Entwicklung einer "Universallampe"

[Siam]

Da es doch etwas spezieller ist werde ich hier mal meine Ideen zusammenfassen was eine geplante Universallampe für mein neues Rad angeht. Nachbauten, Ergänzungen und Ideen sind natürlich willkommen. Zunächst einmal was ich mir so bisher überlegt habe:

Muss sein:

-Echtes Abblendlicht/Fernlicht durch unterschiedliche Abstrahlwinkel
Dieser Punkt genießt oberste Priorität. Dazu sollte das Fernlicht maximal 4° Halbwinkel haben (habe ich getestet) und praktisch kein Streulicht produzieren. Asurichtung horizontal, eventuell 3x mit 0° und +-4° nach links und rechts. Oberste Grenze des Abstrahlwinkels stellen die XM-L mit der 45mm Gaggione dar, optimum die Oslon 80 mit 32mm Gaggione.
Das Abblendlicht sollte maximal 6-7° Vollwinkel haben, ebenfalls stark abgegrenzt. Erste Idee war die Verwendung von ca. 6 Osram Oslon 80 mit 16mm 10°-Optik. Die LEDs sind dann alle um etwa 13° nach unten gewinkelt und um etwa +-5°/+-20°/+-35° lach links und rechts gewinkelt. Hier könnten die mit CRI95 zum EInsatz kommen da nicht so viel Licht benötigt wird.


- Betrieb über Dynamo (mit eigeschränkten Stufen natürlich) und Akku (2s Li)
-Ladung des Akkus bei überschüssiger Leistung vom Dynamo
-Ausnutzung des Dynamos von ca. 5V bis 10V

-Funktion (mit Akku)Abblendlicht: nur untere LEDs, kurvig/Trail: beide, Waldautobahn: nur Fernlicht (obere LEDs) in 2-3 Leuchtstärkestufen.
Dynamo nacht (erkennung mit LDR) nur Abblendlicht, tag beide(Leistung 50/50); Leistung wird durch Dynamo bestimmt, keine Stufen.

Standlicht: einige mid-power LEDs ohne Optik an gold cap mit 10-20 mA oder Bestromung einer Fernlicht-LED aus Goldcap mit 10-20 mA.

Rücklicht permanent mit 0,5W versorgt.


Was nicht sein muss:

Bedienung per Funk eventuell sogar mit drahtlos angebundener Zustandsanzeige für Akku etc. (also bidirektional).
Spezielles Tagesfahrlicht mittels einiger Duris-LEDs


Ist mein Projekt für den Sommer damit das nächste Sasison passt.

Gruß
Thomas

 

[Das_Proletariat]

...
Das Abblendlicht sollte maximal 6-7° Vollwinkel haben, ebenfalls stark abgegrenzt. Erste Idee war die Verwendung von ca. 6 Osram Oslon 80 mit 16mm 10°-Optik. Die LEDs sind dann alle um etwa 13° nach unten gewinkelt und um etwa +-5°/+-20°/+-35° lach links und rechts gewinkelt. Hier könnten die mit CRI95 zum EInsatz kommen da nicht so viel Licht benötigt wird.
...

Ich find die Idee eines Abblendlichts aus mehr oder weniger frei verfügbaren Bauteilen zwar gut, aber wie soll so eine nach oben hin (möglichst überproportional) ansteigende Helligkeitsverteilung zustande kommen?

 

[ungeteertemasse]

Das ist die spannende Frage.

 

[plattfusz]

Ich find die Idee eines Abblendlichts aus mehr oder weniger frei verfügbaren Bauteilen zwar gut, aber wie soll so eine nach oben hin (möglichst überproportional) ansteigende Helligkeitsverteilung zustande kommen?

Mechanische Blende die das Streulicht oben abschneidet.

 

[kadikater]

an welche leistungsklasse hast du denn so gedacht?

 

[bluecat]

Da es doch etwas spezieller ist werde ich hier mal meine Ideen zusammenfassen was eine geplante Universallampe für mein neues Rad angeht. Nachbauten, Ergänzungen und Ideen sind natürlich willkommen.

Was hälst Du vom Konzept der Scurion?

Mir scheint besonders das Fernlicht daran interessant zu sein:

 

[plattfusz]

naja, ne XM-L ohne Optik hat einen viel zu weiten Abstrahlwinkel

 

[zeitweiser]

scurion wurde speziell fuer UT entwickelt
ob das Konzept zum biken taugt glaub ich eher net

 

[Siam]

an welche leistungsklasse hast du denn so gedacht?

So etwa 20-30W maximal. Dabei fallen vermutlich >70% auf das Fernlicht.
Als erstes werde ich mal die Dynamoregeling realisieren. Ich dachte mir statt aufwändigen und meist flackernden MPP-Tracking einfach bis zu einer Dynamospannung von rund 10V mit einem niedrigem LED-Strom zu fahren und dann auf die Dynamospannung zu regeln (der Strom wird also so weit erhöht das der Dynamo bei 10V bleibt und nicht weiter steigt). Geht analog sehr einfach und erste Tests sahen sehr gut aus. Letzten Endes wird der Shunt zur Strommessung einfach von einem Fet gebrückt der über einen opamp mit Dynamospannung als FB angesteuert wird. Saueinfach und sehr effektiv!

Gruß
Thomas

 

[bluecat]

ob das Konzept zum biken taugt glaub ich eher net

Nun, die Hersteller sehen die Scurion auch als Bike-Lampe. Ich habe eine LD4, deren Licht (und Form) mir sehr gefällt. Dennoch nimmt es mich Wunder, was das spezielle Fernlicht der Scurion bringt. Die Ausleucht-Bilder vom Simulator geben nur eine Anhaltspunkt, der Unterschied zwischen Modus A und B spricht m.E. durchaus für diese spezielle Scheinwerferoptik.

 

[nikolauzi]

So etwa 20-30W maximal. Dabei fallen vermutlich >70% auf das Fernlicht.
Als erstes werde ich mal die Dynamoregeling realisieren. Ich dachte mir statt aufwändigen und meist flackernden MPP-Tracking einfach bis zu einer Dynamospannung von rund 10V mit einem niedrigem LED-Strom zu fahren und dann auf die Dynamospannung zu regeln (der Strom wird also so weit erhöht das der Dynamo bei 10V bleibt und nicht weiter steigt). Geht analog sehr einfach und erste Tests sahen sehr gut aus. Letzten Endes wird der Shunt zur Strommessung einfach von einem Fet gebrückt der über einen opamp mit Dynamospannung als FB angesteuert wird. Saueinfach und sehr effektiv!

Gruß
Thomas

Wenn's nur um den Dynamobetrieb geht, kann ich meine Schaltung mit dem Durchflußwandler (3.5 zu 1) empfehlen, hat sich nun seit einigen Jahren bewährt und holt ab ca. 10kmh 1.7A@3V an der Front LED raus (Dynamospannung stabil bei 12V, Rücklicht ca. 100mA an 12V).
Habe auch noch eine Steuerung gebaut, die über eine RGB LED den Status anzeigt (Stand-/Abblend-/Fernlicht) und über einen Taster umschaltet.
Die Helligkeitserkennung habe ich über die rote LED (von der RGB) gemacht, die funktioniert prima als Lichtsensor Wird einfach alle 65ms ausgetastet, auf Masse gezogen (zum Löschen der internen Kapazität) und dann 2 ms später die Spannung gemessen.
Geht prima!
Abblendlicht ist ein Projektionsscheinwerfer mit XM-L, Fernlicht ein WF501 Kopf und Stand/TFL sind 5050 LEDs.

Der Nikolauzi

 

[rob1111]

@nikolauzi:
das klingt sehr interessant!
kannst du bitte ein bild von der lampe und elektronik posten.

 

[plattfusz]

Ich hab den Wandler von Nikolausi auf nen normalen Stepdown mit Halbbrücke umgebaut. Mir war schlicht der Trafo zu groß, in meinen Lampen passen diese Klöpper nicht rein. Aber seine Schaltung funktioniert, man achte aber auf die Fuses beim brennen damit man die 100kHz hat.


Man kann seinen Code direkt verwenden und erhält knapp 1A an der Diode. Ich hab grad 2 in Reihe und es ist gut ausreichend.

 

[nikolauzi]

Ich hab den Wandler von Nikolausi auf nen normalen Stepdown mit Halbbrücke umgebaut. Mir war schlicht der Trafo zu groß, in meinen Lampen passen diese Klöpper nicht rein. Aber seine Schaltung funktioniert, man achte aber auf die Fuses beim brennen damit man die 100kHz hat.


Man kann seinen Code direkt verwenden und erhält knapp 1A an der Diode. Ich hab grad 2 in Reihe und es ist gut ausreichend.

Mit einem Stepdown habe ich keine so guten Ergebnisse erzielt (speziell am Dynamo, an einem Netzteil funktioniert das natürlich prima). Außerdem stört mich, daß man 2 LEDs nehmen muß, gerade bei einem Projektionsscheinwerfer.
Meine Schaltung ist hier zu finden:
http://www.mtb-news.de/forum/showthread.php?t=267778&highlight=licht+2.0&page=3
(ist schon ein wenig länger her)

Der Nikolauzi

Edit sagt (at)Plattfusz:da fällt mir gerade noch ein: die 1A sind gemessen mit Netzteil oder mit Dynamo?

 

[Siam]

Ich habe mir noch ein paar überlegungen der Grundsätzlichen Elektronik/Versorgung gemacht und kam nun zu folgenden Schluss:

Die Lampe wird einen integrierten Akku bekommen wobei der Dynamo über einen Schottky-Gleichrichter direkt mit diesen Verbunden ist um möglichst keine Verluste zu haben. Die Lampe wird ausschließlich aus dem Akku gespeist wobei jedoch die Verbindung Akku-Lampe erst bei anliegen einer Spannung am Dynamo erfolgt. Steht das Rad sind also ausschließlich die passiv aufgebauten Standlicht-LEDs aktiv. Eventuell implementiere ich jedoch 30 Sekunden "nachleuchten".

Dies soll dadurch passieren das ein über den Dynamo versorgter uC erst die Verbindung Akku-Lampe und bei erreichen von 12V die Verbindung Akku-Dynamo schließt und misst ob Strom aus dem Dynamo fließt. Sobald nun eine Zeit kein Strom mehr aus dem Dynamo kommt wird die Verbindung Dynamo-Akku getrennt (nun kann man prüfen ob der Dynamo noch saft liefert, also das Rad fährt). Die Verbindung Akku-Lampe wird erst (automatisch da der uC nicht mehr versorgt wird) getrennt wenn <2V aus dem Dynamo kommen. Dies soll verhindern das bei Langsamer Fahrt die Funzel ausgeht. Sollte die Dynamospannung auf >10V steigen wird die Verbindung wieder geschlossen.

Um ein Überladen des Akkus zu verhindern wollte ich den Zellen einen Balancer gönnen der 0,5A, also den maximalen Ladestrom, abkann und zur Not ans Gehäuse verheizt. Wenn die Lampe aktiv ist und mehr als 3-4W aufnimmt kann der Akku ohnehin nicht überladen.

Die Dimensionierung:

Ich wollte LiFePO4-Zellen nehmen da diese bei niedrigen Tempereaturen noch laufen und eine sehr flache Spannungskurve haben. Außerdem können die hohe Zyklenzahlen ab was bei dieser Anwendung sehr wichtig ist. Aufgrund der niedrigen Ladeschlusspannung (mit 3,4V je Zelle hat man rund 90%) erwäge ich auf 4s zu gehen. Es werden wohl 18650er oder Folienzellen mit ähnlicher Kapazität (also rund 1-1,5 Ah).

Um ein Laden zu ermöglichen wird das Rücklicht nur mit 100mA versorgt (etwa 6V), bei 12V nimmt die KSQ dann 65mA auf. Vorne werden als Tagfahrleuchten die Fernlicht LED(s) mit maximal 0,5W versorgt so dass Tagsüber rund 150-200mA Ladestrom zur Verfügung stehen. Der standard-Nachtmodus wird so bemessen dass bei rund 20 km/h kein Strom aus dem Akku entnommen wird.

Generell werden die KSQs rein analog so ausgelegt das diese den LED-Strom bei erreichen einer unteren Schwellspannung reduzieren damit diese Schwellspannung nicht unterschritten wird. Somit wird bei leeren Akku und Dunkelheit eben so hell geleuchtet wie es der Dynamo zulässt. Da die Schwellspannung bei rund 3V/Zelle liegen wird erfolgt dann natürlich keine Ladung des Akkus, erst wieder wenn man auf Tagfahrlicht umschaltet.

Dies sind die Dinge welche aus meiner Sicht eine solche "immer dran Universallampe" dann wirklich praktisch machen.
Man muss dazusagen dass ich selbst im Winter immer eine Strecke zu Hause-Arbeit im hellen fahre (ca. 100 Minuten je Strecke). Außerdem sind einige Strecken dabei wo aufgrund der Beleuchtung das Tagfahrlicht langt. Für jemanden der im Winter nur im dunkeln auf Waldwegen fährt ist dies sicher nicht ideal.

Gehe ich von 2W Ladeleistung und 4W Dynamoleistung aus so muss ich bei 10W Lampenleistung (also rund 800 lm) also vorher die dreifache Zeit im Tagesfahrlicht-Mosus unterwegs gewesen sein. Insgesamt sind dann bei vollen Akku rund 2-3 Stunden bei 10W drin (sind ja nur 6W die aus dem Akku kommen).

Wie gesagt, das stellt für mein Fahrprofil eine sehr gute Lösung dar, für andere ist das eventuell sinnlos...

Gruß
Thomas

 

[plattfusz]

Edit sagt (at)Plattfusz:da fällt mir gerade noch ein: die 1A sind gemessen mit Netzteil oder mit Dynamo?

Beides, aber nur mit nem Schätzeisen gemessen. Im übrigen hast du recht, ich fahr da mit 2 LEDs. Gegenüber 2s an einem Mosfetgleichrichter eine sichtbare verbesserung.

 

[Siam]

So, zwei Dinge laufen schon einmal:

-Die KSQ für das Rücklicht (Spannungsbereich 8-18V), Ausgangsstrom 90 mA Wirkungsgrad (12Vin 6Vout) ca. 80%

Die KSQ für die anderen LEDs mit Unterspannungsschutz. Von 11V bis 18V liefert die KSQ maximal 1,5A. Der Wirkungsgrad liegt bei 2 LEDs bei rund 95%, bei einer LED bei 88% (beides 1A). Bei 11V wird der Strom auf 100mA gedrosselt (wird bei 10,96V erreicht) (Aufnahme rund 60 mA) bzw. auf eben den Wert eingeregelt der die Spannung bei 11V hält.
Der Eigenverbrauch der KSQ liegt bei 4 mA.

Verwendung findet der XRP7664 wwelcher bis zu 2A abkann und eine Halbbrücke hat was die Verluste deutlich reduziert. Durch die hohe FB-Spannung bleibt natürlich ein OP nicht aus, ich verwende einen 50 mOhm-Shunt und einen MCP6001 zur Verstärkung. Ein weiterer MCP6001 kommt für die Eingangsspannungsregelung zum EInsatz. Ein LM3480 Versorgt die OPs zum einem mit 5V und dient zum Anderen als Refernzspannung für die Spannungsregelung.
Eigentlich viel Zeug, aber alles klein (1x so8, 2x sot23-5, 1xsot23) und trotzdem nur 4mA Ruhestrom.

Eventuell werde ich den Akku doch nur mit einem standard-PCB ausrüsten und die Ladeschlusspannung dadurch begrenzen das ich bei Erreichen von 14,4V am Akku (4s LiFePO4) die Abblendlicht-LEDs so weit aufdrehe das die Spannung nicht weiter steigt. Ist nur ein weiterer MCP am board.

Nun zu den Lampen:

Die Entscheidung ist gefallen. Das Fernlicht wird eine einzelne XM-L U2auf Kupfer mit der Gaggione LLC49R sein. Für das Abblendlicht werde ich zwei nach unten um rund 7° und Horizontal um etwa +-15° gewinkelt angebrachte XM-L T4 mit der Gaggione LLC19E (ca. 6°/20°) verwenden. Diese werden mit mximal 1A bestromt, die Fernlicht-LED mit bis zu 3A.

Auf die Verwendung der MK-R verzichte ich bewußt da es mit dieser laut Gaggione nicht möglich ist einen Spot hinzubekommen, die LLC49R eignet sich nicht und das engste ist die LLC49N mit dann 15° Halbwinkel. Und für das Abblendlicht brauche ich ohnehin nicht viel Intensität, da tut es die XM-L.

Gruß
Thomas

 

[plattfusz]

Du brauchst da keinen OP. Ich habs mal vor kurzem etwas anders gemacht. Stör dich nicht am Regler, entscheidend ist die Referenzdiode und der Spannungsteiler.

 

[Siam]

Da mit der additiven Komponente geht zwar, nutze ich auch gerne zum dimmen, jedoch nur in gewissen Grenzen (erfahrungsgemäß bis etwa 1/5). Schließlich wird das regelverhalten masiv verschlechtert, da in meinem Fall nur noch 5% vom FB-signal aus dem Messkreis kommen.

Der MCP6001 kostet 20 cent, gönnt sich 0,1mA und kommt im SOT23 daher. Viele DC-DC controller haben sowieso einen Refernzspannungsausgang der dann zur Versorgung und eben als Refernz dient. Die OPs habe ich eigentlich mal für meinen 1s LiFePO4 Linearregler gekauft...

 

[ohropax]

Wie sieht es denn mit dem Platzverbrauch der 4 Akkuzellen aus? Wie klein kriegt man das minimal? Wo wolltest du die unterbringen? Im Lampengehäuse oder extern?

Was sprach denn nochmal im Detail gegen eine Einzelzelle? Mit der könnte man die gewünschte Pufferkapazität/Baugrösse doch viel einfacher selbst bestimmen, ohne die Elektronik modifizieren zu müssen.

cheers,
Marcus

 

[Siam]

Letzten Endes spielt für den Platzverbrach die Zellenzhl keine Rolle sondern nur die Energie. Es wird alles im Gehäuse verbaut, ich will diese Lampe eben als eine Einheit haben. Fürs Grobe kann ich ja meine anderen Geschütze additiv hinzufügen.

Nochmal wieso der Akkus so und nicht anders gewählt ist:
LiFe taugt bei Kälte (und ich muss sogar bei Kälte laden) weitaus mehr als LiIon oder gar LiPo. Zudem ist die Zyklenfestigkeit viel besser. Also ohne Alternative (LiMn ist zwar bei Kälte gut, aber die mögen die vielen Zyklen nicht). Zudem kommt die flache Ladekurve dem Dynamo entgegen.

Zwischen Dynamo und Akku will ich keine Elektronik zum Laden (Verluste), 4s LiFe braucht ca. 3,3-3,4V/Zelle zum Laden, also 13-14V. Da ich viel Asphalt auf der Ebene fahre bringt da der Dynamo gut Leistung (ca. 400mA). Bei viel Wald würde ich 3s nehmen (weil man da eben langsamer ist).

Letzten Endes ist es für mich das simpelste die Elektronik an alles andere anzupassen. Prinzipell ist es mir egal ob ich 10kV aus 1s mache oder 100mV aus 100s. Beides geht zur not auch sehr kompakt und für die gegebenheiten auch sehr effizient...

Gruß
Thomas

 

[rschultz101]

Bisschen Salz, ohne Sahne ...
- fuer eine Universal einsatz, wuerde gern ne Schaltung haben,
wo man vorhandene 2S Funzeln dranstecken kann. Das ganze soll auch noch mit dem billig 6V Dynamo gehen.
- sehr klein nach Siam's Standard (Arnold kann da nicht mithalten)
3x ~50mm optic, + Electronic , + 4S Akku = nicht mehr putzig klein
- Akku, 2x 26650 anstatt 4x18650 , die 26650 sind gut
- LiFePO4 , direct am Kühlkörper dran, unter 80C, super,
die ersten 5 Minuten, warten mit dem Laden.
- Stecker + , XT60 60A, mit nehm Taschen-Akku , direct den Lampen Akku mit 10A+,
nen Stoss geben. oder zu Hause / Tasche -> Laden.
- XML 3A x 3V , lieber ne XP-G2 auf 2A (braucht dan schon Kupfer)
- ne PIC mit USB anschluss
---
die guten Alten, HID
fuer nen Horizontal Licht, eine Hella 300 ist super !
leider keine Zeit zum umbauen auf LED. leider auch keine CNC.
Gruß Robert

 

[Siam]

So, die Lampe ist fertig. Hier mal die Eckdaten:

LEDs: 3 x XM-L2 T3 (3000K)

Optiken: 1 x Gaggione LLC49R (Fernlicht), 2 x Gaggione LLC49E (Abblendlicht)

KSQ: step-down mit L6726A auf max. 3,5A begrenzt

Generator: Shimano DH-3N30, Schottky-Gleichrichter mit 44mF/16V Siebung; 18V Zenerdiode zur Begerenzung bei Leerlauf

Akku: 4s LiFePO4 (zur Zeit 1860 mit 1,2 Ah, aber 26650 mit 2,5Ah geplant)

Steuerung: uC-Steuerung mit Anzeige von Systemspannung (oben links), Generatorstrom (unten Links), Batteriestrom (nur positiv, unten rechts), Stufen für Fernlicht und Abblendlicht (oben rechts) sowie Anzeige ob der Akku zugeschaltet ist (oben mitte), alternativ läuft dort die Zeit ab bis der Akku getrennt wird falls kein Generatorstrom fließt.

Folgende Bedienung ist programmiert:
Beim Anfanhren startet die Steuerung und schaltet den Akku zu. Das Rücklicht ist immer an, es wird das Fernlicht auf kleinster Stufe zugeschaltet. Stromaufnahme dann etwa 0,35A. Mit den linken Tasten lassen sich Fernlicht und Abblendlicht in drei Stufen (ca. 1, 2 und 3A LED-Strom) schalten, langes drücken schaltet die jeweilige Lampe aus. Die linken Taster sind Direktwahltaster für Fernlicht (Abblendlicht aus, Fernlicht 3W) und Abblendlicht (Fernlicht aus Abblendlicht 3W) zum schnellen Umschalten.

Sinkt die Systemspannung unter 9V geht die Lampe auf kleinste Leistung, unter 6V wird alles abgeschaltet (ausser das Rücklicht, dieses kann nicht geschaltet werden).

Bei unter 50 mA Generatorstrom geht die Steuerung davon aus das man steht und beginnt einen 99-Sekunden-Countdown bis der Akku abgetrennt wird. Bei drücken einer beliebigen Taste oder kurzzeitigen Überschreiten von 50 mA startet der Countdown neu, bei 5s Restzeit blinkt die Frontleuchte falls eingeschaltet.

Wie man auf den Bildern sieht ist der ISP noch rausgeführt um die Sache optimieren zu können.


Hier die Fotos:







Ausleuchtungsbilder mitca. 24mm KB f=1,4, 1/4s Belichtungszeit, ISO200 und Weißabgleich auf Sonnenlicht (So kommt die Lichtfarbe auch recht real rüber)

Abblendlicht 3W:



Abblendlicht Stufe2 (14W):




Fernlicht 3W:



Fernlicht vollgas (13W):



Kombi ca. 5W gesamt:



Kobi mit 17W gesamt, davon 14W Fernlicht:



Und alles was geht (ca. 35W):



Gruß
Thomas

 

[Phil-Joe]

Det kann was.
Aber ist schon recht ... speziell. Also für Bauspezialisten wie dich passt das. Aber das Paket ist ja doch das Gegenteil von kompakt. Ich persönlich würde die Lichtfarbe bissl kühler fahren, dass es mehr ins weiße geht.

Aber das ist Geschmackssache. Der Aufwand wieder mal aller Ehren wert und vor allem die Gedanken hinter dem Projekt.

 

[django013]

Hallo Thomas,

hast Du das Abblendlicht schon mal ausgemessen? Interessant wäre der Vergleich mit Blendwirkung (jur.)

Wenn ich mir das erste Bild (3W) anschaue, dann erscheint mir die Ausleuchtung sehr schmalbandig mit einer Lücke in der Mitte. Das dürfte wohl das max. sein, was der Dynamo hergibt, aber ist das auch praktikabel zum Fahren?

Der beleuchtete Busch (links) scheint doch recht hoch noch beleuchtet zu sein. Ich könnte mir vorstellen, dass da bei manchen Autofahrern der Adrenalinspiegel steigt.

Von der Gesamtausleuchtung gefällt mir der Mix bei 17W am Besten. Ist aber ziemlich illusorisch für Dynamostrampler :O

Gruß Reinhard