Projekt 48b: LED Taschenlampe

Autoren:Audrey Nkounie, Sandrine Sime
Betreuer: Daniel Klein

Abbildung 1:LED Taschenlampe

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums GET-Fachpraktikum ,der im Modul Mechatronisches System des Bachelorstudienganges Mechatronik ist es die Aufgabe,eine 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. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen während der Abschlusspräsentation in Form einer Messe vorgeführt werden, zusätzlich soll ein spektakuläres Video die Funktion visualisieren. Ziel des Beitrages ist, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.

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

Projektplan

Dieses Projekt wurde vom 16.11.2018 bis 18.01.2019 durchgeführt. Folgender Abschnitt listet der zuvor geplante Durchführung des Projektes auf. diese Aufteilung befindet sich in Abbildung 2.

Abbildung 2:Projektplan

Verwendete Bauteile

Folgende Bauteile wurden für den Projekt benötigt. Die komplete Version finden Sie hier in unserem SVN mit allen Informationen(Preis,Bestelltsort...)

• 2 Keramik-Kondensator 100N
• 5 Widerstand, Metalloxidschicht, 68 Ohm, 0414, 2 W, 5%
• 2 Widerstand, Metalloxidschicht, 1,5 Ohm, 0414, 2 W, 5%
• 2 Spannungsregler, +3,3V, 0,1A, TO-92
• 2 Zenerdiode, 3,6 V, 0,5 W, DO-35
• 2 Schottkydiode, 60 V, 3 A, DO-201AD
• 2 IC-Sockel, 8-polig, superflach, gedreht, vergold.
• 3 Duo-LED, 8 mm, bedrahtet, 3-Pin, rt/gn, 90 mcd, 50°
• 2 MOSFET, N-CH, 100V, 10A, 48W, TO-251AA
• 1 Kupferlitze isoliert, 10M, 1x0,14mm², blau
• 1 Buchsenleiste 1x9
• 2 SMD-Power-Induktivität, PIS2408, Ferrit, 68µ
• 4 Vielschicht-Keramikkondensator 1,0µ, 20%
• 1 Miniatur-Drucktaster 0,5A-24VAC, 1x (Ein), bl
• 1 Kühlkörper, 19,1 mm, Alu, 8 °C/W, TO-220
• 1 Lochrasterplatine, Hartpapier, 50x100mm
• 1 Wärmeleitpaste, Metalloxydpulver, 5ml-Spritze
• 1 LP810 ARM-CORTEX-M0-LPC8100M021GN8FP
• 1 CP2102 USB to TTL USB UART ModuleSerial Converter-Red+Silver+black
• 1 YZ-L1 DIY 10w 110lm 6500K Cold White Light Module (9~10v)

Projektdurchführung

Ziel dieses Projekt ist es ein Taschenlampe aus Glühbirne

Abbildung 3:Schaltplan

in einer LED-Taschenlampe umzuwandeln. Die Power-LED versprechen einen geringeren Stromverbrauch trotz einer höherer Leuchtkraft. Zu diesem Projekt wurde einige Komfortfunktionen eingefügt nämlich eine Batterie status anzeige ,wo der Duo LED (erwähnt in der Bauteile Beschreibung )diese Rolle spielt dazu verschiedene Leuchtkraftstufen. Diese Aufgabe wird durch einem 32-Bit-ARM- Prozessor erledigt,der sogennante LPC810 von NXP.Der LPC810 kann ,dank seiner konfigurierbaren Port- und Peripherie-Logik auch gleich die Aufgabe des Schaltreglers übernehmen.Ein Blick auf den Schaltplan (Abbildung 3) zeigt ,dass die Bauteile auf der rechten Hälfte bilden die Schaltstufe ,links sieht man den Bedienstaster,die Status-LED und die minimalistische Stromversorgung für den mittigen Controller. Um die Betriebsspannung für die Power LED zu erzeugen benötigt man einen Step-up-Konverter(Spüle,Schottky-Diodee und Mosfet IRLU 120N).

Mechanische Aspekte

Die Power LED wurde auf den Kühlkörper mit Hilfe von 2 Schrauben und zusätzlich einem Wärmeleitpaste befestigt.Der Reflektor wurde gefeilt um den mit der Form der Power-LED anzupassen. 2 Löcher wurde auf einer Seite der Taschenlampe gebohrt um einmal die Taster der Batterie anzeige und der Duo LED (mit Hilfe der Wärmeleitpaste)zu befestigen. Für die externen Bauteile sind bei dieser bestückten Platine ,Buchsen für Pfostenstecker verwendet werden.Zur besseren Wärmeabfuhr sind unter dem MOSFET IRLU120N drei Drähte mit der Kühlfahne verlötet. ein 9v Batterie Kappe wurde anschließend in den System verlötet um so einen Batterie-austausch zu erleichtern.

Erläuterung Schaltplan

Auf einer kleinen Lochrasterplatine wurde die Schaltung aufgebaut.Für die Spüle wurde eine SMD-Induktiität genommen.Die ansteuerung des MOSFET übernimmt der LPC810 (Port 0_1) über R3).Damit der Strom korrekt eingestellt werden kann,greift er die Spannung üer der Messwiderstand R1 ab.Die Zenerdiode dient hier bei nur dem Schutz des LPC810 ,falls die Power-LED defekt ist(Kurzschluss).Die Spannungsversorgung des LPC810 erfolgt über den Spannungsregler LP2950 und die daran angeschlossenen Kondensatoren. Die Rot/Grün -Duo-LED ist im Schaltbild als zwei einzelne Leuchtdioden eingezeichnet.an Port 0_4 ist der Taster angeschlossen. Die Regelung des Stroms durch die Power-LED übernimmt der Mikrocontroller.Die Regelung kann auch ohne Software alleine durch die eingebauten Peripherie-Blöcke des LPC810 durchgeführt wird. Beteiligt sind der State ControlledTimer (SCT) und der Analog-Komparator des LPC810. Der SCT erzeugt ein Rechtecksignal für den Step-Up-Konverter. Solange das Rechtecksignal anliegt, steigt die Spannung und damit der Strom durch die Power-LED. Wird der Strom durch die Power-LED zu groß, steigt die Spannung am Messwiderstand.Überschreitet diese Spannung eine vorher eingestellte Referenz-Spannung (festgelegt mit der Widerstands-Leiter innerhalb des LPC810), deaktiviert der Analog-Komparator das Rechtecksignal des SCT so lange, bis die gemessene Spannung wieder unter die Referenz-Spannung abgefallen ist.

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.

Software

Der LPC810 lässt sich mit Hilfe eines USB-Seriell-Wandlers einfach programmieren(Abbildung 4).

Abbildung 4:Bestückungs- und Lötseite des Programmieradapters

Von der Projektseite auf Google Code (code.google.com/p/ lpc81x-led) kann das Hex-File für das Programmieren des LPC810 heruntergeladen werden.Entsprechend dem maximal zulässigen Strom durch die Power-LED muss man das passende Hex-File mit der nächst kleineren Stromangabe verwenden: Für eine Power-LED mit 750 mA also entsprechend lpc810_led_driver_700mA.hex. Mit dem kostenlosen Tool FlashMagic wurde das Hex-File mit den in der Abbildung 5 gezeigten Einstellungen in den LPC810 übertragen.

Abbildung 5:Einstellungen in den LPC810 Mit FlashMagic

Ergebnis

Abhängig vom Zustand der Batterie kann die LED zwischen verschiedenen Farben wechseln(rot,grün).Diese Farbenwechsel sind Signale für den Benutzer.Er kann zum Beispiel dadurch schnell erkennen,wann er sich ein neue Batterie besorgen soll. Die aus dem entnommenen Artikel in c‘t Make: 1/2015 (S. 38ff) untere Tabelle listet alle dieser Farben und ihre entsprechende Bedeutung auf.

kurzes Drücken des Tasters	Anzeige des Batteriestatus,Aufwecken aus dem Standby-Modus
langes Drücken	Umschalten zwischen Low- und High-Power-Mode;einmaliges grünes Blinken beim Start, wenn der Selbsttesterfolgreich war
rotes Dauerblinken der LED	Fehler (z. B. Kurzschluss der Power-LED)
rotes Blinken	Batterie nahezu leer
rotes Dauerleuchten	Batterie sehr schwach
rotes/oranges Blinken	Batterie schwach
oranges Dauerleuchten	Batterie mäßig
oranges/grünes Blinken	Batterie gut
grünes Dauerleuchten	Batterie sehr gut, neu
grünes langsames Blinken	Standby-Modus

Zusammenfassung

Wenn man das Endergebnis dieses Projektes betrachtet und vergleicht es mit der Vorlage des Artikels in c‘t Make: 1/2015 (S. 38ff)., lässt sich von einem erfolgreichen Projekt sprechen. Natürlich könnte man die LED Taschenlampe noch weiter verbessern. Um die noch einfacher zu benutzen,könnte man einen dunkler Detector mit Hilfe eines Operationsverstärkers in der Schaltung einbauen. Aber die Funktionalität ist grundsätzlich gegeben. Gegenüber der Vorlage besteht bei dieser dieser Arbeit sogar der positive Aspekt, dass der Benutzer schnell und einfach erkennen kann,wann die Batterie schwach ist .

Projektunterlagen

1. https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/48b_LED-Taschenlampe/

YouTube Video

1. https://youtu.be/-4-tZyRjNzw

Weblinks

1. https://www.flashmagictool.com (abgerufen am 21.12.2018)

Quellen

- Artikel in c‘t Make: 1/2015 (S. 38ff)

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