Elektronik

Hier werden die Schaltungen beschrieben, die ich in meinen Lampen verwende.

Das verwendete Grafikformat WMF ist das Windows Metafile Format. Es läßt sich mit fast allen Windows Programmen einbinden (z.B. WINWORD, EXCEL, AMIPRO, CorelDraw...).

Letzte Änderung: 8.5.2018

Grundlagen

Viele benutzen nur einfache Relais zum Schalten des Lampenstroms. Dieser Plan stammt von der andernorts beschriebenen französischen Lampe. ILS ist ein Reedkontakt.

Schaltplan Relais

Da der Anlaufstrom von Halogenlampen aber sehr hoch ist, bedeutet das eine große Belastung der Glühwendel bei jedem Einschalten. Die erste Elektronik, die das und einiges andere berücksichtigte, fand ich in elrad 2/89. Meine Schaltungen sind davon abgeleitet.

Das Blockschaltbild ist das folgende: (bei der einfachen Elektronik fehlen die Teile "AccuCheck" und "Storage and Flash Signal")

Blockschaltbild Strombegrenzung


Die Halogenlampe wird über einen MOSFET Transistor geschaltet und liegt so ständig an der Batteriespannung. Wird der Reedkontakt geschlossen, bekommt der Rest der Schaltung Spannung. Der Spannungsregler 7805 stellt 5V bereit als Betriebsspannung für einige ICs und als Referenzspannung für die Komperatoren. Das Modul "AccuCheck" besteht aus 2 Komperatoren, die ein Signal geben, wenn die Batteriespannung unter einen bestimmten, einstellbaren Wert gesunken ist. Die Stufe "Warning" läßt die Lampe regelmäßig kurzzeitig abschalten, um den Taucher vorzuwarnen. Sinkt die Spannung weiter, kommt das Signal "OFF" und die Lampe wird ganz abgeschaltet.

Das Modul "Storage and Flash Signal" erzeugt das Blinksignal und speichert das Auftreten von "Warning" und "OFF". Das ist nötig, weil die Spannung der Batterie beim Abschalten der Lampe wieder ansteigt und sich die Lampe so wieder einschalten würde.

Das Modul "OP and MOSFET Current-Control" ist eine von außen abschaltbare, einstellbare Stromquelle, die den Strom auf etwa 1,5x Nennstrom begrenzt.

Elektronik einfach

Elektronik einfach Elektronik einfach, KupferseiteDie einfachste und kleinste Schaltung, die ich benutze, ist nicht mehr als ein Relais mit Strombegrenzung (Foto) (Schaltplan-WMF-Format) (alle WMFs als PDF) (GIFs von dem Layout). Sie ist kleiner als die meisten Relais und kann ohne Kühlkörper mindestens 4A schalten, mit Kühlkörper bis zu 8A. Eine Version ist schmal und zweiseitig bestückt, die andere breiter aber dafür niedriger.

Für diese wie auch für die folgende Schaltung ist eine Variation möglich. Wenn man den Spannungsabfall am MOSFET und somit die Erwärmung verringern will, kann man einen zweiten MOSFET parallel zum ersten schalten. D.h. die einzelnen Pins werden miteinander verbunden; das geht sehr einfach als Huckepackaufbau. Wer ganz auf Nummer sicher gehen will, kann getrennte GATE-Widerstände verwenden. Um einen höheren(>7A) Strom einstellen zu können, kann man entweder die Widerstände am (+) Eingang des Komparators verändern oder einfach einen zweiten 0.01Ohm Widerstand parallel zum ersten schalten.

Siehe auch diese Verbesserungen.

Elektronik für 2 Halogenlampen

Elektronik 2fachDie größere Schaltung enthält die Anlaufstrombegrenzung für zwei Halogenlampen und eine zweistufige Spannungsüberwachung für den Akku (Schaltplan-WMF-Format) (alle WMFs als PDF) (GIFs von dem Layout). Ich bevorzuge nämlich Lampen mit unterschiedlichen umschaltbaren Reflektoren. Die ganzen Dioden sind nötig, um mit einem getrennten Reedkontakt beide Halogenlampen einschalten zu können, ohne die Spannungsüberwachung zu beeinflussen. Nur das Modul "OP and MOSFET" ist zweimal vorhanden. Wer nur eine Halogenlampe anschliessen will, kann einiges weglassen (Schaltplan-WMF-Format) (alle WMFs als PDF).

Achtung !!! Leider hat sich in den Schaltplänen ein Fehler eingeschlichen, der bei kleinen Reedkontakten zu Problemen führen kann. In Serie mit D1 (das ist die Diode, die den großen 470uF Elko C1 ansteuert) oder, wenn man dort schlecht rankommt, in Serie zu L1R1 und L2R1 (Schalteingänge) sollte ein Widerstand von etwa 10 Ohm geschaltet werden.
Ansonsten fließt beim Einschalten kurzzeitig ein sehr hoher Ladstrom für den Elko, der Reedkontakte zum "Kleben" veranlassen kann.
Den BUZ11 kann man durch einen BUZ12AL ersetzen, der einen geringeren Innenwiderstand hat.
Eine weitere Verbesserung bringt ein Kondensator mit 47nF (10-100nF) zwischen dem Gate des MOS-FETs und Masse. In der praktischen Anwendung sieht man keine Änderung, der Verlauf des Anlaufstroms, wenn man ihn mit einem Oszi betrachtet, ist allerdings wesentlich weicher, d.h. besser. Falls zusätzlich eine PWM Dimmung verwendet wird, sollte der Kondensator allerdings nur 4,7nF haben.

Der Strombedarf der Schaltung beträgt übrigens etwa 35mA.

PWM

Schaltplan PWM


Diese Schaltung bewirkt eine Dimmung des Ausgangsstroms, wenn einer der Pins PWMx mit 12V verbunden wird. Sie kann einfach an die vorangegangene Schaltung angeschlossen werden. Der Transistor kann fast jeder NPN Typ sein (z.B. BC547).

Ich verwende das z.B. bei einer Lampe, die mit 12Zellen/14,4V arbeitet, um die Spannung an der Halogenbirne zu begrenzen. Allerdings sollte man bevor man eine Dimmung einsetzt, erstmal alle Spannungsabfälle an den Leitungen messen. Bei meinem Akkutank mit 12 NiCd Zellen habe ich theoretisch 14,4V. Unter Belastung bleiben aber schon im Tank durch die Verbindungskabel zwischen den Zellen und die Innenwiderstände nur 13,8V über. Am Kabel im Lampenkopf sind es dann nur noch 13V, was für eine normale Halogenlampe gut verträglich ist.
Selbst 14,4V wären durchaus noch brauchbar. Bei HLX Birnen für 12V wird auch nicht viel etwas anderes gemacht. HLX Birnen dagegen darf man nie mit mehr als 12V betreiben, da sie dann in Kürze durchbrennen.

Der Strombedarf der Schaltung beträgt übrigens etwa 30mA.

Für die Zukunft habe ich zwei Projekte:

a) komplette Lampensteuerung incl. SOS und evt. einer Laderegelung in einem PIC-Prozessor.

b) ein modulares System, das auf der Schalteinheit mit Strombegrenzung basiert und mit weiteren Modulen für Akkuspannungsüberwachung, SOS, Dimmung, Wassereinbruchsmeldung u.a. ergänzt werden kann.

c) In Zukunft nur noch uC gesteuerte Lampen, wenn auch eine Dimmung oder Umschaltung gefragt ist, oder eine ganz einfache Relais/MOSFET Schaltung.

Einfache Einschaltverzögerung

einfache Verzögerung


Für eine Anwendung wollte ich die Elektronik in den Stecker mit einbauen. Für die oben beschriebenen Schaltungen war aber leider keine Platz. Um trotzdem eine Einschaltverzögerung zu haben, entwarf ich diese einfache Schaltung. Über den Schalter (linkes Bild) wird das Gate des MOSFETs angesteuert, der Elko ergibt die Einschaltverzögerung. Damit das Ausschalten sofort passiert (keine zusätzliche Verlustleistung und kein langes Nachleuchten!) entlädt der PNP Transistor den Elko sofort, wenn seine Basis nicht mehr durch eine positive Spannung gesperrt ist. Ist die Elkospannung unter etwa 0,8V gefallen, erfolgt die weitere Entladung durch die Hintereinanderschaltung der drei Widerstände R1-R3. Ein Vektorfile (47K WMF-File) (alle WMFs als PDF)des obigen Bildes ist verfügbar, auf dem man auch etwas erkennen kann :-)

Elektronik verzögert, in SteckerNatürlich kann man die Schaltung auch mit einem Hochstromschalter benutzen (rechtes Bild). Ohne Kühlkörper ist der BUZ11 problemlos bis etwa 4A/50W verwendbar. Auch eine Erhöhung der Versorgungsspannung sollte kein Problem darstellen. Der Aufbau erfolgte bei mir als "Igel", d.h. ich habe die Bauteile direkt und möglichst platzsparend auf den MOSFET aufgelötet und das ganze zur Isolation mit Heißkleber eingehüllt. So fand der Aufbau in den KSS Steckern zur Selbstmontage von Devpein Platz.

Hier ein genauerer Plan zum einfachen Nachbau.


Der MOS-FET (Q1)		 Der Elko (1uF) mit dem Pluspol links Der PNP Transistor mit der flachen Seite nach unten, die Basis zeigt hoch.

Widerstand (R1) von GND zur Basis.
Widerstand (R3) von der Basis zum Eingang.
Und noch Widerstand (R2) vom Eingang zum Gate.

Für 6V wird R2 zu 150kOhm. Der BUZ11 wird dafür durch einen BUZ12AL ersetzt, der einen geringeren Innenwiderstand hat.

Die Birne liegt zwischen "bulb" und Batterie plus. Der Schalter zwischen "input" und plus. GND kommt an den Minuspol der Batterie.

Igel Aufbau mit Kabel Igel Aufbau in Lampe

Im weiteren zu sehen: Die Schaltung mit Anschlußkabeln, vergossen mit Heißkleber und eingebaut in eine Mares Arturo.

Einfacher Tiefentladeschutz (6V)

einfacher TiefentladeschutzDiese Schaltung kann man einfachen 6V Lampen hinzufügen. Bei einer ZD von 3,3V erhält man eine Abschaltspannung von etwa 4,3V und eine Hysterese von etwa 0,8V. Statt dem Widerstand mit der Bezeichnung "Relais" schließt man ein 6V Relais an, das den hohen Strom schalten kann. Mit entsprechend angepaßter Zenerdiode sollte die Schaltung auch mit 12V gehen (R1 auf 3,3kOhm erhöhen). Der Typ der ZD spielt keine Rolle Der Transistor Q1 kann jeder Standard NPN Type sein (z.B. BC547). V1 ist die Batteriespannung hinter dem Hauptschalter. Falls das Relais vor dem Abschalten "flattert" hilft ein Kondensator von 47uF (10-100uF) zwischen Basis und Emitter von Q1.

Achtung ! Diese Schaltung gibt keine Warnung, wann die Lampe abschaltet !!!


Microcontroller controlled electronics

Das ist eine 6V 7Ah Lampe von Multitec. Als ich sie gebraucht und defekt auf einer Tauchbasis gekauft habe, war die Elektronik irgendein Prototypen Pfusch, der nochdazu mindestens einen Kurzschluß hinter sich hatte. Das gleiche galt für die Ladeschaltung, die ich nicht verwendet habe. Von den 5 Akkus waren nur noch 2 halbwegs brauchbar.
Also habe ich mir neue Akkus besorgt, die Ladebuchse ausgetauscht und eine neue Elektronik gebaut.
Innen ist ein Reedkontakt direkt auf der Platine, außen der Magnethebel mit nur einer Stellung.

Da ich sowieso eine Microcontroller gesteuerte Schaltung bauen wollte, nahm ich dies zum Anlaß.

Schwierigkeiten:

Für die Schaltstufen habe ich dann folgendes System gewählt:
Beim Einschalten geht die Lampe auf maximale Helligkeit. Wenn man dann kurz ausschaltet (~100-500ms), geht die Lampe ohne abzuschalten auf die erste Dimmstufe. Bei 2x ausschalten kommt die zweite Dimmstufe, die mehr einer Notlampe entspricht. Bei 3x geht die Lampe in den SOS-Modus über. Die letzten beiden Stufen verfügen nicht über eine Abschaltung, wenn der Akku leer wird.

Mein erster einfacher Ansatz machte leider ziemliche Probleme bei Absinken der Spannung, daher mußte ich noch einen weiteren Chip dazuflicken. Jetzt geht die Schaltung, ist aber noch nicht so einfach wie ich sie mir vorstelle, daher keine genaue Beschreibung.

Da ich inzwischen mit PIC Prozessoren nichts mehr mache und auf AVR umgeschwenkt bin, habe ich die SW entsprechend portiert. Jetzt geht auch die interne Spannungsmessung, was die Schaltung sehr vereinfacht. Bisher lief aber nur ein Probeaufbau. Für die kommenden LED Umbauten kann man evt. die Einschaltstrombegrenzung (PWM) entfernen. Statt Dimmung kommt vielleicht eine Umschaltung zwischen verschiedenen LED Gruppen. Es wäre auch ein Umbau auf Lithium Akkus denkbar.

TL011
Inzwischen gibt es die neue Elektronik. Prozessor ist ein ATTiny45, SW in C mit der Arduino IDE entwickelt. Die Funktionen sind noch die gleichen wie beim PIC. Es gibt einen ISP Stecker. Die Schaltung nutzt die interne Referenz von 1,1V. Der Prozessor läuft noch bis unter 2,5V. Der Spannungsregler ist ein LowDrop, der MOSFET ein Logikpegel Typ.

Am rechten Bild fehlt noch der Reedkontakt (schwarzer Strich). Die rote Diode ist nur zum debuggen, die gelbe zum Testen. Der Ladeeingang hat eine eigene Sicherung. Eine SMD Variante würde wenig bringen, da die meisten großen Teile nicht (gut) als SMD gehen. Außerdem braucht man dann zwei Lagen oder mehr Brücken. Es gibt einige Optionen, die entweder nicht bestückt sind oder von der SW noch nicht unterstützt werden:
Die Platine ist jetzt in die Multitec eingebaut.

DC-DC-Wandler

Diese einfache Schaltung ist praktisch, wenn man Akkus aus dem Autokakku laden möchte. Inzwischen bekommt man aber StepUP StepDown Wandler mit gutem Wirkungsgrad fertig um wenige Euro zu kaufen.

DC-DC-Aufwärtswandler

Technische Daten DC-Spannungswandler:

Meine Messungen: bei 1A etwa 80% Wirkungsgrad

0A - 1,85 x Uein
1,4A - 1,4 x Uein


Ladegerät (Umbau fertiges)

Ladegerät umgebautWer ein günstiges Ladegerät für Bleigelakkus sucht, braucht nicht alles selber zu bauen. Im Elektronikhandel gibt es ein Vielzahl von Netzteilen die eine geregelte Spannung von 13,8V liefern (z.B. zum Betreiben von Funkgeräten) und auch schon eine Strombegrenzung besitzen. Das allein würde schon ausreichen, um einen 12V Bleigelakku zu laden.

Erweiterungsmöglichkeiten (je nach Erfahrung und Bedarf):

Ladegerät (BleiGel speziell)

Für Reisen bin ich beim Entwickeln eines speziellen Ladegerätes für Bleigelakkus (ja ich weiß, es gibt schon ein Menge davon!), das genau meinen Anforderungen entspricht.

  1. 13,8 / 14,4 V / +0,6V / Spannungsanpassung nach dem Strom
  2. max. 1A (für 3,2/4Ah Akku)
  3. Ladezustandsanzeige mit LEDs
  4. 110V/220V Umschaltung
  5. So klein wie möglich. Schaltnetzteile würden das optimal ermöglichen, allerdings ist der Selbstbau sehr aufwendig. Außerdem bringen sie gerade bei der nötigen Strom/Spannungscharakteristik keinen so großen Vorteil.

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Lightbulb Voltage Regulator

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