Portabler Flutlichtstrahler 2800 Lm, hocheffizient mit Dimmung

Nunja, Flutlichtstrahler hatten wir schon mal. Auch Präzisions-KSQ.

Aber diese außergewöhnlichen Kennwerte sprechen dann doch für sich:

- Output max 2800 Lumen mit 210Lm/W (bei 100mA sogar 220Lm/W)

- Effizienz der KSQ bis zu 99,5% (Im Mittel rd 90%)

- Absolut linearer Strom, kein PWM oder StepDown (100% Video geeignet)

- Präzise lineare Stromeinstellung per Poti von 100mA …..700mA

- KSQ Low Drop 117mV (bei 700mA) und UltraLowDrop 18mV (bei 100mA)

- Akku Betriebzeit >24 Std (100mA) bzw. 4 Std+ (700mA)

- Wirkungsvoller Schutz der LiIon Akkus vor Tiefentladung.

Die Idee entstammt folgender Erkenntnis:

Ein 6s LiIon Akku passt zur 7s LM301B wie ‚Topf auf Deckel‘.

- Der Spannungsbedarf der 7s7p LM301B @350mA ist gemessen 19,34V

- Die Spannung des 6s Akkus bei 85% Entladetiefe liegt bei 19,5V (3,25V/Zelle)

Letzteres bezieht sich auf eine Samsung INR 18650-35E @ 1A Entladestrom.

Damit war für mich klar: Das sind ideale Bedingungen für eine lineare KSQ.

Die LM301B Platine 7s7p stammt natürlich hier aus dem Shop:

https://www.led-tech.de/de/49x…ng-LM301B-Square-50-4000k

Hier habe ich auch die Leistungswerte entnommen.

Die KSQ wurde erst mal mit dem Simulationsprogramm LTspice entwickelt.

Als Komponenten wurden vorläufig die in LTspice enthaltenen verwendet.

Die Ausgabe zeigt klar die Richtigkeit des Konzepts:

Simuliert wurde mit einer Platine 7s7p, später gibt es 2 davon parallel.

Die Zeitachse 0s…10s ist natürlich ‚Zeitraffer‘ und ist in echt etwa 5-6 Std.

- Die Akkuspannung (grün) beginnt mit 25V und sinkt kontinuierlich ab.

- Der Strom (rot) wird durch die KSQ auf 350mA konstant gehalten.

- Hat der Akku noch 19,5V (Restladung 15%), geht die KSQ auf Durchgang

mit LowDrop und der Strom geht kontinuierlich runter auf 0mA.

0 mA? Nunja, nicht ganz.

- Die KSQ wurde auf einen Eigenbedarf von 70µA optimiert.

- Die LM301B Platine zieht bei der Akkuspannung von 16,8V nur noch 30µA.

Das bedeutet, dass der Akku fortan nur noch mit 100µA entladen wird.

Das kann er einige Wochen durchhalten, bevor er tiefentladen ist.

Die LiIon Zellenspannung pendelt sich bei 2,8V ein, also im grünen Bereich.

Das ist dann der wirkungsvolle Schutz vor Tiefentladung.

Anmerkung:

Die Simulation ab 19,5V stimmt so nicht, weil die Spannung ja nicht linear

runtergeht. Durch den ständig geringer werdenden Strom ist der Spannungsrückgang

der Akkus erheblich flacher; es zieht sich über Stunden hin. Bis es nur noch glimmt.

Ok, das sollte erstmal für den Einstieg reichen.

Falls Interesse besteht, kann ich gerne weitermachen mit Details und Fotos.

Dann auf in die zweite Runde.

Es folgte die Realisierung auf einem Steckbrett.

Hier wurden dann die echten Komponenten verwendet und die Funktion getestet.

Die endgültige Schaltung mit 2x LM301B Platinen parallel sieht dann so aus:

Der LM285-Z1.2 ist eine präzise Bandgap Referenz mit 1,24V und kommt mit 10µA aus.

Der Hersteller empfiehlt beim Design min. 20µA und so ist das auch realisiert.

Die 45µA durch R1 teilen sich in 23µA für den LM und 22µA für R2…R4 auf.

Am + Eingang des OP steht dann 117mV als Referenz zur Verfügung (Poti auf 5k)

Der OP vergleicht nun am - Eingang den Spannungsabfall an R7 und regelt auf Gleichstand.

Das ist der Fall, wenn an R7 ebenfalls 117mV abfallen entsprechend dem Strom U/R = 700mA.

Wird das Poti auf 0 Ohm gedreht, ist die Referenzspannung am + Eingang nur noch 17mV.

Die Regelung per Vergleich mit R7 ergibt nun den Strom U/R = 100mA. Also Minimum.

Falls sich jemand über den krummen Wert von R7 wundert: Mein Widerstandssortiment

fängt bei 1 Ohm an. Also 6 Stck davon parallel und wir haben den passenden Wert.

Zur Wahl des OpAmps: Bei 17mV am Eingang darf der Offset Wert nicht zu hoch liegen.

Beim OPA251 liegt der bei typ. 50µV und damit genügend weit weg von den 17mV.

Auf minimale Ruhestromaufnahme wurde geachtet, hier sind es 25µA gemäß Datenblatt.

Außerdem verträgt er bis 36V und der Ausgang ist R2R. Bei kessler-electronic gibt es den

noch im DIP-8 Gehäuse (häufiger im SO8) und der LM285-Z1.2 ist auch dort lieferbar.

Der CSD 18536 KCS hat 60V und einen RDSon von 1,3Milliohm. Außerdem ist er im TO220

Gehäuse und in der SOA Kennlinie ist DC mit enthalten; also für Linearbetrieb geeignet.

Alternativ ginge auch der IRFB3806 mit 12,6Milliohm (spielt bei Linearbetrieb keine Rolle).

Der ist PIN-kompatibel, günstiger und leichter beschaffbar, auch bei kessler-electronic.

Bei der einfachen Schaltung habe ich mich für eine Streifenraster Platine entschieden.

Als hilfreich hat sich hierbei ‚VeeCad‘ erwiesen, damit konnte ich die Platine entwerfen.

Als Poti 5k war ursprünglich ein 25-Gang Spindeltrimmer Typ 3296 von Bourns vorgesehen.

Das macht aber eher Sinn, wenn es einmalig auf eine genaue Stromstärke eingestellt wird.

Als praktischer empfand ich ein normales Poti 5k, welches ich dann unten ‚anpappte‘

Verschätzt habe ich mich bei den 0,167 Ohm durch die 6 parallelen 1 Ohm Widerstände.

Da spielt nämlich noch der Widerstand der Leiterbahnen und Anschlussdrähte mit rein.

Der max Strom betrug nur 670 statt 700mA. Also im laufenden Betrieb einige niedrige

Ohmwerte ‚drangehalten‘ bis die 700mA zu sehen waren. Das ist der zusätzliche 3,3Ohm.

Das Ergebnis der fertigen Platine sieht dann so aus:

Der Kühlkörper braucht sicher nicht die Größe, er war aber gerade zur Hand.

Ganz ohne geht es aber nicht, weil bei vollen Akkus rd. 3,5W an Wärme abgeführt werden muss.

Ok, so weit so gut. Teil 3 kommt dann in Bälde.

Dann lass uns mal rechnen.

Die beiden Module haben einen konstanten Leistungsbedarf von 19,34V * 0,7A = 13,54W

Volle LiIon Akkus haben beim Entladebeginn rd. 4V, das stellt sich nach ein paar Minuten Entladung ein.

Beginn Entladung: Pin = 6 * 4,0V * 0,7A = 16,80W zu 13,54W = 80,6% Effizienz

Mitte Entladung: Pin = 6 * 3,6V * 0,7A = 15,12W zu 13,54W = 89,6% Effizienz

Ende Entladung: Pin = 6 * 3,24V * 0,7A = 13,61W zu 13,54W = 99,5% Effizienz (Knickpunkt Entladung)

Die letzte Zeile lässt sich durch eine Kontrollrechnung erhärten.

Vin = 6 * 3,24V = 19,44V, Vout = 19,34V, Delta V = 0,1V

Diese 0,1V fallen an R7 ab, nämlich U = 0,7A * 0,167Ohm

Der MOSFET (voll leitend) mit 0,7A * 0,0013 Ohm = 0,91mV spielt hierbei keine Rolle.

Im weiteren Entladungsverlauf gehen Vin und Vout gemeinsam runter, es wird dunkler.

Delta V wird zunehmend geringer und die Effizienz bleibt auf hohem Niveau.

Was StepDown mit 1MHz betrifft:

Keine Frage, bei hoher Schaltfrequenz wird man keine Moiré Effekte oder ähnliches sehen.

Es gibt aber immer wieder Freaks, die haben 'Erscheinungen' und schieben es dann

auf den Schaltwander, weil da 'irgendwas' getaktet wird.

Ist aber die Spannungsquelle rein linear, bleibt nichts anders übrig, als woanders zu suchen.

Nun der Abschlussbericht.

Der Flutlichtstrahler kommt zum Einsatz, wenn wir uns mal mit Nachbarn und Freunden

im Garten treffen und bei zunehmender Dunkelheit nicht flüchten müssen.

Hinstellen und einschalten ohne lästiges Netzkabel war die Vorgabe.

Derzeit müssen wir wegen Corona leider darauf verzichten.

Das ganze besteht aus einem stabilen Dreibein + 3 steckbaren Alurohren 1m x 22mmø

+ dem Träger mit den 2 Reflektoren.

Die Akkus fanden Platz in dem steckbaren 18650-Akkuhalter System.

Es sind 2x8 von den Ringhaltern zusammengesteckt mit Platz für 8 Akkus.

Bestückt wurden dann 6 Akkus und im Restplatz findet die KSQ ihr Zuhause.

Mangels Platz für den Kühlkörper wurde der MOSFET mit einem zurecht gefeilten

Kupferklötzchen direkt an den Mast geschraubt. Der bleibt damit kalt.

Der Innenrand der Akkuhalter maß genau 22mm und das Rohr ließ sich wackelfrei durchstecken.

Die Anschlussstecker für LED und Ladestecker sind aus dem Modellbau (XT30)

Weiterhin gibt es noch einen Balancer Anschluss JST-XH 7polig.

Darüber kann ich die Akkus mit meinem Ladegerät Imax B6 AC balanciert laden.

Die Lampen wurden mit Träger montiert, so daß der Abstand 46cm ist.

Damit wird eine Schattenbildung weitgehend vermieden.

Das ist auch dann vorteilhaft, wenn man Fotos / Videos machen möchte.

Ursprünglich sollte das Modul LM301B + Kühlkörper ohne Schirm leuchten.

Es stellte sich heraus, dass die Nachbarschaft reichlich Lichtstrom abbekam,

was nicht jedermanns Freude war. Also musste ein Schirm her, besser zwei.

Einfachste Maßnahme:

2 Alubleche aus dem Baumarkt, 250x250mm, 0,5mm dick

Mit der Blechschere passend eingeschnitten und nach unten gebogen.

Dann auf die Kanten Gewebeband geklebt. Hält und ist stabil.

Es zeigte sich, dass der Kühlkörper nun eigentlich überflüssig ist.

War die Temperatur mit Kühlkörper ohne Reflektor vorher ca. 48°C,

ist es die Platine jetzt nur noch lauwarm, gemessen habe ich nicht.

Klar, die Kühlwirkung des Alublechs ist durch die Fläche erheblich.

Abschließend noch ein Außenfoto, was kurz vor Weihnachten entstanden ist.

Wir haben uns vor dem Haus getroffen, um dem Turmblasen zu lauschen.

Leider wurde es abgesagt und es fing auch noch leicht an zu regnen.

Alles schnell weggepackt und Platiktüte um den Akku.

Die Strahler leuchten auf ca. 3,5m Höhe. Keine Blendwirkung vorhanden. Es sei denn, man schaut nach oben.

Die Farbtemperatur mit 4000K empfinde ich als sehr angenehm. Ist aber letzlich Geschmackssache.

Gruß

Bernd