Elektronik aus ELRAD
Einige meiner Projekte sind von einem Artikel im ELRAD 2/89 abgeleitet, den ich eingescannt habe.
Aqua Akku
Steuerelektronik für Unterwasser-Halogenscheinwerfer
von Jörg Lesniak
Der Selbstbau von leistungsstarken, akkugespeisten Halogenscheinwerfern erfreut sich nicht nur bei Tauchern zunehmender Beliebtheit. Daß die hierbei auftretenden Probleme wie hohe Einschaltströme und die Gefahr der Tiefentladung der teuren Akkus mit etwas Elektronik in den Griff zu bekommen sind, wird im folgenden Beitrag gezeigt.
Die meisten selbstkonstruierten Handscheinwerfer zeigen in ihrem Inneren - im Gegensatz zum robusten Äußeren - einen eher mageren Aufbau: Akku, Halogenlampe, Reedschalter und ein Leistungsrelais - fertig ist die Leuchte. Im täglichen Betrieb zeigen sich aber schnell die Nachteile einer solchen Konstruktion. Die empfindliche Halogenlampe hat nur eine kurze Lebensdauer, die Akkumulatoren verlieren zunehmend an Kapazität, und das Relais hält auch nicht ewig.
Aus diesen Gründen wurde eine Steuereinheit entwickelt, die folgende Merkmale aufweist:
- geeignet für Halogenlampen bis 50 W
- Softstart der Halogenlampe durch Einschaltstrombegrenzung
- geringer Spannungsverlust durch Verwendung eines niederohmigen MOSFETs
- Schutzschaltung gegen Tiefentladung des Akkus (Ausschalten)
- Warnung vor dem Einsetzen der Tiefentladungs-Schutzschaltung durch zyklisches Ein- und Ausschalten der Lampe
- Wassersensor zur Überwachung eines Wassereinbruchs bei Verwendung als Unterwasser-Scheinwerfer
- niedrige Stromaufnahme der Steuerelektronik
Das zentrale Problem bei der Verwendung von Halogenlampen ist der niedrige
Kaltwiederstand der Glühwendel. Bei einer 50-Watt-Lampe beträgt
dieser ca. 0,2 Ohm - und das bedeutet einen Einschalt- Spitzenstrom von
etwa 60 Ampere ! Die Lebensdauer aller am Schaltvorgang beteiligten Bauteile
wird hierdurch stark herabgesetzt. Die Lösung des Problems zeigt der
Schaltungsauszug in Bild 1 (nicht vorhanden siehe Bild 2): Mit dem Operationsverstärker
OP1 wird über den Leistungstransistor T1 der Einschaltstrom begrenzt,
so daß die Lampe 'soft' gestartet wird. Eingesetzt wird hier ein
SIPMOS-Transistor des Typs BUZ11 (bzw. BUZ 12), der durch seinen niedrigen
Kanalwiderstand RdsON (typisch 20...40 mOhm) für diese Anwendung ideal
ist.
Für die Schaltungsentwicklung mußten einige weitere Anforderungen
berücksichtigt werden. Um die teuren NiCd-Akkumulatoren vor Tiefentladung
und somit vor einem Kapazitätsverlust zu schützen, muß
die Lampe ausgeschaltet werden, bevor die Tiefentladegrenze erreicht wird.
Damit man wegen des Einsetzens der Schutzschaltung nicht plötzlich
im Dunkeln steht, wurde eine Vorwarnung durch Blinken der Lampe realisiert.
Abgerundet wird das Ganze durch eine Warnung bei Wassereinbruch, die bei
'Überwasser-Leuchten' natürlich entfallen kann. Das gesamte Blockschaltbild
zeigt Bild 2, die ausführliche Schaltung ist in Bild 3 (hier verkleinert
dargestellt, bei Bedarf steht auch noch ein größeres TIFF File
zur Verfügung) zu sehen. 
Die Hardware der Anlaufstrombegrenzung besteht im wesentlichen aus den
Bauelementen T1, IC6b und R5. Der als Komparator geschaltete Operationsverstärker
IC6b mißt über den Spannungsabfall an R5 den Strom, der durch
die Halogenlampe La1 fließt, und vergleicht diese laststromabhängige
Spannung mit der am nichtinvertierenden Eingang anliegenden Referenzspannung.
Ist der gemessene Spannungsabfall kleiner als die Referenzspannung, steuert
der OpAmp voll auf, und der MOSFET T1 steuert durch. Beim Einschalten der
Halogenlampe übersteigt der Einschaltstrom den Nennstrom aber um ein
Vielfaches. Dadurch entsteht an R5 beim Einschalten ein Spannungsabfall,
der über der Referenzspannung von IC6b liegt, so daß der Ausgang
des OpAmps auf 0 Volt geht. Durch diese Arbeitsweise wird der Einschaltstrom
auf einen mit P1 einstellbaren Wert begrenzt. Widerstand R3 dient der Entkopplung
des invertierenden Eingangs von IC6b. Der Spannungsregler IC5, der die
Spannungsversorgung der vorgeschalteten Überwachungselektronik übernimmt,
dient gleichzeitig zur Erzeugung einer stabilen Referenzspannung über
R1 und P1.
Die Akkuspannung wird ständig überwacht.
Die Operationsverstärker IC1a und IC1b überwachen die Akkuspannung. Mit zunehmender Entladung des Akkumulators sinkt dessen Spannung. Ist die Spannung auf einen Wert gesunken, der ca. 5% über der Tiefentladungsgrenze des Akkus liegt, wechselt die Spannung am Ausgang von IC1a von 'L' auf 'H'. Dadurch wird über das Oder-Gatter IC2a das D-Latch IC3a gesetzt, so daß der als Oszillator geschaltete Timer IC4 freigegeben wird. Dieser erzeugt einen 0,4 Sekunden lang dauernden Impuls, der über das Oder-Gatter IC2b den Transistor T2 ansteuert. Somit wird das Gate von T1 gegen Masse gezogen, und T1 sperrt, die Halogenlampe erlischt. Nach Ablauf von 0,4 Sekunden sperrt T2 wieder, und die Halogenlampe wird über IC6b sanft eingeschaltet. Der beschriebene Blink-Zyklus läuft so lange, bis die Akkuspannung unter die Tiefentladungsspannung gesunken ist; auf diese Weise wird der Leuchten-Anwender vor dem baldigen Einsetzen des Tiefentladungs- schutzes gewarnt. Wird die Tiefentladungsgrenze erreicht und überschritten, wechselt der Ausgang von IC1b von 'L' auf 'H' und setzt das Latch IC3b, das über das Oder-Gatter IC2b den Transistor T2 ansteuert. Der Transistor T1 sperrt nun ständig, und der Akkumulator muß wieder aufgeladen werden, da die Elektronik durch die zu niedrige Akkuspannung ein Einschalten verhindert.
Noch ein Wort zu den Speichern (Latches) IC3a und IC3b: Durch diese Bausteine wird sichergestellt, daß die Schaltung nach einem einmaligen Erreichen der Vorwarnungs- bzw. der Tiefentladungsgrenze zuverlässig reagiert; damit wird verhindert, daß die Tiefentladungs- grenzeunterlaufen wird, was den Akkumulator auf Dauer zerstören würde.
Rund um IC6a wurde eine einfache, aber wirkungsvolle Warnschaltung für den Fall eines Wassereinbruchs realisiert.
Sobald die beiden Sensoranschlüsse durch in das Gehäuse eingetretenes Wasser überbrückt werden, sinkt die Spannung an Pin 2 von IC6a unter die durch R15 und R16 eingestellte Vergleichsspannung, und der Summer wird eingeschaltet. Gleichzeitig wird über IC2a und IC3a der Blinkzyklus gestartet, um den Bediener vor dem 'Ertrinken' seiner Leuchte zu warnen. Die Z-Diode begrenzt die Eingangsspannung an IC2a auf einen zulässigen Wert.
Ein Wassereinbruch macht sich durch Blinken der Lampe bemerkbar.
Der in der Steuerelektronik verwendete (Doppel-)Operationsverstärker LM 358 ist zwingend erforderlich; er kann nicht durch pinkompatible OpAmps ersetzt werden, da der OpAmp relativ kleine Spannungen - nahe 0 Volt - verarbeiten können muß. Alle handelsüblichen NiCd- und Blei-Akkus können verwendet werden; zu empfehlen sind eindeutig NiCd-Akkus. Für die Halogenlampe können Ausführungen mit 12 Volt Betriebsspannung und einer maximalen Leistung von 50 Watt gewählt werden. Die Tiefentladungsgrenze der Akkus ist her- stellerabhängig; der Trimmer P2 wird so eingestellt, daß die Warnschaltung ca. 10% vor Erreichen der Tiefentladespannung anspricht. Der maximale Einschaltstrom muß mit P1 so eingestellt werden, daß er ca. 10% über dem Nennstrom liegt, um die beim Einschalten der Lampe auftretende Verlustleistung im SIPMOS-Transistor klein zu halten. In der Tabelle sind die Werte für einige Halogenlampen zusammengefaßt. Der Transistor T1 benötigt nur bei Lampenleistungen über 30W eine geringe Kühlung. Eine Aluplatte 30 x 30 x 2 mm ist absolut ausreichend.
Die Platine kann beispielsweise in eine runde Kunststoffdose mit einer dünnen Aluplatte als Deckel eingebaut werden, so daß mit den sternförmig angeordneten NiCd-Akkus (10 Stück) eine kompakte Einheit entsteht. Als Sensor für den Wassereinbruchalarm dienen zwei isoliert montierte, versilberte Drähte, die in die Elektronikdose geklebt werden. Wird der Alarmteil der Schaltung nicht benötigt, kann der Sensor ersatzlos entfallen. Für den Reedkontakt sollte man Typen mit einer Strombelastbarkeit von 500 mA bevorzugen, da kleinere zum 'Hängenbleiben' neigen. Der Widerstand R5 (10 mOhm) sollte möglichst ein Metallbandwiderstand sein. Eine passende Feinsicherung in einer der beiden Akkuzuleitungen sollte nicht fehlen.
Stückliste
| Widerstände (alle 1/4 Watt, 5%,
soweit nicht anders angegeben) |
Kondensatoren | ||
| R1,12 | 47k | C1,2 | 100n ker. |
| R2,3,8 | 10k | C3 | 10uF/16V Elko |
| R4 | 470R | C4 | 2n2, RM 5 |
| R5 | 10mOhm,2W | Halbleiter | |
| R6,13 | 39k | T1 | BUZ11 (oder BUZ 12) |
| R7 | 470k | T2 | BC 550 |
| R9 | 1k0 | D1 | Z-Diode 8V2/400mW |
| R10 | 56k | D2 | 1 N 4148 |
| R11 | 1k8 | IC1,6 | LM 358 |
| R14 | 22Ok | IC2 | 74 LS 32 |
| R15 | 1OOk | IC3 | 74 LS 74 |
| R16 | 22k | IC4 | NE 555 |
| P1 | Spindeltrimmer 1k0 | IC5 | 78 M 05 |
| P2 | Spindeltrimmer 22k | ||
| Verschiedenes | |||
| SW1 | Reedkontakt, mind. 500 mA | 1 Summer | HMB-12 |
| 1 Halogenlampe nach Bedarf | 1 Platine Durchmesser 67 mm |
Tabelle 1. Die am Trimmer P1 einzustellende Spannung in Abhängigkeit von der Lampenleistung.
| Lampenleistung | Nennstrom | Stromgrenze | UP1 |
| 10 W | 0,83A | 0,95A | 9,5mV |
| 20 W | 1,66A | 1,80A | 18,0mV |
| 30 W | 2,50A | 2,75A | 27,5mV |
| 35 W | 2,91A | 3,20A | 32,0mV |
| 50 W | 4,16A | 4,60A | 46,0mV |