LED-Taschenlampe

Im Rahmen der Beleuchtungsaktion für den Gameboy meines Sohnes habe ich schon mit Step-Up-Schaltwandlern und weißen LEDs zu tun gehabt und bin in diesem Zuge damals über die Seite von Burkhard Kainka gestolpert, wo sich Schaltbilder für diskret aufgebaute Schaltwandler finden (im Gegensatz zu meiner integrierten Lösung mit dem Zetex Baustein).

Ein eifriger Nachbauer der Kainka´schen Lösung 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 können, “...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 für 0,3 V Betriebsspannung gebeten. Da mich das Thema schon damals interessierte, aber außer dem Hinweis von Dirk Beilker in Burkhard Kainkas Bastelecke, dass es prinzipiell möglich 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 für mein Interesse an diesem Projekt liegt nicht zuletzt in der gedachten Verwendung dieses 0,3 V-Wandlers als Antrieb für 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-Kühlboxen, die regelmäßig im Sommer in Supermärkten angeboten werden, sind welche drin, von einigen Computerfreaks werden sie zum Kühlen ihrer übertakteten HighEnd-CPUs verwendet.
Die Funktionsweise: Man legt eine Spannung an die beiden Pole eines Peltier-Elementes an und zwischen den gegenüber liegenden Seiten des Elements bildet sich ein Wärmegefälle, eine Seite wird heiß, 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 lässt sich auch umkehren. Man kühlt die eine Seite eines solchen Elements, die andere wird erwärmt und zwischen den Polen bildet sich eine Spannung. Der aufmerksame Leser merkt schon, in welche Richtung das geht. Allzu groß ist die resultierende Spannung nämlich 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 (Die Seite existiert nicht mehr).

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Doch jetzt zur Schaltung:
Die erste Hürde, die es zu überwinden galt, war die Beschaffung der notwendigen Germanium-Transistoren, deren Verbreitungsgrad in den letzten Jahrzehnten ziemlich zurück 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 ursprünglichste Idee, einfach die Schaltung von Burkhard zu verwenden und lediglich die Silizium- Transistoren durch solche auf Germanium-Basis zu ersetzen hat natürlich nicht funktioniert. Erst nach hilfreichen Tipps von Dirk, der sogar die Schaltung nochmals mit den selben Transistoren aufgebaut hat, die mir zur Verfügung 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 weiße LED zum Leuchten zu überreden. Eine rote LED funktionierte aber ;-)

Parallel dazu habe ich bei Pollin Germanium-NPN-Typen bestellt. Der nächste Versuch hat dann sofort geklappt, die bis dahin unwillige Schaltung hat geschwungen wie sie sollte, nur die minimal mögliche Eingangsspannung war mir noch etwas zu hoch, außerdem ließ die Lichtausbeute noch stark zu wünschen übrig.

In die nächste Runde ging ich, nachdem ich bei Reichelt einen Lagerabzug an HF-Drosseln und sonstigen geeignet erscheinenden Spulen gekauft hatte. Jetzt konnte ich mit Muße die am ehesten in Frage kommende Induktivität  herausfinden. Mit den passenden Werten für die Bauteile haben dann auch die Randbedingungen wie LED-Helligkeit und minimal mögliche Eingangsspannung gestimmt.

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Eine kleine Sammlung meiner Versuche gefällig?

Hier 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.

 

Die nächsten Ansätze 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.

 

 

 

 

 

Was die elektrischen Eigenschaften der Schaltung angeht, hat sich am wirkungsvollsten die Änderung der Induktivität 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.

 

 

Hier sieht man die letzte Stufe vor dem Ãœbergang 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 Maßnahme führt zu größerer Helligkeit der LED, allerdings einhergehend mit einer größeren Stromaufnahme der Schaltung.

Soll die Schaltung eher sparsam arbeiten, muss anstelle der Diode eine Drahtbrücke auf die Platine gelötet werden, der Kondensator wird einfach weggelassen.

Wenn die LED mittels Handwärme betrieben wird, dürfte diese Überlegung eigentlich keine Rolle spielen, aber da der überstrichene Eingangsspannungsbereich auch den Betrieb mit einem einzelligen NC- oder NiMH-Akku einschließt, könnte das für den einen oder anderen Nachbauer schon ein Thema sein.

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Hier das (vorläufige) Endergebnis in Form einer kleinen Platine, die auf den gedachten Einsatzfall hin optimiert wurde. Das bedeutet, die Eingänge für die Versorgungsspannung liegen an gegenüberliegenden Ecken der Platine, die LED wird einseitig herausgeführt. 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 Taschenlampenkörper aus Alu braucht man sich also keine Gedanken um Kurzschlüsse zu machen.
Bei der Bestellung der Platine bei MME-Leiterplatten konnte ich angeben, dass die Löcher der bedrahteten Bauteile nicht gebohrt werden sollen.

Eine bestückte Platine zeigt den konkreten Aufbau. Bei den Transistoren muss darauf geachtet werden, dass die Gehäuse keinen Kontakt zu den benachbarten Leiterbahnen bekommen. Sowohl die beiden Transistoren als auch die Spule sollten mit Heißkleber auf der Platine fixiert werden.

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

Für Leser ohne EAGLE gibt´s Schaltbild und Layout zum Anschauen.

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Die nächste Herausforderung kam, als mir Rainer den ersten Prototyp seines Wärmegenerators schickte, mit dem die Lampe letztlich betrieben werden soll. Es stellte sich heraus, dass der Innenwiderstand des Generators zu hoch für 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 für die oben gezeigte Dimensionierung hat, habe ich noch mal ein bisschen weiter optimiert und folgende Version gefunden.

Dazu gibt es (noch) kein Schaltbild, deshalb die Daten hier im Text: Die Spule hat eine deutlich höhere Induktivität (3,9 mH) bei ebenfalls höherem ohmschem Widerstand, die beiden Widerstände in der Schaltung sind ebenfalls größer (R1 485 Ω und R2 475 Ω), dafür ist der Kondensator um Größenordnungen kleiner (C1 330 pF statt 100 nF). Die beiden linken Widerstände bilden in Reihenschaltung die 485 Ω. Unter dem linken Widerstand habe ich die Leiterbahn aufgetrennt.

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Hier zum Größenvergleich und um mal einen optischen Eindruck so eines Generators zu geben ein Bild zusammen mit der modifizierten Schaltung. Die Kantenlänge eines der weißen Quadrate ist ca. 30 mm, jedes Modul ist ca. 4-5 mm dick. Die Generatoren sitzen auf einem Aluklotz der die Aufgabe hat, deren Rückseite auf niedriger Temperatur zu halten.

Mit dieser Dimensionierung arbeitet die Schaltung auch mit dem mir momentan zur Verfügung stehenden Generator mit 18 Ω Innenwiderstand, allerdings ist die Lichtausbeute nicht berauschend.

Beim Stichwort Generator komme ich nochmals zur gedachten Energiequelle für die Taschenlampe, so dass die Notwendigkeit zum Bau eines Schaltwandlers mit nur 300 mV Eingangsspannung seine Erklärung findet.

Der Antrieb für die Taschenlampe soll von einem Thermogenerator geliefert werden.

Rainer hat auf seiner Homepage (Seite offline) 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 möglich gehalten werden sollte. Durch halbieren der Anzahl der notwendigen Generatoren ist man einer zumindest preiswerteren Lösung schon ein ganzes Stück näher :-)

Drei dieser Generatoren erzeugen mit Handwärme gegenüber normaler Raumtemperatur eine Spannung von eingeschwungen minimal ca. 0,3 V.

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

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Aktualisierung

Es gibt einen Prototypen der LED-Handwärme-Taschenlampe.
Er ist mit vier Wärmegeneratoren bestückt und funktioniert gut. Hat man wenigstens durchschnittlich warme Hände, 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 dürfen gespannt sein.

Hier einige Ansichten ...

Auf den ersten beiden Bildern sieht man die Seitenteile aus Kunststoff, die verhindern, dass der Anwender den Kühlkörper mit der Hand unbeabsichtigt ebenfalls erwärmt.

 

 

 

 

 

Unter der hier auf der rechten Seite der Lampe erkennbaren dünnen Alufolie liegen die Wärmegeneratoren.

 

 

 

 

 

 

...und Einblicke...

Ohne die Seitenteile aus Kunststoff kann man das (aufgeräumte) Innenleben der Lampe erkunden - ein Blick auf den bekannten Step-Up-Wandler, der in einer Ausfräsung des Kühlkörpers 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.

Auf der anderen Seite sieht man den Aufbau von Kühlkörper, Generatoren und Füllkörpern.
Man erkennt zwei der insgesamt vier Wärmegeneratoren in der Seitenansicht. Die Generatoren sind mit einer dünnen Alufolie abgedeckt, was auch auf den ersten beiden Bildern gut zu erkennen ist

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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 Kühlkörper soweit erwärmt, dass kein ausreichendes Wärmegefälle mehr zwischen den aktiven Seiten der Wärmegeneratoren besteht, das Licht wird langsam dunkler und geht schließlich aus.

Der Lichtkegel der verwendeten Linsen-LED ist eng gebündelt...

 

 

 

 

 

...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.

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Nachtrag

Bei Pollin gibt es zur Zeit (Stand 01/2009) keine Germaniumtransistoren, dafür 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 dafür gedachte Schaltungsvariante mit nur einem Transistor gleich für den AC128 ausgelegt.