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-Uprade für eine Taschenlampe auf Basis eines Artikels vom Januar 2015 aus der Zeitschrift c‘t Make zu erstellen. Dabei gliederte sich die Projektlösung in folgende Phasen:

• Planung des Aufbaus
• Beschaffung der Bauteile
• Realisierung des Aufbaus
• Test und wiss. Dokumentation
• Ausblick

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 (**)

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 μC
• 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 3: Projektplanung

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. Dieser befindet sich auf der rechten Seite und ist in Abbildung 3: Step-Up-Converter 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 3: Step-Up-Converter

1. Fall: Schalter geöffnet und t -> unendlich Liegen z.B. als Eingangsspannung 10 Volt an, so wird die Ausgangsspannung ca. 9.5 Volt betragen, da an der Diode noch etwas 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, also bleibt die Ausgangsspannung erhalten. Außerdem wird die Spule kurzgeschlossen (der Schalter darf nur für einen Bruchteil einer Sekunde geschlossen werden, ansonsten wird die Spule zerstört). 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, ganz ohne Software.

Der Komparator vergleicht die Spannung an dem 1,5 Ohm Widerstand mit einer vorher eingestellten Referenzspannung. 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.

YouTube Video

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