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LED-Taschenlampe

Im Rahmen der Beleuchtungsaktion f√ľr den Gameboy meines Sohnes habe ich schon mit Step-Up-Schaltwandlern und wei√üen LEDs zu tun gehabt und bin in diesem Zuge damals √ľber die Seite von Burkhard Kainka gestolpert, wo sich Schaltbilder f√ľr diskret aufgebaute Schaltwandler finden (im Gegensatz zu meiner integrierten L√∂sung mit dem Zetex Baustein).

Ein eifriger Nachbauer der Kainka¬īschen L√∂sung hat damals schon den Gedanken gehabt, die Schwelle der minimal nutzbaren Eingangsspannung durch Einsatz von Germanium-Tranistoren noch weiter nach unten zu schieben, so dass die ca. 0,7 V Eingangsspannung, bei der Silizium-Transistoren nicht weiter k√∂nnen, “...nicht das Ende der Fahnenstange...” (Zitat von Dirk ;-) sind.

Vor einiger Zeit hat mich ein “Leser” meiner Seiten angeschrieben und mich um Mithilfe beim Bau eines StepUp-Wandlers f√ľr 0,3 V Betriebsspannung gebeten. Da mich das Thema schon damals interessierte, aber au√üer dem Hinweis von Dirk Beilker in Burkhard Kainkas Bastelecke, dass es prinzipiell m√∂glich ist und funktioniert, keine weiteren Angaben zu finden waren, habe ich mich daran gemacht und versucht, die Idee in eine funktionierende Schaltung umzusetzen.

Der herausragende Grund f√ľr mein Interesse an diesem Projekt liegt nicht zuletzt in der gedachten Verwendung dieses 0,3 V-Wandlers als Antrieb f√ľr eine LED-Taschenlampe.
Eine LED-Taschenlampe, die noch ein bisschen mehr Energie aus einer sowieso schon fast leeren Batterie saugt? Weit gefehlt! Rainer möchte seine Taschenlampe mit einem Wärmegenerator betreiben. Man nimmt die Taschenlampe in die Hand und die Handwärme lässt die LED leuchten. Faszinierend ;-)

Von so genannten Peltier-Elementen hat ja wahrscheinlich schon jeder mal gehört. Nicht? Doch!
In den Auto-K√ľhlboxen, die regelm√§√üig im Sommer in Superm√§rkten angeboten werden, sind welche drin, von einigen Computerfreaks werden sie zum K√ľhlen ihrer √ľbertakteten HighEnd-CPUs verwendet.
Die Funktionsweise: Man legt eine Spannung an die beiden Pole eines Peltier-Elementes an und zwischen den gegen√ľber liegenden Seiten des Elements bildet sich ein W√§rmegef√§lle, eine Seite wird hei√ü, die andere kalt. Dieser Vorgang ist nicht sehr effektiv, man muss einige Ampere spendieren um wenige Grad Temperaturunterschied zu erreichen, aber es funktioniert.

Dieser physikalische Effekt l√§sst sich auch umkehren. Man k√ľhlt die eine Seite eines solchen Elements, die andere wird erw√§rmt und zwischen den Polen bildet sich eine Spannung. Der aufmerksame Leser merkt schon, in welche Richtung das geht. Allzu gro√ü ist die resultierende Spannung n√§mlich nicht, wenn die Temperatur nur moderat unterschiedlich ist, nicht umsonst soll der StepUp-Wandler schon bei 0,3 V arbeiten.

Bleibt noch zu erwähnen, dass moderne Wärmegeneratoren aus anderem Material hergestellt werden als Peltier-Elemente und dass diese Teile nicht gerade billig sind. Einzelheiten zu diesen Generatoren findet man auf der Seite von thermalforce.de.


Doch jetzt zur Schaltung:
Die erste H√ľrde, die es zu √ľberwinden galt, war die Beschaffung der notwendigen Germanium-Transistoren, deren Verbreitungsgrad in den letzten Jahrzehnten ziemlich zur√ľck gegangen ist. Trotzdem kann man z.B. bei Reichelt noch den einen oder anderen Typ ergattern. Eine andere (in diesem Fall ergiebigere) Quelle ist Pollin.

Meine urspr√ľnglichste Idee, einfach die Schaltung von Burkhard zu verwenden und lediglich die Silizium- Transistoren durch solche auf Germanium-Basis zu ersetzen hat nat√ľrlich nicht funktioniert. Erst nach hilfreichen Tipps von Dirk, der sogar die Schaltung nochmals mit den selben Transistoren aufgebaut hat, die mir zur Verf√ľgung standen, ist es mir gelungen, meinen ersten Prototyp bei 0,3 V Versorgungsspannung zum Schwingen zu bekommen. An dieser Stelle meinen Dank an Dirk!
Allerdings reichte die erzeugte Ausgangsspannung noch nicht, um eine wei√üe LED zum Leuchten zu √ľberreden. Eine rote LED funktionierte aber ;-)

Parallel dazu habe ich bei Pollin Germanium-NPN-Typen bestellt. Der n√§chste Versuch hat dann sofort geklappt, die bis dahin unwillige Schaltung hat geschwungen wie sie sollte, nur die minimal m√∂gliche Eingangsspannung war mir noch etwas zu hoch, au√üerdem lie√ü die Lichtausbeute noch stark zu w√ľnschen √ľbrig.

In die n√§chste Runde ging ich, nachdem ich bei Reichelt einen Lagerabzug an HF-Drosseln und sonstigen geeignet erscheinenden Spulen gekauft hatte. Jetzt konnte ich mit Mu√üe die am ehesten in Frage kommende Induktivit√§t  herausfinden. Mit den passenden Werten f√ľr die Bauteile haben dann auch die Randbedingungen wie LED-Helligkeit und minimal m√∂gliche Eingangsspannung gestimmt.


Eine kleine Sammlung meiner Versuche gefällig?

Version 0.1Hier habe ich versucht, einen IC-Sockel als Steckbrett zu missbrauchen, da ich davon ausgegangen bin, dass ich die Werte der Widerstände und Kondensatoren experimentell ermitteln muss.
Na ja, zumindest den letzten Teil des Satzes kann ich bestätigen :-)

Links neben dem IC-Sockel schaut gerade noch das erste Poti um die Ecke, das ich auf der Suche nach dem passenden Widerstandswert verwendet habe.

Am linken Bildrand neben der roten Leitung sieht man zwei kleine Leiterplatten. Die gehören zur Gameboy-Beleuchtung.

 

Version 0.2Die n√§chsten Ans√§tze habe ich dann “konventionell” als Drahtverhau aufgebaut, da sich mein “Steckbrett-Ersatz” als doch nicht so toll herausgestellt hat.

In dieser Version sind schon zwei Potis am Werke.

 

 

 

 

 

Version 0.3Was die elektrischen Eigenschaften der Schaltung angeht, hat sich am wirkungsvollsten die √Ąnderung der Induktivit√§t erwiesen.

Die 1:10 untersetzten Präzisionspotis aus dem letzten Bild haben sich als recht unpraktisch beim Einstellen herausgestellt, weshalb sie weniger genauen aber leichter einzustellenden Drehpotis weichen mussten.

 

 

Version 0.4Hier sieht man die letzte Stufe vor dem √úbergang auf die gedruckte Schaltung.

Zusätzlich zu den Bauteilen, die auch schon im Original von Burkhard zu finden sind, habe ich noch eine Schottky-Diode (der kleine schwarze Klecks am unteren Ende des roten Drahtes) in Reihe und einen Kondensator parallel zur LED eingebaut.

Diese Ma√ünahme f√ľhrt zu gr√∂√üerer Helligkeit der LED, allerdings einhergehend mit einer gr√∂√üeren Stromaufnahme der Schaltung.

Soll die Schaltung eher sparsam arbeiten, muss anstelle der Diode eine Drahtbr√ľcke auf die Platine gel√∂tet werden, der Kondensator wird einfach weggelassen.

Wenn die LED mittels Handw√§rme betrieben wird, d√ľrfte diese √úberlegung eigentlich keine Rolle spielen, aber da der √ľberstrichene Eingangsspannungsbereich auch den Betrieb mit einem einzelligen NC- oder NiMH-Akku einschlie√üt, k√∂nnte das f√ľr den einen oder anderen Nachbauer schon ein Thema sein.


Hier das (vorl√§ufige) Endergebnis in Form einer kleinen Platine, die auf den gedachten Einsatzfall hin optimiert wurde. Das bedeutet, die Eing√§nge f√ľr die Versorgungsspannung liegen an gegen√ľberliegenden Ecken der
Platine, die LED wird einseitig herausgef√ľhrt. Dicke Bauteile liegen in der Mitte der Platine und hohe Bauteile werden liegend angeordnet. Auf diese Weise kann die Schaltung leicht in den Griff der Taschenlampe eingebaut werden.
Die Platine ist einseitig entflochten, beim Einbau in den Taschenlampenk√∂rper aus Alu braucht man sich also keine Gedanken um Kurzschl√ľsse zu machen.
Bei der Bestellung der Platine bei MME-Leiterplatten konnte ich angeben, dass die Löcher der bedrahteten Bauteile nicht gebohrt werden sollen.

leere Platine der 300mV-Taschenlampe

Eine best√ľckte Platine zeigt den konkreten Aufbau. Bei den Transistoren muss darauf geachtet werden, dass die Geh√§use keinen Kontakt zu den benachbarten Leiterbahnen bekommt. Sowohl die beiden Transistoren als auch die Spule sollten mit Hei√ükleber auf der Platine fixiert werden.

best√ľckte Platine der 300mV-Taschenlampe

Schaltbild und Layout im EAGLE-Format sind wie immer hier zu finden.

F√ľr Leser ohne EAGLE gibt¬īs Schaltbild und Layout zum Anschauen.

Schaltung des 300mV-Schaltwandlers. Click auf das Bild f√ľr volle Aufl√∂sung.

Layout des 300mV-Schaltwandlers. Click auf das Bild f√ľr volle Aufl√∂sung.


Die n√§chste Herausforderung kam, als mir Rainer den ersten Prototyp seines W√§rmegenerators schickte, mit dem die Lampe letztlich betrieben werden soll. Es stellte sich heraus, dass der Innenwiderstand des Generators zu hoch f√ľr meine Schaltung ist. Die Leerlaufspannung von ca. 900 mV bei aufgelegter Hand bricht auf knappe 240 mV zusammen, meine Schaltung braucht zu viel Strom :-(

Da also die Energiequelle einen zu hohen Innenwiderstand f√ľr die oben gezeigte Dimensionierung hat, habe ich noch mal ein bisschen weiter optimiert und folgende Version gefunden.

Alternative Best√ľckung

Dazu gibt es (noch) kein Schaltbild, deshalb die Daten hier im Text: Die Spule hat eine deutlich h√∂here Induktivit√§t (3,9 mH) bei ebenfalls h√∂herem ohmschem Widerstand, die beiden Widerst√§nde in der Schaltung sind ebenfalls gr√∂√üer (R1 485 ‚Ą¶ und R2 475 ‚Ą¶), daf√ľr ist der Kondensator um Gr√∂√üenordnungen kleiner (C1 330 pF statt 100 nF). Die beiden linken Widerst√§nde bilden in Reihenschaltung die 485 ‚Ą¶. Unter dem linken Widerstand habe ich die Leiterbahn aufgetrennt.


Hier zum Gr√∂√üenvergleich und um mal einen optischen Eindruck so eines Generators zu geben ein Bild zusammen mit der modifizierten Schaltung. Die Kantenl√§nge eines der wei√üen Quadrate ist ca. 30 mm, jedes Modul ist ca. 4-5 mm dick. Die Generatoren sitzen auf einem Aluklotz der die Aufgabe hat, deren R√ľckseite auf niedriger Temperatur zu halten.

Thermo-Generator mit Platine

Mit dieser Dimensionierung arbeitet die Schaltung auch mit dem mir momentan zur Verf√ľgung stehenden Generator mit 18 ‚Ą¶ Innenwiderstand, allerdings ist die Lichtausbeute nicht berauschend.

Beim Stichwort Generator komme ich nochmals zur gedachten Energiequelle f√ľr die Taschenlampe, so dass die Notwendigkeit zum Bau eines Schaltwandlers mit nur 300 mV Eingangsspannung seine Erkl√§rung findet.

Der Antrieb f√ľr die Taschenlampe soll von einem Thermogenerator geliefert werden.

Rainer hat auf seiner Homepage schon einen Prototyp der LED-Lampe gezeigt. Dieser Prototyp arbeitet mit einem integrierten Schaltregler PR4401 der Firma PREMA und wird mit sechs Thermogeneratoren befeuert. Das IC arbeitet bis herunter auf 0,9 V Eingangsspannung.

Und damit haben wir auch schon den Knackpunkt dieses Prototyps gefunden: Diese Thermogeneratoren sind recht teuer, weshalb deren Anzahl so klein wie m√∂glich gehalten werden sollte. Durch halbieren der Anzahl der notwendigen Generatoren ist man einer zumindest preiswerteren L√∂sung schon ein ganzes St√ľck n√§her :-)

Drei dieser Generatoren erzeugen mit Handw√§rme gegen√ľber normaler Raumtemperatur eine Spannung von eingeschwungen minimal ca. 0,3 V.

√úber den weiteren Fortschritt unseres Projektes werde ich hier berichten, schaut also immer mal wieder vorbei.


Aktualisierung

Es gibt einen Prototypen der LED-Handwärme-Taschenlampe.
Er ist mit vier W√§rmegeneratoren best√ľckt und funktioniert gut. Hat man wenigstens durchschnittlich warme H√§nde, reicht das erzeugte Licht gut aus, um sich im Dunkeln zurecht zu finden.
Der Prototyp ist 15 cm lang und 2,5 cm x 3,5 cm dick.

Die Lampe soll noch kleiner und leichter werden, wir d√ľrfen gespannt sein.

Hier einige Ansichten ...

Prototyp der Handw√§rme-TschenlampeAuf den ersten beiden Bildern sieht man die Seitenteile aus Kunststoff, die verhindern, dass der Anwender den K√ľhlk√∂rper mit der Hand unbeabsichtigt ebenfalls erw√§rmt.

 

 

 

 

 

Prototyp der Handw√§rme-TschenlampeUnter der hier auf der rechten Seite der Lampe erkennbaren d√ľnnen Alufolie liegen die W√§rmegeneratoren.

 

 

 

 

 

 

...und Einblicke...

Ohne die Seitenteile aus Kunststoff kann man das (aufger√§umte) Innenleben der Lampe erkunden - ein Blick auf den bekannten Step-Up-Wandler, der in einer Ausfr√§sung des K√ľhlk√∂rpers sitzt.
Von dieser Seite sind die Generatoren mit Wärmeleitpaste verstrichen. Die Transistoren sind verklebt, damit sie nicht im Laufe der Zeit durch mechanische Belastungen beim Hantieren der Lampe abbrechen.

Inennansicht mit 0,3 V Step-Up-Wandler

Auf der anderen Seite sieht man den Aufbau von K√ľhlk√∂rper, Generatoren und F√ľllk√∂rpern.
Man erkennt zwei der insgesamt vier W√§rmegeneratoren in der Seitenansicht. Die Generatoren sind mit einer d√ľnnen Alufolie abgedeckt, was auch auf den ersten beiden Bildern gut zu erkennen ist

Detail der Wärmegeneratoren


Erfahrungen

Ein bis zwei Sekunden nach Aufnehmen der Lampe fängt die LED an zu leuchten. Die Helligkeit hängt dabei sehr stark von der Handtemperatur ab - alte Menschen haben im Allgemeinen eine schlechtere Durchblutung und bekommen kein so helles Licht zu Stande. Große Hände sind von Vorteil, deren Wärmekapazität ist größer.

Nach ca. 10 Minuten Betrieb bei Zimmertemperatur ist der komplette K√ľhlk√∂rper soweit erw√§rmt, dass kein ausreichendes W√§rmegef√§lle mehr zwischen den aktiven Seiten der W√§rmegeneratoren besteht, das Licht wird langsam dunkler und geht schlie√ülich aus.Lichtausbeute 1

Der Lichtkegel der verwendeten Linsen-LED ist eng geb√ľndelt...

 

 

 

 

 

Lichtausbeute 2...und dadurch hell genug, um selbst bei eingeschalteter Raumbeleuchtung erkennbar Licht zu spenden.

 

 

 

 

Im Winter werden wir die Lampe bei Spaziergängen verwenden und testen wie sie sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen verhält.


Nachtrag

Bei Pollin gibt es zur Zeit (Stand 01/2009) keine Germaniumtransistoren, daf√ľr hat Reichelt den “AC128” ins Programm aufgenommen, der in der gezeigten Schaltung allerdings nicht funktioniert, da er ein PNP-Typ ist (der AC181 ist ein NPN-Typ).

Da ich sowieso noch eine Optimierung im Sinn hatte, habe ich die daf√ľr gedachte Schaltungsvariante mit nur einem Transistor gleich f√ľr den AC128 ausgelegt.

 


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