LED_Booster1 - LEDs im Bot für Effektbeleuchtung oder Warnsignale

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    • LED_Booster1 - LEDs im Bot für Effektbeleuchtung oder Warnsignale

      An dieser Stelle möchte ich eine kleine Schaltung vorstellen, mit der LEDs in Bots korrekt versorgt werden können.

      Wie vielleicht bekannt, werden LEDs nicht mit Konstantspannung, sondern mit Konstantstrom betrieben. Der Spannungsabfall an der LED hängt vom Typ ab:
      - rote LEDs nach "altem" Herstellungsprozess (Galliumarsenid/GaAs): 1.8V
      - grüne LEDs nach "altem" Herstellungsprozess (Galliumarsenid/GaAs): 2,2V
      - blaue bzw. weiße LEDs (IndiumGalliumAluminium/InGaAl): 3.0 bis 3.5V
      - rote, grüne LEDs nach neuem Herstellprozess (IndiumGalliumAluminium/InGaAl): 3.0 bis 3.5V

      Zur Vereinfachung nimmt man an, dass an jeder LED die Spannung an ihr konstant ist. Entsprechend muss der Strom begrenzt werden. Dies erfolgt in der Regel durch einen Widerstand.

      Das Ziel in Geräten/Schaltungen ist immer, mit der vorhandenen Betriebsspannung (z.B. 12V) möglichst viele LEDs bei wenig Stromverbrauch zu betreiben. Also werden möglichst viele LEDs in Reihe geschaltet. Der Strom ist bzw. muss immer gleich sein, egal ob er durch eine einzige LED fließt oder durch mehrere.

      Kleines Rechenbeispiel:
      Gegeben:
      - Versorgungsspannung von 14.8V (4S LiPo)
      - LED-Spannung (Uf = Vorwärtsspannung): 3.5V
      - Maximal zulässiger Strom durch die LED: 20mA

      Gesucht:
      - maximal mögliche Anzahl von LEDs in Reihe
      - Wert des notwendigen Vorwiderstands

      Ansatz:
      - 4 LEDs in Reihe: ergibt in Summe (4 * 3.5V) 14V Flußspannung. Zu knapp, es stehen nur 14.8V an Akkuspannung zur Verfügung
      - 3 LEDs in Reihe: ergibt in Summe (3 * 3.5V) 10.5V Flußsspannung. Passt einigermaßen.

      Bei 14.8V Versorgungsspannung und 10.5V LED-Spannung muss die Differenz am Vorwiderstand abfallen. Also ca. 4.3V.

      Wie vorher erwähnt, ist der Strom in der Reihenschaltung an jeder Stelle gleich. Klar. wo soll der Strom sonst hin als zum nächsten Bauteil zu fließen?
      Also ist der Strom durch den Widerstand auch die gewünschten 20mA

      Nach ohmschen Gesetz ergibt sich jetzt ein Widerstandswert von "R = U durch I" mit 4.3V geteilt durch 0.020A istgleich 215 Ohm.
      Diesen Wert gibt es standardmäßig nicht überall zu kaufen, als den nächstliegenden Wert verwenden. Bleibt die Frage: den nächsthöheren oder nächstniedrigeren Wert?
      In der Regel sollte der nächsthöhere Wert genommen werden: Grund: Bei einem höheren Widerstand fließt weniger Strom, da kann den LEDs nichts passieren.

      Der nächste Wert wäre ein 220 Ohm Widerstand.

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      Warum ich hier so ausschweifend die Berechnung eines LED-Vorwiderstands erläutere kommt nach den Bildern bzw. der Vorstellung von der LED-Booster-Baugruppe.

      Bei meinen Fahrtreglern hatte ich extra einen Anschluss integriert, bei dem eine einzelne LED angeschlossen werden kann. Damit kann die erschöpfte Akkukapazität bzw. die Unterspannung des Akkus signalisiert werden.
      Parametrierbar ist dabei, ob die LED kontinuierlich leuchten soll und nur bei Unterspannung blinken soll, oder ob sie tatsächlich nur als Warn-Leuchte fungiert, also im Normalfall ausgeschaltet ist.

      Gut gedacht, aber nach Rückmeldung aus der Gemeinde reicht die Leuchtstärke der LED nicht aus, um während eines Kampfes ein Aufleuchten zu erkennen.

      Jojo hatte mich gebeten, eine kleine Schaltung zu machen, damit er in Antimatter 3 LED-Ketten mit jeweils 5 LEDs betreiben kann.

      Herausgekommen ist diese Baugruppe:








      Die Schaltung ist total primitiv und erfordert keine Spezialkenntnisse. Aber sie muss halt ganz einfach mal gemacht werden.....




      An der linken eingezeichneten Klemme erfolgt die Einspeisung des Steuersignals. Also eigentlich wird nur statt der vorgesehenen LED am Fahrtregler diese Schaltung angeklemmt.

      Danach wird die LED-Spannung auf die Versorgungsspannung des Bots hochgepuscht und dann auf drei einzelne Leistungstransistoren gegeben.
      Jeder dieser Leistungstransistoren gibt jetzt (fast) die volle Akkuspannung aus.






      Wie vorher detailiert beschrieben, wäre diese Spannung direkt an den LEDs tödlich für die kleinen Leuchtwunder. Also muss der Vorwiderstand ran. Der ist auf der Baugruppe schon vorgesehen bzw. enthalten. Spart also das Gefummel mit dem Widerstand-Anlöten an der LED.

      Wie oben an den Fotos erkennbar, habe ich keine kleinen SMD-Bauteile verwendet, sondern nach alter Väter Sitte lauter bedrahtete Bauteile. Warum? Ganz einfach, damit jeder von euch diese Widerstandswerte selber ändern kann. Bedrahtete Widerstände lassen sich ohne Mikroskop und SMD-Lötkolben einfach leichter auswechseln.

      Es gibt deshalb drei unterschiedliche Ausgangs-Endstufen, damit hier bedarfsweise auch drei verschiedene LED-Konfigurationen (=Anzahl von LEDs, die in Reihe geschaltet sind) angeschlossen werden können.

      Und so sieht die Ankopplung an den Fahrtregler aus:



      Parallel zu der Spannungsversorgung des Fahrtreglers wird auch der LED-Booster angeschlossen. Aus Sicherheitsgründen hat der LED-Booster eine eigene Absicherung. Könnte ja sein, dass im Kampfgetümmel die LED-Verdrahtung beschädigt wird und deshalb ein Kurzschluss entsteht.

      Für die Ansteuerung des LED-Boosters wird ein zweiadriges Kabel (=zwei Litzen) vom LED-Ausgang des Fahrtreglers zum LED-Booster gelegt.
      Diese Verbindung ist polungsabhängig. Damit man das gut erkennt, ist im Eingangsbereich des LED-Boosters eine (grüne) LED verbaut. Sie muss aufleuchten, wenn am Fahrtregler ein Signal ausgegeben wird. (Z.B. Dauerbetrieb als Betriebsanzeige oder Blinken bei Unterspannung).

      Thats all.....

      Ein markanter Punkt ist den Spezialisten beim Schaltplan vielleicht aufgefallen: Hinter der Klemme zum einspeisen des Steuersignals ist an GND nur eine LED angebracht. GND bzw. Masse wird nicht weitergeführt.
      Der Grund ist ganz einfach: Angenommen, es würde die Masseverbindung zwischen dem Akku und dem LED-Booster fehlen. Dann würden sich die LEDs den ganzen benötigten Strom über diese kleine Verbindung zum Steuerausgang holen. Der Litzendraht bzw. die Leiterbahnen auf dem Fahrtregler würden bei den höheren Strömen dann durchbrennen.

      Wenn also die grüne LED am LED-Booster leuchtet, dann heißt das nur, dass das Steuersignal anliegt. Wenn die Versorgungsspannung angelegt wird, leuchtet zusätzlich die rote LED (kontinuierlich) auf. Das ist das Zeichen für die Betriebsbereitschaft.

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      In der obigen Schaltung sind Vorwiderstände von 330 Ohm und 390 Ohm in Reihe. Also 720 Ohm. Aber warum zwei Stück in Reihe?
      Der Grund: Jeder Widerstand hält nur eine gewisse Verlustleistung aus. Wenn der gewollte Widerstandswert auf zwei Widerstände aufgeteilt wird, wird auch die Verlustleistung auf zwei Widerstände aufgeteilt.

      Ausserdem hat es den Vorteil, dass man den gesuchten Widerstands wert mit zwei Widerständen leichter her-kombinieren kann.

      Die o.g. 720 Ohm sind für Jojos Antimatter-Akkupack berechnet. Also 28.8V Nennspannung (8S LiPo) bzw. 33.6V maximaler Spannung (Ladeschlussspannung).

      Wenn beim Nachmessen des Strom herauskommt, dass die LEDs zu wenig bekommen, einfach die Widerstände auslöten (normalerweise genügt einer von jedem Kanal) und durch den passenden Wert ersetzen.

      Fragen? Vorschläge? Meinungen?... Oder sind inzwischen beim Lesen alle vom Stuhl gefallen....?
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    • Sehr schön beschrieben. Da kommt der gemeinnützige Zweck unseres Vereins, technisches Knowhow zu vermitteln, einmal sehr gut rüber.

      Ich wusste ehrlich gesagt gar nichts von dem bereits vorhandenen LED Anschluss auf Deinen Fahrtreglern.

      Das die Widerstände austauschbar sind ist gut. Ich könnte mir auch vorstellen, dass man high power LEDs nimmt, die einen deutlich höheren Stromverbrauch haben.
      Für meinen Rappi werde ich aber wohl vorerst beim vorhandenen Lipo-Safer Fertig-Baustein bleiben. Für die Verwendung in einem Raptor sieht die Platine doch sehr groß aus.

      Dank der sehr detaillierten Beschreibung mit Schaltplan könnte ich mir auch vorstellen das ganze in abgewandelter Form selbst nachzubauen.

      Danke!
    • Freut mich, wenn ich die Schaltung bzw den Anwendungszweck soweit verständlich beschrieben habe.

      finger.im.ohr schrieb:

      Ich wusste ehrlich gesagt gar nichts von dem bereits vorhandenen LED Anschluss auf Deinen Fahrtreglern.
      Ups... sollte ich bei der Demo-Baugruppe mit Beschreibung (hatte sie bei den Messen immer ausgelegt) etwas deutlicher hinweisen.
      Die Unterspannungserkennung in den neuen Fahrtreglern wirkt sowohl auf die LED (Blinkzeichen) als auch wahlweise auf die Endstufen der Fahrtregler. Damit kann z.B. nur noch die halbe vorgegebene Geschwindigkeit gefahren werden. Dann fällt das auch auf, dass die Akkus jetzt eine Ladepause benötigen.

      finger.im.ohr schrieb:

      Das die Widerstände austauschbar sind ist gut. Ich könnte mir auch vorstellen, dass man high power LEDs nimmt, die einen deutlich höheren Stromverbrauch haben.
      Ja, das ist natürlich möglich. Ich habe die Schaltung eigentlich auch so "gewollt", dass meine Lieblings-Leistungs-LEDs damit auch betrieben werden können. Das sind die "Golden-Dragon" von Osram. Habe ich auch in der Ant-Arena-Beleuchtung verbaut. Also brutal hell. Die haben zwar auch nur eine Vorwärts-Spannung von 3.5V, nehmen aber 1 Ampere auf.

      finger.im.ohr schrieb:

      Dank der sehr detaillierten Beschreibung mit Schaltplan könnte ich mir auch vorstellen das ganze in abgewandelter Form selbst nachzubauen.
      Du kannst von mir auch eine Blanko-Platine haben. Erleichtert den Aufbau. Als Vereinsangehöriger kann ich Dir auch das Layout (erstellt mit Eagle4.12) geben. Könntest dann selber die Schaltung nach belieben ändern und zum Platinenservice geben.


      bat_boy schrieb:

      Es wäre bei der Schaltung somit auch möglich, statt der diskreten Widerstände auch entsprechende Potis anzulöten (und festkleben ). Damit kann man recht leicht Veränderungen am Vorwiderstand vornehmen, ohne zum Lötkolben greifen zu müssen.
      Das ist im Prinzip möglich. "Potis" sind vielleicht etwas zu klobig. Ich denke, man kann auf die Einstellachse verzichten und statt den Potis auch Trimmpotentiometer verbauen.

      Allerdings befürchte ich da ein Problem mit der Verlustleistung. (Diesen Punkt habe ich in o.g. Beschreibung noch etwas vernachlässigt.

      Bei dem o.g. Rechenbeispiel sind als Spannungsabfall am Widerstand 4.3V benötigt. Als Strom 20mA. Das macht dann (P = U * I) eine Verlustleistung von 86mW. Selbst so ein kleiner SMD-Widerstand schafft mittlerweile 100mW. Also kein Problem. Die in der Schaltung verbauten bedrahteten Widerstände sind "Viertelwatt". Also auch keine Gefahr, dass die Widerstände durchbrennen.
      Trimpotentiometer haben normalerweise auch so um 100mW maximale Verlustleistung.

      Beispiel von einem 1kOhm-Trimmer: reichelt.de/PT10-RT10-Trimmer-…+10-L+1%2C0K&trstct=pol_0

      Wenn allerdings dann die Golden-Dragon eingesetzt werden, dann fließt hier 1A. Bei 4.3V sind das 4.3W, die verbraten werden sollen. Es muss also ein Lastwiderstand eingelötet werden, Trimpotis wären überlastet. Die Kohleschleifbahn würde abrauchen.

      Ich nehme die Idee mit dem Trimpoti aber gerne auf ! :thumbup: Wird also ein geändertes Layout geben, wo wahlweise die Widerstände, Leistungswiderstände oder Trimpotis verbaut werden können.


      Ach ja, weil die Größe der Baugruppe angesprochen worden ist. Das ist bei Raptoren und Feathers natürlich ein Problem. Dieser erste Wurf der Baugruppe ist für Jojo's Antimatter (Heavyweight) gedacht, da ist laut Jonas noch genügend Platz dafür.
      Selbstverständlich kann ich die Baugruppe auch in SMD aufbauen. Wird dann ca. ein Drittel so groß. Mit Trimpotis statt auswechselbaren bedrahteten Widerständen kein Problem. Die Verlustleistung der Vorwiderstände ist halt dann auf 100mW begrenzt. :D
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