Problem

Das Problem ist schnell erklärt: Manchmal ist es dunkel, und man braucht eine Taschenlampe. Wenn dann in einem Technikerhaushalt keine* zu finden ist und außerdem gerade die LED-Beleuchtung in aller Munde ist, reift die Idee zu einem Selbstbau, allein schon, um etwas zu lernen. (Ironischerweise tauchte kurz nach dem Reifen der Idee meine lang verschollene gute Handlampe wieder auf.)

* gemeint ist: keine ohne Wackelkontakt und mit Batterien, die noch nicht leer sind

Lösung

Technik

Grundkonzept

Zum Einsatz kommt ein Luxeon star/o-LED-Modul. Da ist die LED auf einer Alukern-Trägerplatine montiert und hat außerdem eine Linse, die den Strahl in einem sehr praxisgerechten Winkel bündelt und auch für eine äußerst gleichmäßige Ausleuchtung sorgt. Viel besser als die Reflektoren von normalen Taschenlampen.

Die Flussspannung liegt irgendwo zwischen 3,0 und 3,5 V. Der Li-Ion-Akku des Handys darf bis 2,7V entladen werden und wird auf 4,1 V aufgeladen. Für einen solchen Fall (und weil es um den Lerneffekt ging) bietet sich deshalb ein Buck-Boost-Spannungswandler an, der eine gegebene Eingangsspannung sowohl auf- als auch abwärts wandeln kann.

Im zugehörigen Schaltplan ist zwar doch eine ganze Menge Widerstände zu sehen, aber ansonsten ist der Bauteilaufwand wirklich auf das allernötigste beschränkt.

Überlegungen zum Schaltwandler

Bei einem Buck-Boost-Wandler wird während der Einschaltphase des Leistungstransistors Energie in eine Spule geladen, die während der Ausschaltphase in den Verbraucher entladen wird. Um eine gewünschte Leistung zu übertragen, ergibt sich ein im Verhältnis zum mittleren Verbraucherstrom recht hoher Spitzenstrom in der Spule, für den diese ausgelegt sein muss.

Der interne Oszillator des Controllers läuft mit max. 8 MHz. Ein Maschinenzyklus dauert 4 Oszillatortakte und damit 0,5 µs. Dies ist auch die Auflösung des Timers. In der Interruptroutine muss die Berechnung der neuen Timerwerte und etwas sonstige Verwaltungsarbeit erfolgen. Wenn dafür 20 Befehle nötig sind, bedeutet das schon 10 µs Laufzeit der ISR. Wenn also ein Stellbereich zum Ausregeln der Eingangsspannungsschwankungen bleiben soll, muss die Wandlerfrequenz recht niedrig sein. Dies erfordert eine hohe Induktivität. Zusammen mit dem hohen Spitzenstrom heißt das, dass die Spule recht große Abmessungen haben wird.

Bei vorgegebener Induktivität gilt: Aus der Energie in der Spule, die über den Verbraucher entladen werden muss, und der minimalen Entladespannung (kleinste angenommene LED-Flussspannung plus Durchlassspannung der Catchdiode) ergibt sich die minimale Ausschaltzeit, die nicht unterschritten werden darf. Umgekehrt ergibt sich aus der niedrigsten Eingangsspannung und dem Spitzenstrom, der nötig ist, #### Konstantleistung, keine Rückkopplung des Stroms -- hier fehlt noch was ####

Akkuladung

Die Ladeschlussspannung genau einhalten, den Ladestrom begrenzen, dazu die Nachrichten über explodierende Li-Ion-Akkus aus den letzten Jahren - das würde bestimmt kompliziert und unsicher werden. Aber es gibt ja integrierte Lösungen. Der MAX1811 hat 8 Pins, wird zwischen Gleichspannungsquelle (USB-Port oder Steckernetzteil) und Akku geschaltet und macht alles automatisch. Über Pins werden Ladeschlusspannung (4,1 oder 4,2 V) und Strom (100 oder 500 mA) gewählt. Den Enable-Pin mit dem Eingang verbinden und eine Leuchtdiode mit Vorwiderstand als Ladekontrollanzeige an den /CHG-Ausgang - fertig.

Es wird im Datenblatt sogar ausdrücklich erlaubt, sich auf die chipinterne Temperaturbegrenzung zu verlassen, die den Ladestrom nötigenfalls reduziert, um den Chip zu schützen. Problemloser kann es wohl nicht sein. Und man kann den Baustein sogar einfach bei Reichelt kaufen (nicht ganz billig), wenn man nicht den Maxim-Musterversand ausnutzen will.

Die dicke Z-Diode am Eingang ist aus Sicherheitsgründen drin (im Schaltplan, nicht in meinem Exemplar), weil einige Siemens-Ladegeräte zumindest im Leerlauf eine höhere Ausgangsspannung haben als der MAX1811 verträgt.

Spannungsreferenz

Ohne geht es leider nicht. Die Betriebsspannung schwankt ja, und der Spulenstrom soll konstant gehalten werden, also muss eine konstante Referenz für den Komparator her. Der Prozessor hat eine eingebaut - die besteht aber aus einem schaltbaren Spannungsteiler, der an der Betriebsspannung hängt. Man könnte also den ganzen Prozessor an einen Low-Drop-Spannungsregler hängen. Als Standardbauteil bietet sich stattdessen aber eine TL431-Stromdiode an. Deren Spannung von 2,5 V wird dann auf die gewünschte Komparator-Schaltschwelle, die sich aus dem Strommesswiderstand und dem benötigten Spulen-Spitzenstrom ergibt, heruntergeteilt.

Die Referenz wird auch für die Low-Battery-Anzeige verwendet. Der AD-Wandler im Prozessor nutzt als obere Referenz die Batteriespannung. Diese kann also als Messwert "Vollaussteuerung" angenommen werden. Mit sinkender Batteriespannung steigt aber nun der AD-Wert der konstanten Spannungsreferenz, weil sich die Batteriespannung der niedrigeren Referenzspannung annähert. In der Software ist für den AD-Wert der Spannungsreferenz ein Grenzwert definiert, bei dessen Überschreiten die Lampe ein paar Mal blinkt (um auf die leere Batterie hinzuweisen) und dann abschaltet.

Bedientaster

Zur Pinersparnis werden die Taster über einen Analogeingang abgefragt. Zu beachten ist hier, dass der Prozessor über eine Interrupt-On-Change-Funktion für die Pins verfügt, über die er aus dem Sleep-Zustand aufgeweckt werden kann. Damit das funktioniert, muss der Ein-/Aus-Knopf aber digital abgefragt werden können. Deshalb zieht er den Tasterpin ganz auf Masse, während die beiden anderen Tasten über Widerstände codiert sind und damit mittels ihres Analogwerts unterschieden werden können. Die besten Widerstandswerte für die AD-Werte mit dem größten Abstand lassen sich leicht mit einer Excel-Tabelle herausfinden (die Tabelle im Bild war noch für 3 codierte Tasten ausgelegt, daher ist der eine Widerstandswert auf "99999" gesetzt, um ihn vernachlässigen zu können).

Aufbau

Software

Benutzung

Bedienkonzept

Der einzelne Knopf auf der rechten Seite (von der Tastaturseite gesehen) dient immer als Ein-Aus-Schalter.

Die Lampe hat zwei Betriebsarten: Dauerlicht und Blinkmuster. Nach dem Einschalten ist sie immer im Dauerlichtmodus, wobei die zuletzt benutzte Helligkeit wieder eingestellt wird.

Im Dauerlichtmodus kann mit den Knöpfen auf der linken Seite die Helligkeit stufenweise eingestellt werden.

Gleichzeitiges Drücken der beiden linken Knöpfe wechselt zwischen Dauerlicht und Blinkmuster.

Im Blinkmodus kann mit den Knöpfen auf der linken Seite das Muster ausgewählt werden (z.B. SOS, Stroboskop, Warnblitz, Blinken).

Der Wirkungsgrad

scheint recht niedrig zu sein, wobei zu klären wäre, woran das liegt. Die Auslegung des Schaltwandlers auf max. 32 µs Einschaltzeit und 20 µs Ausschaltzeit bei einem maximalen Strom von 1,8 A im Zweig Spule, Transistor, Strommesswiderstand bedeutet einen mittleren Strom von 0,5 * 1,8 A * 32 µs / (32 µs + 20 µs) = 0,55 A. Der Widerstand von Transistor, Spule und Messwiderstand liegt in der Summe bei 0,45 R. Das sind nur 130 mW Verlust. Zusätzlich fällt noch der mittlere LED-Strom von 0,35 A an der Diode ab, was bei rund 0,4 V Flussspannung nochmal 140 mW ergibt. Der Verbrauch des Controllers wird mit höchstens 15 mW angenommen. Daraus sollten bei 1 W LED-Leistung also 1/1,29 = 78% Wirkungsgrad möglich sein. Man müsste es mal nachmessen.

Obwohl der Akku ja schon im Handy benutzt wurde, als es noch Handy war, und dann ein paar Jahre in der Schublade lag, und trotz des nicht so tollen Wirkungsgrads des Spannungswandlers läuft die Lampe noch 80 Minuten bei voller Helligkeit. Das ist durchaus praxistauglich.

Zudem ist die Handylampe ¹/₃ leichter als die Philipslampe, nicht so klobig und dabei viiiiiiel heller.

Muss das denn so hässlich sein?

Nein, wahrscheinlich nicht. Aber mir war Alleskleber aufs Display gekommen, und das Reinigungsbenzin stand noch im Supermarkt. Also musste der mittlerweile harte Kleber mit Schleifpapier runter, dann war das Display natürlich völlig versaut. Silikon in anderen Farben war auch nicht da, und die matte Stelle ist ein Stück Papier, das die Spule abdeckt, unter die sonst kein Silikon gekommen wäre, weil sie ja höhenmäßig gerade so reinpasst.

Und am Ende war mir völlig egal, wie der Kram aussieht. Es sollte bloß fertig werden. Fazit: Ja, es muss so hässlich sein.

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