. Alle Angaben sind an der aufgebauten PWM-Generator-Schaltung real gemessene Werte und wurden mit einem Oszilloskop aufgenommen.

Der genaue Aufbau kann auf Anfrage eingesehen werden.

Abbildung 8: PWM-Generator-Schaltung

Abbildung 9: Pulsweitenänderung

Abbildung 10: Frequenzänderung

Weiterführende Links

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Aufw%C3%A4rtswandler (abgerufen am 08. Oktober 2015)
2. https://www.youtube.com/watch?v=aYTyp2aQB4c (abgerufen am 09. Oktober 2015)
3. https://www.flashmagictool.com (abgerufen am 17. November 2015)

YouTube Video

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