Hallo,
hab mir vor einiger Zeit eine neue, stufenlos dimmbare Helmlampe gebastelt.
Da ich hier im Forum in der Vergangenheit sehr viele tolle Tips bzgl. Lampenbau erhalten habe, wollte ich die Lampe nachfolgend vorstellen.
Am Ende des Beitrags findet sich auch eine Auflistung aller verwendeter Komponenten, mit Angabe von Bezugsquelle und Einzelpreis, sowie eine Skizze des Lampenkopfs mit Bemassungen.
Nachfolgend zunächst ein paar Bilder der fertig aufgebauten Lampe:
Die Elektronik sitzt in einem separaten Alu-Gehäuse an der Helmrückseite. Der Li-Ion- Akku wird in einem wasserdichten Gehäuse am Gurt getragen.
Der Lampenkopf kann stufenlos verkippt werden. Als Drehachse dient die sehr massive M12-Kabelverschraubung.
Auf der Rückseite des Lampenkopfs ist ein Stiftkühlkörper eingelassen, um die Kühlung und somit die Effizienz der Leds noch ein wenig zu verbessern.
Folgende Vorgaben sollte die neue Lampe erfüllen:
- Lampenkopf, Elektronikgehäuse und Akkugehäuse möglichst wasserdicht. Mindestens Schutzart IP67
(30min, 1m Wassertiefe).
- Robuste, zuverlässige Konstruktion (sehr stabiler Lampenkopf, massive Frontscheibe, robustes
Elektronik- und Akkugehäuse, strapazierfähiges Kabel, Kabelverschraubungen und Stecker mit guter
Zugentlastung , Stecker mit Verriegelung und vergoldeten Kontakten für gute Korrosions-
beständigkeit und geringe Kontaktwiderstände).
- Hoher max. Lichtstrom (deutlich heller als alle kommerziell verfügbaren Höhlen-Helmlampen).
- Verwendung der effizientesten am Markt verfügbaren Leds für lange Akkulaufzeiten.
- Lampenkopf mit groÃer Oberfläche für optimale Kühlung und somit max. Effizienz der Leds
- Erträgliches Gesamtgewicht der am Helm montierten Komponenten (Akku wird am Gurt getragen).
- Optik mit homogener Ausleuchtung ohne konzentrische Strukturen.
- Helligkeit stufenlos dimmbar.
- Lampenkopf stufenlos in der Neigung verstellbar.
- Qualitativ hochwertige Konstantstromquelle (KSQ) + PWM-Dimmer
- Qualitativ hochwertiger Li-Ion-Akku (Panasonic- oder Samsung-Zellen) mit Schutzschaltung
gegen Ãberladung, Tiefenentladung und externen Kurzschluss.
- Qualitativ hochwertiges und einfach zu bedienendes Ladegerät für 4-zelligen-Li-Ion-Akku.
- Für Filmaufnahmen geeignete PWM-Frequenz.
- Keine magnetischen Teile am Helm (z.B. Reedschalter), um Kompass nicht zu stören.
- Nach Möglichkeit alle Komponenten von deutschsprachigen Bezugsquellen mit kurzer Lieferzeit.
Komponenten der Eigenbau-Led-Helmlampe (Akku + Ladegerät fehlen auf dem Bild noch).
Das Herzstück der Helmlampe:
7x CREE XM-L U2 Led auf Kupferplatine.
Max. theoretischer Lichtstrom: ca.
7000 Lumen (I=3000mA, P= 70W).
Der angegebene max. theoretische Lichtstrom wird nur bei perfekter Kühlung und ohne Optik erreicht, da die Effizienz der Leds mit steigender Temperatur sinkt und jede Optik verlustbehaftet ist. Die Kupferplatine bietet im Vergleich zu den wenigen Konkurrenzprodukten auf Aluplatine eine verbesserte Wärmeableitung.
http://www.led-tech.de/de/High-Power-LED...47_120_117.html
Zu Beginn des Bastelprojekts gab es noch keine kommerziell verfügbare 7fach XM-L Platine. Aus diesem Grund wurde zunächst die links abgebildete, nicht kommerzielle 7fach XM-L Platine von den Jungs von rad-ass verwendet.
An dieser Stelle ein ganz besonders herzliches dankeschön an den Jürgen von rad-ass!
Für die Led-Platine sind verschiedene 7-fach Optiken sowie diverse Einzeloptiken des Herstellers Polymer-Optoelectronics mit unterschiedlichem Abstrahlwinkel verfügbar.
1.) Abstrahlwinkel 12°, clear, Part No. 261 (Abbildung links, auch bei led-tech erhältlich)
ursprünglich designed für Luxeon Rebel leds
2.) Abstrahlwinkel 12°, diffuse, Part No. 264 (Abbildung rechts)
ursprünglich designed für Luxeon Rebel leds
3.) Abstrahlwinkel 12°, clear, Part No. 122
ursprünglich designed für Luxeon I, III und K2 leds
4.) Abstrahlwinkel 50°, clear, Part No. 125
ursprünglich designed für Luxeon I, III und K2 leds
5.) Abstrahlwinkel 12°-90°, clear, Part No. 130,
ursprünglich designed für Luxeon I, III und K2 leds.
Hierbei handelt es sich um eine spezielle Zoom-Optik,
welche in Kombination mit Optik 125 eingesetzt
werden kann. Je nachdem wie die beiden Optiken
aufeinandergesetzt werden, kann man unterschiedliche
Abstrahlwinkel definieren.
http://de.futureelectronics.com/de/Searc...:4294938290-907
Bei der 7fach-Optik in der Mitte wurde testweise die mittlere Einzeloptik heraus gesägt und provisorisch durch eine Weitwinkel-Einzeloptik ersetzt.
Links: âSenser Xtremeâ Boost-Konstantstromquelle (KSQ)
Bei der âSenser Xtremeâ vom deutschen Hersteller pcb-components handelt es sich um eine extrem leistungsfähige KSQ, die in der Lage ist, bis zu 16 Highpower-Leds mit einem konstanten Ausgangsstrom von bis zu 2050mA zu versorgen. Dies entspricht einer Led-Leistung von über 100W.
Durch Einlöten eines zusätzlichen Bauteils kann die âSenser Xtremeâ alternativ auch bis zu 8 Highpower-Leds mit einem konstanten Ausgangsstrom von bis zu 3050mA versorgen.
Die Effizienz der KSQ beträgt je nach Eingangsspannung bis zu 97%. Die Verlustleistung (Erwärmung) ist daher äuÃerst gering.
Bei der âSenser Xtremeâ handelt es sich um eine sog. Boost-KSQ. Das bedeutet, daà die Akkuspannung geringer sein kann (muÃ) als die eigentlich benötigte Led-Spannung. Dies hat den Vorteil, daà man weniger Akkus in Reihe schalten muÃ.
http://pcb-components.de/index.php?page=...emart&Itemid=64
Rechts: âNanoDimV2â-PWM-Dimmer.
Der âNanoDimV2â bietet 3 verschiedene Möglichkeiten der Helligkeitsregelung :
1.) Bedienung mit einem Poti (stufenlose Dimmung, 0-100%)
2.) Bedienung mit 2 Drucktastern (stufenlose Dimmung, 0-100%)
3.) Bedienung mit 1 Drucktaster (vordefinierte Dimmstufen: 0%, 25%, 50%, 100%)
Die Dimmfrequenz ist wählbar (200Hz oder 2KHz) und laut Hersteller für Videoanwendungen geeignet.
http://pcb-components.de/index.php?page=...emart&Itemid=64
Komponenten für den Lampenkopf:
Arctic-Silver Wärmeleitpaste mit feinporiger Schaumstoffwalze möglichst dünn und gleichmäÃig auf den Stiftkühlkörper auftragen und diesen kräftig mit dem Lampenkopf verschrauben.
Blank polierte Oberfläche des Lampenkopfs nach der Fertigung. Als Alu-Legierung wurde AlMgSi1 verwendet, da es einen Kompromiss aus guter Zerspanbarkeit und guter Eloxierbarkeit bietet.
Da raue, matte Oberflächen Wärme besser abstrahlen können als glatte, polierte Oberflächen,
habe ich den Lampenkopf und den Stiftkühlkörper glasperlengestrahlt. Eigentlich sollte der Lampenkopf auch farbig eloxiert werden. Aus Zeitgründen habe ich darauf dann aber doch verzichtet.
Das Lampeninnere, sowie die Auflageflächen für Stiftkühlkörper und Kabelverschraubung wurden blank poliert belassen.
Kabelverschraubung montieren. Für optimale Dichtigkeit hochviskoses O-Ring-Fett verwenden (z.B. Baysilone von Bayer). Das Gewinde der Kabelverschraubung wurde zusätzlich mit Teflon-Dichtband abgedichtet.
Der von mir verwendete Stiftkühlkörper ICK S R 54 X 20 von Fischerelektronik (rechts) hat eine Tiefe von 20mm. Der Kühlkörper ist bei Bedarf aber auch mit einer Tiefe von 30mm bzw. 45mm erhältlich.
Montage der Komponenten:
Lampenkopf-Halterung montieren.
Lampenkopf an Lampenkopf-Halterung montieren.
Led-Platine anlöten. Die Unterseite der Led-Platine in vollflächig vergoldet. Dies beugt möglicher Oxidation vor und macht das rückstandslose Entfernen von z. B. Fingerabdrücken möglich.
Arctic-Silver Wärmeleitpaste mit feinporiger Schaumstoffwalze möglichst dünn und gleichmäÃig auf die Unterseite der Led-Platine auftragen und diese kräftig mit dem Lampenkopf verschrauben.
So, schaut schon mal nach viel Licht aus.
7-fach Optik einsetzen.
Viton-O-Ring (sehr gute Temperaturbeständigkeit von -20°C bis +200°C) und modifizierter Zentrierring.
O-Ring von Fusseln reinigen und auf den Zentrierring aufziehen.
O-Ring gleichmäÃig mit O-Ring-Fett einfetten und in den Lampenkopf einlegen.
Optik zentrieren. Frontscheibe auf der Unterseite mit fusselfreiem Tuch reinigen, auf den O-Ring auflegen und die 6 Zylinderschrauben möglichst gleichmäÃig anziehen. Zum Schluà alle 6 Schrauben kräftig bis zum Anschlag anziehen.
Komponenten für das Elektronikgehäuse. Die Wandstärke des Alugehäuses beträgt 3mm (heavy-duty-Ausführung). Das Gehäuse sollte also auch sehr harte Schläge gegen den Fels unbeschadet überstehen.
Montageplatte zur Befestigung des Elektronikgehäuses montieren.
Elektronikgehäuse festschrauben. Da die Wandungen des Alu-Gehäuses fertigungsbedingt nicht perfekt plan sind, wurden die Auflageflächen für die Kabelverschraubungen plan gefräst und jeweils direkt anschlieÃend die M12-Gewinde gebohrt und geschnitten (ohne Umspannen des Werkstücks, damit Auflagefläche und Gewindegang auch wirklich perfekt senkrecht zueinander stehen).
Kabelverschraubungen montieren. Für optimale Dichtigkeit hochviskoses O-Ring-Fett verwenden (z.B. Baysilone von Bayer) . Die Gewinde der Kabelverschraubungen wurden zusätzlich mit Teflon-Dichtband abgedichtet. Kabel montieren und XLR-Stecker anlöten.
Elektronik-Platinen mit Wärmeleitpads auf Aluprofil aufkleben, Kabel anlöten und Aluprofil mit Wärmeleitpads in das Alugehäuse einkleben. Drucktaster (IP67) montieren. Für noch bessere Dichtigkeit und zum Schutz vor Verschmutzung mit Höhlenlehm bei der Montage der Drucktaster die optional erhältlichen Dichtkappen verwenden.
Durch Anlöten des blauen Kabels an Lötpad âBâ des PWM-Dimmers kann die PWM-Frequenz von 200Hz auf 2KHz geändert werden.
Die AnschluÃbelegung von KSQ und PWM-Dimmer findet sich in den zugehörigen, sehr übersichtlichen Manuals, welche man sich bei pcb-components als pdf-file runterladen kann.
Dichtflächen blank polieren. Dichtung des Elektronik-Gehäuses von Fusseln reinigen und gleichmäÃig mit O-Ring-Fett einfetten. Deckel aufsetzen und die 4 Zylinderschrauben gleichmäÃig anziehen. Zum Schluss alle 4 Schrauben kräftig bis zum Anschlag anziehen.
Komponenten für das Akkugehäuse (laut Hersteller Alunatec druckdicht bis 200m Wassertiefe).Das Akkugehäuse besteht aus Delrin (POM). Dieser Spezialkunststoff von âDuPontâ zeichnet sich durch hohe Festigkeit und ausgezeichnete Dimensionsstabilität aus und wird für Präzisionsteile verwendet.
http://shop.strato.de/epages/61162903.sf...0%20POM-0002%22
4-zelliger Li-Ion-Akku (4S1P) mit integrierter Schutzschaltung gegen Ãberladung und Tiefenentladung. Nennspannung: 14.8V, LadeschluÃspannung: 16.8V, EntladeschluÃspannung: 11.0V,
Max. Entladestrom: 4.0A, Max. Ladestrom: 2.6A, Kapazität: 2600mAh (bzw. ca. 38Wh), Qualitativ hochwertige Samsung ICR18650-26 Zellen
Vollautomatisches Ladegerät für 4-zellige Li-Ion-Akkus (4S1P) vom norwegischen Hersteller Mascot.
Type: 2241, LadeschluÃspannung: 16.8V, max. Ladestrom: 0.9A
Ladegerät, 4-zelliger Li-Ion-Akku und Akkugehäuse.
Wenn man den Akku ins Akkugehäuse reinstellt, bleiben rundherum noch ca. 2mm Luft. Oberhalb des Akkus ist noch etwas Platz, um z.B. eine KFZ-Sicherung als Schutz gegen externe Kurzschlüsse zu integrieren.
XLR-Stecker an Ladekabel anlöten. Akku anlöten und Lötstellen mit Schrumpfschläuchen isolieren.
Da der Akku noch etwas Spiel im Gehäuse hatte, habe ich ihn vor dem Einbau einige male sehr eng mit Frischhaltefolie und abschlieÃend mehrfach mit Gaffa-Tape umwickelt, um ihn noch etwas besser vor evtl. eindringendem Wasser zu schützen. Vor dem Zuschrauben des Akkugehäuses die O-Ringe gleichmäÃig mit O-Ring-Fett einfetten.
Die verwendeten Blueglobe-Kabelverschraubungen sind von Alunatec erfolgreich bis 300m Wassertiefe getestet (bei entsprechend geeignetem Kabel sowie glatter und planer Auflagefläche). GroÃer Temperaturbereich: -40°C bis +130°C.
Vorsicht: die Kabelverschraubungen haben ein metrisches Feingewinde M12x 1.5. Ein gewöhnlicher Wald- und Wiesen-Gewindeschneider aus dem nächsten Baumarkt funktioniert daher nicht!
Als Kabel verwende ich das Cordial CLS 215. Hierbei handelt es sich um ein sehr robustes und trotzdem flexibles Lautsprecherkabel, welches ich auch in meinem früheren, langjährigen Hobby Konzertbeschallung in gröÃeren Mengen mit groÃer Zufriedenheit verwendet habe.
Leiterquerschnitt: 2x 1.5mm2, Leiteraufbau: jeweils 84x 0.15mm2, Leiterwiderstand: 13Ohm/km, Gewicht: ca. 70g/m, Durchmesser: 7mm.
Die verwendeten Neutrik XLR-Stecker sind sehr stabil und verriegelbar. Sie bieten auÃerdem eine sehr gute Zugentlastung und haben vergoldete Kontakte.
Hurra fertig!
Links:
Alte Eigenbau-Helmlampe,
4x CREE XR-E R2 Led (I= 1000mA),
Baujahr 2010.
Mitte:
Redundant aufgebaute Eigenbau-Handlampe,
Baujahr 2011.
Lampenkopf Seite 1:
7x CREE XP-G R5 Led (I= 1350mA)
Lampenkopf Seite 2:
4x CREE XP-G R5 Led (I= 1000mA)
Rechts:
Neue Eigenbau-Helmlampe,
7x CREE XM-L U2 Led (I= 2050mA),
Baujahr 2012.
Daten der fertig aufgebauten Helmlampe:
Mit dem
âCree Product Characterization Toolâ kann man sehr schön das Betriebsverhalten diverser Cree-Leds untersuchen, und sich z.B. verschiedene Parameter wie Lichtstrom [Lumen], Effizienz [Lumen/W], Vorwärtsspannung [V] und Leistungsaufnahme [W] in Abhängigkeit vom gewählten Betriebsstrom sowie in Abhängigkeit von der Led-Temperatur (Tjunction) anschauen:
http://pct.cree.com/#
Output der "cavelight 3000":
Die nachfolgenden Werte zur Abschätzung des max. real emittierten Lichtstroms der "cavelight 3000" stammen alle aus der Tabelle im Beitrag zuvor. Um die Werte in der Tabelle ablesen zu können, diese auf "volle BildgröÃe" vergröÃern.
Für
eine einzelne Cree XM-L U2 Led ergibt sich bei einem Strom von
I= 3A und
Tjunction= 25°C:
-
Lichtstrom: 975.6 Lumen*
- Effizienz: 97.5 Lumen/W
- Vorwärtsspannung: 3.337V
- Leistungsaufnahme: 10.011W
Für
7 Stück Cree XM-L U2 Leds in Reihenschaltung ergibt sich somit bei einem Strom von
I= 3A und
Tjunction= 25°C:
-
Lichtstrom: 6829 Lumen*
- Effizienz: 97.5 Lumen/W
- Vorwärtsspannung: 23.4V
- Leistungsaufnahme: 70.1W
* Max. theoretischer Lichtstrom : Dieser gilt nur für eine Emittertemperatur von 25°C, da die Effizienz [Lumen/Watt] mit steigender Emittertemperatur sinkt . Verluste durch Optiken und Frontscheiben sind ebenfalls nicht berücksichtigt. In der Realität werden diese Werte daher nur bei sehr effizienter Kühlung und ohne Optik erreicht. Die exakten, real emittierten Lichtströme einer Lampe müssen in einer kalibrierten Ulbrichtkugel gemessen werden.
Led-Hersteller geben die Led-Parameter üblicherweise für eine Tjunction von 25°C an. In der Realität ist die Tjunction aber wesentlich höher als 25°C.
Worst Case (sehr schlechte Kühlung):
Für
eine einzelne Cree XM-L U2 Led ergibt sich bei einem Strom von
I= 3A und
Tjunction= 150°C:
-
Lichtstrom: 707.3 Lumen
- Effizienz: 79.6 Lumen/W
- Vorwärtsspannung: 2.962V
- Leistungsaufnahme: 8.886W
Für
7 Stück Cree XM-L U2 Leds in Reihenschaltung ergibt sich somit bei einem Strom von
I= 3A und
Tjunction= 150°C:
-
Lichtstrom: 4951 Lumen
- Effizienz: 79.6 Lumen/W
- Vorwärtsspannung: 20.7V
- Leistungsaufnahme: 62.2W
Wie man sieht, sinkt mit steigender Tjunction nicht nur die Effizienz, sondern auch die Vorwärtsspannung und somit auch die Leistungsaufnahme. Daher sinkt die Leistung bei gleichem Strom von 70.1W auf 62.2W
Abschätzung des real emittierten Lichtstroms der âcavelight 3000â (worst case):
Da die Helmlampe bei einem Strom von 3000mA bzw. einer Leistung von 60-70W passiv nicht zu kühlen ist und extrem heià wird, wird die Lampe ânurâ bei max. 2050mA betrieben.
Für eine
einzelne Cree XM-L U2 Led ergibt sich bei einem Strom von
I= 2A und
Tjunction= 150°C
(worst case, sehr schlechte Kühlung):
-
Lichtstrom: 537.6 Lumen
- Effizienz: 93.8 Lumen/W
- Vorwärtsspannung: 2.866V
- Leistungsaufnahme: 5.732W
Für
7 Stück Cree XM-L U2 Leds in Reihenschaltung ergibt sich somit bei einem Strom von
I= 2A und
Tjunction= 150°C (worst case, sehr schlechte Kühlung):
-
Lichtstrom: 3763 Lumen
- Effizienz: 93.8 Lumen/W
- Vorwärtsspannung: 20.1V
- Leistungsaufnahme: 40.1W
Die Verluste durch die verwendete 7fach-Optik von Polymer-Optoelectronics (Part.-No.: 261) betragen laut Hersteller weniger als 15%. Da die 7fach-Optik aber ursprünglich für die Luxeon-Rebel Leds designed wurde, betragen die Verluste in Kombination mit XM-L Leds in Wirklichkeit ca. 22% (in Ulbrichtkugel gemessener Wert).
Somit folgt für den real emittierten Lichtstrom der âcavelight 3000â (worst case):
Mit 7fach-Optik: 3763Lumen x 0.78 =
2935 Lumen
Die Verluste durch die verwendete Scurion-Frontscheibe sind nicht bekannt. Da Scurion für die Scurion1500 (2x CREE XM-L U2 Led) einen Lichtstrom von 1450 Lumen angibt, können die Verluste durch die Frontscheibe nur relativ gering sein. Daher wird für die Verluste durch die Scurion-Frontscheibe ein Wert kleiner 5% angenommen.
Mit 7fach-Optik + Frontscheibe: 2935 Lumen x 0.95 =
2788 Lumen
Da die âcavelight 3000â bei 2050mA betrieben wird (im CREE Product Characterization Tool kann man nur die Werte für 2000mA ablesen) und die Tjunction aufgrund der guten Wärmeableitung der Kupferkern-Platine sicherlich kleiner als 150°C ist, sollte der real emittierte Lichtstrom den Wert von 3000 Lumen übersteigen. Die in unseren Höhlen übliche, konstant niedrige Temperatur trägt natürlich auch noch etwas zur effizienten Kühlung bei.
Kosten der âcavelight 3000â:
- Lampenkopf + Elektronikgehäuse + Kabel + Stecker (alles was am Helm montiert ist):
ca. 240 EUR
- 4-zelliger Li-Ion-Akku (Kapazität ca. 38Wh):
ca. 40 EUR
- Akkugehäuse inkl. Kabelverschraubung + Kabel + Stecker:
ca. 50 EUR
- Ladegerät für 4-zelligen Li-Ion-Akku:
ca. 43 EUR
- Wärmeleitpaste + O-Ring-Fett:
ca. 13 EUR
Alles zusammen: 386 EUR*
* Versandkosten für die einzelnen Komponenten nicht berücksichtigt. Für die Anfertigung des Lampenkopfs wurden 50 EUR berechnet.
Gewicht der âcavelight 3000â:
- Lampenkopf + Elektronikgehäuse + Kabel + Stecker (alles was am Helm montiert ist):
670g
- Li-Ion-Akku + Akkugehäuse + Kabelverschraubung + Kabel + Stecker + Aufhängung:
470g
Alles zusammen: 1140g*
*Das Akkugehäuse wird am Gurt getragen, drückt einem also nicht auf den Schädel.
Fazit "cavelight 3000":
Positiv:
Sehr hell, stufenlos dimmbar, sehr homogene Ausleuchtung, alle Komponenten sehr robust und qualitativ hochwertig, Lampenkopf und Akkugehäuse wasserdicht (druckdicht).
Negativ:
Gewicht der am Helm montierten Komponenten recht hoch, Elektronikgehäuse nicht perfekt wasserdicht (nur IP66, aber durch Polieren der Dichtflächen und Verwendung von O-Ring-Fett sicherlich trotzdem wasserdicht).
Nachtrag: Aktive Kühlung?
Um das Maximum an Effizienz bzw. an Licht aus der Lampe rauszuholen, hatte ich der Lampe zu Beginn des Bastelprojekts einen kleinen, sehr effizienten 50mm-Lüfter verpasst.
Der Lüfter von SEPA erzeugt keine orkanartigen Böen. Dafür, daà er gerade mal 0.25W Leistung aufnimmt, drückt er aber einen ganz ordentlichen Luftstrom (10.1m³/h) durch die Alustifte des Stiftkühlkörpers.
http://www.conrad.de/ce/de/product/18948...earchDetail=005
Provisorische Montage des Lampenkopfs mit Lüfter und Aluprofil, um den Luftstrom gezielt durch die Alustifte zu leiten und den Lüfter vor mechanischen Einwirkungen zu schützen.
Lüfter, Schutzgitter und Aluprofil wiegen nicht allzu viel. Durch die gröÃere Hebelwirkung des tieferen Lampenkopfs wird der Helm aber sehr schlecht ausbalanciert. Aus diesem Grund wurde die aktive Lampenkühlung wieder verworfen. Wie lange der Lüfter das feuchte Höhlenklima überstanden hätte ist natürlich auch fraglich. Grundsätzlich gibt es aber sogar wasserdichte Lüfter.