Der AKKU-Pack

Über die Brenndauer einer Lampe entscheidet immer noch primär der Akkupack. Auch LEDs sind hier kein Wundermittel und brauchen für eine anständige Lichtleistung kaum weniger wie ein Halogenbrenner - zumindest noch. Es gibt sicher LED Lampen mit 70h Brenndauer, aber sowas taugt nur als Backuplampe. Bei den Akkus gibt es nicht nur unterschiedliche Techniken, sonden auch zwischen den Herstellern weite Qualitätsunterschiede. Werfen wir einen Blick auf die 4 gebräuchlichsten Akkutypen:

1. NiCd Akkus ist die älteste Bauform und hat in einer Tauchlampe eigendlich nichts verloren. Die Energiedichte ist recht gering gepaart mit unangenehmen Eigenschaften wie Memoy Effekt oder lasy Akkus. NiCd wird nur eingesetzt wo extrem hohe Entladungsströme benötigt werden, wie z.B. beim Elektroflug Modellbau. Außerdem enthalten NiCd Akkus das hochgiftige Cadmium.

2. NiMH ist eine Weiterentwicklung der NiCd Akkus und bietet mittlerweile eine sehr hohe Energiedichte und einen schwachen Memoryeffekt. Sanyo hat inwischen sogar NiMH Zellen entwickelt, die eine kaum noch spürbare Selbstentladung bei Lagerung haben (Eneloop Serie). Eine gute und preiswerte Wahl also. NiMH Zellen sollten nur mit guten Ladedgeräten die mehreren Lade-Strategien beherrschen geladen werden, da sie empfindlich auf Überladung reagieren. Auch sollte die Lampe einen Tiefenentladeschutz haben, da NiMH bei Tiefenentladung zerstört werden können.

3. Bleiakkus haben eine geringe Energiedichte wie NiMH, sind recht gutmütig und schwer. Für Akkutank Lampen durchaus einsetzbar in Form von gasdichten Gelakkus.

4. LiIo-Akkus haben die derzeit höchste Energiedichte und sind sehr leicht. Nachteil ist ihr hoher Preis und sie bedingen spezielle LiIo Ladegeräte, da ansonsten Explosionsgefahr besteht. Außerdem sinkt ihre Kapazität bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gegen Null. Schon mal ein Handy über Nacht im Auto liegen gelassen im Winter? Das größte Problem ist aber ihre Chemie: Lithium reagiert mit Wasser sehr heftig und defekte Zellen können "durchgehen" und sich selbst soweit erhitzen bis der Akku exlodiert. Man stelle sich sowas in einem druckfestem Gehäuse wie einer Tauchlampe vor...

Mein Projekt basiert auf einem Monozellen NiMH Akkupack, da relativ preiswert und wenn man eine gute Wahl trifft durchaus hochkapazitiv. Beim Kauf muß man allerdings höllisch aufpassen. Herstellerangaben versprechen Ah Kapazitäten und Ladezyklen, die weiter hinter der Realität liegen - Userberichte lesen hilft hier. Als Geheimtip hat mir ein Lampenbauer zu GP Akkus geraten. Echte Kapazitäten von 9,5Ah für eine Monozelle sind Standard und liegen im absoluten Oberfeld. Ich selbst habe Akkus von www.newtecs.de im Einsatz mit angegebenen 10Ah und meine Messungen bestätigen diesen Akkus auch mind. 9-9,5Ah - eine gute Wahl imho. Bei einem Maximalverbrauch von ca 30W der Lampe heißt das über 3 Stunden Licht satt, was alles von Hartenberg und Co. hinter sich läßt. Scheinbar haben die meisten Lampenhersteller ihre Hausaufgaben in punkto Akku noch nicht gemacht. Hier sticht als Ausnahme der Lampenbauer TillyTec hervor mit erstklassigen Lampensystemen und optimalen Akkustandzeiten. Bei newtecs kann man sich auch seinen Akkupack nach Kapazität der Einzelzellen zusammen stellen lassen, was eine optimale Ladefähigkeit und Standzeit verspricht, da jeder Akkupack nur so gut wie seine schwächste Zelle ist. Als Ladegerät verwende ich den Travellstar 410p von Ansmann. Der braucht ca. 8 Stunden um die 10Ah voll zu kriegen. NiMH Akkus kann man aber auch problemlos teilladen, falls man nicht lange warten will. Wer seinen Akkus was Gutes tun will kann das Akkupack jedes 10. Mal erst komplett entladen und wiederaufladen. Das erhöht die Lebensdauer und beugt dem schwachen aber vorhandenem Memory Effekt vor. Neue Akkupacks muß man formatieren bevor sie ihre maximale Kapazität erreichen. Dazum wird den Pack 10 mal oder mehr komplett Vollgeladen und nach jedem Ladezyklus um mind. 0,9V entladen. Ist aber nicht zwingend, da sich das Pack auch im normalen Betrieb von alleine formatiert. Von mondernen NiMH Zellen kann man max. 200-500 Ladezyklen in der Oberklasse erwarten. Die Herstellerangaben sind meist Phantasiewerte.

Beim Laden von fast jedem Akkutyp ist zu beachten, daß Akkus gasen können - auch wenn sie gekapselt sind - und bei einem gasdichtem Tauchgehäuse explosionsgefahr besteht! Die Ladebuchse darf also nicht luftdicht gemacht werden.

Der LED Brenner

Um eine gute Lichtleistung mit LEDs zu erzielen muß mehr als eine Hochleistungs-LED gebündelt werden. Für Hauptlampen heißt das 3 LEDs oder mehr - alles darunter ist nur eine Funzel. Auch hier kann man viel falsch machen. Die erste Illusion, der man verfallen wird ist die Annahme, daß 3 LEDs das dreifache Licht liefern. Dagegen steht leider die Physik, die sagt, daß sich der Lichtstrom in der Tat verdreifach wird, aber die gemessene Leuchtstärke in lux sich nur im quadrat verdoppelt. Konkrekt heißt das richtet man 4 Leuchtmittel auf einen Punkt, so erhält man nur die doppelte lux Stärke, obwohl sich die Lumenzahl auch vervierfacht hat - dumme Sache. Ich habe versucht diesen Effekt etwas zu mindern, in dem ich lieber die acht äußeren LEDs stärker gebündele und sie seitlich versetzt rund um den Mittelbeam angeordnet habe. Das erhöht nur etwas die Leuchtstärke, aber der die Größe des Leuchtpunktes nimmt deutlich zu. Daher sind zukünftige LEDs wünschenswert, die genug Licht aus einer LED holen können.

Die Elektronik

Eine LED benötigt zum Schutz vor zu hohen Strömen und damit Zerstörung eine Treiber Elektronik. Diese Elektronik muß sicherstellen, daß der maximale Strom durch die LED nie das spezifizierte Maximum erreicht. 3W Typen vertragen normalerweise 1A und 5W bis zu 1,5A Strom. Dazu kommt noch eine relativ große Streuung bei der Herstellung, sodaß eine optimale Betriebsspannung bei der die LED beispielsweise 1A verbraucht, nicht vorhergesagt werden kann. Es muß also nicht die Spannung begrenzt, sondern der Strom geregelt werden. Das dazu nur ein simpler Vorwiderstand nicht taugt habe ich einleitend schon erwähnt.

Mögliche Schaltungen, die sowas erledigen gibt es wie Sand am Meer und sind nicht allzu komplex. Optimalerweise kommt eine Low Drop Schaltung zu Einsatz, die ihrerseits nur wenig Verlustleistung benötigt. Der Vorteil solcher Schaltung ist auch die Unabhängigkeit zur Spannung, da nur der Strom (A) gemessen wird. Es können beliebig viele LED in Reihe geschaltet werden solange die Versorgungspannung etwas über der Summe der Betriebsspanungen liegt und die Maximalspannung der Elektronik nicht überschritten wird. Die Elektronik versorgt alle LEDs mit der eingestellten Ampere Leistung.

Im meinem Projekt habe ich die 9 LEDS in 3 x 3 LED Packs aufgeteilt wobei jedes 3´er Pack eine eigene Treiberelektronik besitzt in die ein Tiefentladeschutz integriert ist. Jede der 3 Treiberstufen schaltet bei unterschiedlichen Akkuspannungen ab, so daß die Lampe gegen Ende der Akkukapazität automatisch eine Stufe nach der anderen abschaltet und dadurch die Maximalleuchtdauer auf notfalls über 6 Stunden ausdeht! Das sollte sogar für Höhlentaucher reichen. Der Vorteil ist auch, daß der Brenner zum runterschalten nicht gedimmt werden muß mit allen einhergehenden Verlusten. Die LEDs brennen stehts mit die optimalen Effizienz - nur eben unterschiedlich viele.

Der Dank für meine Elektronik gebührt Jürgen Heidbreder, der sie für Montainbiker vorgesehen hat, die auch nie genug Licht bekommen. Er hat die eingesetzte Schaltung entwickelt und implementiert in SMD Technik auf nur 25 x 25 mm Platinenfläche bei wenigen mm Höhe. Sie ist damit nicht nur extrem klein, sondern auch sehr sparsam. Als Low Drop Schaltregler verbraucht sie nur ca. 0,15V Verlustspannung zum Regeln. Folgende Seite sei zum Einlesen in die LED Technik von den Montainbikern empfohlen:

http://www.mtb-biking.de/lampen/led/ledbike.htm

Hier findet sich auch Jürgen´s Schaltung zum Nachbauen oder auf nette Anfrage baut er sie sogar betriebsfertig auf. Sie regelt den Versorgungsstrom und hat einen eingebauten Tiefentladeschutz. So klein finden die drei Treiberstufen also wunderbar neben dem Akku noch Platz in der Lampe - siehe Schema.

Der Bau des LED Brenners

Im Folgenden möchte ich die Schritte zeigen, die für den Aufbau des eigendlichen Brenners notwendig sind. Zur Verfügung stand mir ein Innenmaß des Gehäuses von 73mm. Der Ring, der den Brenner umgibt muß also exakt dieses Maß aufweisen. Zunächst steht aber die Beschaffung der Materialien auf dem Plan und ich mußte feststellen, daß Kupferplatten von mehr als 2mm Dicke schwer zu kriegen sind. Manchmal hat man vielleicht auf dem Schrottplatz Glück. Es gibt aber Großhändler für die Industrie, die u.a. solche Platten in der gewünschten Dicke auf Lager haben - einfach mal in der Nähe umschauen und freundlich nachfragen.

Der Kern des Brenners besteht aus einer Kupferscheibe um die vertikal ein Kupferring gelegt ist um die Wärme an das Gehäuse zu bekommen. Kupfer ist ein hervoragender Wärmeleiter genau wie Alu und relativ gut zu bearbeiten. Bei der verwendeten Materialstärke von 4mm sind allerdings sehr hohe Kräfte zum falten des Metalls notwendig. Setzt man anstelle ein Alu Gehäuse ein kann dieser Ring deutlich kleiner und dünner ausfallen. 2mm sollten aber in jedem Fall sein.

Hier ein Blick auf den rohen Kern - zu erkennen bereits die Orte der einzelnen Alu Stars:

Die Grundplatte soll die Abwärme von der noch nicht montierten Alu Grundplatte aufnehmen und in den äußeren Ring abtransportieren.

Der zweite Schritt ist nun die Kontruktion der Alu Grundplatte und Anpassung der Stars. Durch die platzsparende Bauform passen die Alu Stars nicht mehr nebeneinander ohne sich zu überlappen. Frei nach dem Motto was stört muß weg habe ich die Stars etwas bearbeitet:

In die Mitte passt so noch genau ein kompletter Star für den Mittelbeam. Nun folgt die Anpassung der Alu Grundplatte - Alle Stars werden später mit der Grundplatte und der drunter liegenen Kupferplatte verschraubt und sind so bei Bedarf noch auswechselbar.

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