Die Elektronik
Die Elektronik war bei diesem Projekt mit Abstand der aufwendigste Teil, denn zum Einen gibt es keine fertige Lösungen für die richtige Treiberstufe und zum anderen möchte ich die hohe Redundanz und Ausfallsicherheit durch vier getrennte Leuchtquellen nicht mit der Elektronik wieder aufgeben. Es mußte also etwas her, was jede der einzelnen Emitter voneinander unabhängig macht, so daß wenn die Treiberelektronik für einen Emitter ausfällt noch die verbleibenden 3 Emitter unbehelligt weiterbrennen können, denn dank der enormen Robustheit von LEDs ist die Elektronik mit Sicherheit der Ausfallfaktor Nummer eins.
Ein weiteres Problem bei der Entwicklung ist die benötigte Spannung von ca. 20V für einen Emitter. LEDs haben durch ihre Produktionsstreuung keine fest definierte Spannung, sondern müssen über der Strom, der durch sie hindurchgeht, begrenzt werden. Desweiteren sollte trotzdem ein Standard Akkupack mit 12v Nennspannung zum Einsatz kommen. Es mußte also eine Elektronik her, die aus 12V 19-21V macht und gleichzeitig den Strom auf 700mA pro Emitter begrenzt. Jeder Emitter soll seine vollständig eigene Treiberstufe bekommen, die bei Ausfall oder Kurzschluß die anderen Treiberstufen nicht beeinflußen darf. Dazu kommt noch eine Stufensteuerung über den Magnetschalter mit Reedkontakten, der Stufe 1 - Stufe 2 und Stufe 3+4 einschaltet.
Schnell war klar, daß sich die benötige Menge an Bauteilen auf einer Platine von nur 50mm Durchmesser nur durch Verwendung der kleinst möglichen Bauteilgröße im SMD Format (Surface mounted Device) unterbringen läßt. Dazu kommt noch, daß jede Treiberstufe relativ große Spulen und sonstige Bauteile benötigt, die einen Step-up Wandler von 12 auf 20V nun mal ausmachen. Herausgekommen ist eine doppelseitig bestückte Platine, die auf der einen Seite vor allen die flachen Logik und Treiber ICs beherbergt und auf der anderen Seite die großvolumigen Bauteile, die in die Lampe ragen dürften. Die Treiber ICs müssen darüber hinaus gekühlt werden und brauchen daher Kontakt zum Alugehäuse nach unten.
Dies ist ein 3D Blick auf die endgültige Elektronik wie sie in der Lampe steckt erstellt mit einem elektronischem CAD Programm. Gut zu erkennen sind die vier großen Treiber ICs und die vier großen Spulen oben.
Die Elektronik hat nun die folgenden Features bekommen:
- getrennte Step-Up Wandler pro Emitter von 7-15V auf 18-25V geregelt über den Strom auf 700mA
- Volle, gleichmäßige Leuchtkraft fast über den gesamten Spannungsbereich eines 12V Akkupacks.
- Automatische Reduzierung der aktivierten Emitter auf 2 und letztendlich 1 Stufe bei Erreichen des Akkus endes
- Automatische Abschaltung gegen Tiefenentladung
- Integrierte SMD Reedschalter für die 3 Stufen Regelung
- MOSFET Steuerung der gesamten Elektronik mit einem Standbystrom von <10µA was ein Ausschalten nur über den Magnetschalter möglich macht, da 10µA weit unter der normalen Selbstentladung eines NiMH Akkus liegt
- Temperaturwächter, der über 70° am Emitterboard in einen Flackermodus geht um die Emitter vor dem Hitzetod zu schützen, aber die Lampe nicht komplett abschaltet.
- Schutz der Treiberstufen gegen Kurzschluß, Überspannung und Verpolung
- Es können mindestens 3 beliebige Bauteile der Elektronik ausfallen bevor die Lampe komplett ausgeht !
In ihrer aktuellen Bauform hat die Elektronik eine Höhe von nur 12mm und läßt so noch genug Platz zur Emitterplatte für die Anschlußdrähte. Es wäre sogar eine noch etwas kleinere Gehäuseform möglich. Die Treiberstufen bekommen etwas Wärmeleitpaste, da hier Ströme bis 3A fließen können, die einen Treiber überhitzen lassen kann. Ein Durchbrennen ist allerdings nicht möglich, da die hier verwendeten Treiber IC einen integrierten Thermoschutz haben. Dadurch und durch das Design der Elektronik sollte diese Lampe extrem ausfallsicher sein durch ihre Redundanz und dem Verzicht auf jeden überflüssigen Schnickschnack. Dies hat sie allen anderen Brennertechniken voraus und wahrscheinlich auch den meisten Viel-Emitter LED Lampen, die letztendlich nur von einer Elektronik getrieben werden oder einfach in Serie geschaltet sind, sodaß ein defekter Emitter alles lahm legt. Die Lampe sollte so auch härteste Einsatzbedingungen ab können (Spezifikation der Arbeitstemperatur der Treiber ICs in bester Ausführung: -20 bis +80 Grad). Um die Elektronik selbst vor dem Absaufen zu schützen empfiehlt es sich die komplette Elektronik in Harz einzugießen (Oberflächen der Treiber ICs frei lassen!)). Da die LED Emitter selbst in Silikon gekapselt sind werden die auch in hohen Tiefen innen nicht volllaufen und weiterbrennen. So bekommt man eine Lampe die in Punkto Ausfallsicherheit und Robustheit ihresgleichen sucht.
Wer die Lampe mit dieser Elektronik für sich privat nachbauen möchte bekommt von mir kostenlos alle notwendigen Schaltungen, Pläne und Platinen Layouts für die eigene Belichtung und Aufbau. Auch eine Fertigung einer Platine beim Profi (z.B. Beta Layout) ist mit den Daten direkt möglich! Eine gewisses Maß an Erfahrung im Umgang mit SMD Bauteilen sollte aber vorhanden sein. Wer sich das nicht zutraut und eine fertig aufgebaute Platine benötigt kann mich per EMail kontaktieren. Den kommerziellen Einsatz auch von Teilen dieser Schaltung behalte ich mir ausdrücklich vor.
Die fertige Lampe
Der Rest, der nun noch fehlt, ist einfach zu besorgen. Eine druckdichte Kabeldurchführung, die mind. 10bar ab kann, eine hochflexible Kabelleitung mit 2 Innenleitern und gutem Querschnitt. Den Akkupack habe ich vom Profi, da mir das Equipment zum Drehen von großen Aluteilen fehlt. Der Vorteil durch das nette Stecksystem: Man kann alles von Tilly da auch noch dran stecken bei Bedarf. Ein 20Ah Akku ist nicht unbedingt notwendig - 10Ah wären auch ein guter Wert, aber so reicht es locker für 3-4 TG auf voller Leistung und das Zusatzgewicht spart beim Trockentauchen Blei ein..
Das ist nun das komplette Stück - die wahrscheinlich hellste und kleinste LED Tauchlampe der Welt :-)
Der Kopf von vorn - gut zu sehen die Emitter hinter den Linsen
Werfen wir noch einen Blick auf die Effizienz der Lampe. Die neusten OSTAR Emitter schaffen bei 700mA über 65 Lumen Lichtleistung / Watt. Das liegt in etwa auf dem Niveau von mittleren bis großen HID Brennern wie sie in Tauchlampen zum Einsatz kommen. Die Stepup Elektronik schafft einen Wirkungsgrad von ca. 80-93% je nach Eingangsspannung (Mit sinkender Spannung fällt auch der Wirkungsgrad) aber dieses Problem haben die HID Lampen auch, die weitaus höhere Spannungen erzeugen müßen mit teilweise noch schlechterem Wirkungsgrad des Ballastes. Hier muß aus 12V ca. 80V gemacht werden. Alles in allem kann man also sagen die LED hat mit HID im Moment gleichgezogen bzw. im Alltagsbetrieb überholt. Die LED hat keine Startprobleme und lebt quasi ewig - nie wieder einen Brennerwechsel. Man hat nichts zu beachten im normalen Betrieb und bekommt von der ersten Sekunde an ein tageslichtähnliches Licht. Mit deutlich über 3200 Lumen Lichtleistung sollte man auch das größte Riff selbst bei Tage hell bekommen, denn der Wert liegt fast 200% über den üblichen Werten eines starken HID Brenners. Selbst die Autoindustrie baut nun in den highend Modellen seit kurzem LEDs statt HID Technik ein und die werden schon wissen warum. ;-)
Hier noch ein Beamshoot des Fischgrillers - unterbelichtet damit man die Hotspot/Corona Lichtverteilung gut sieht. Die relativ warme Lichtfarbe ist keine Fehlbelichtung , sondern ein dicker Pluspunkt dieses Emitters.
Trotzdem würde man sich wünschen das sich die LED noch weiter fortentwickelt um dann einmal eine Highend Tauchlampe mit nur einem Emitter bauen zu können, die so eine laserartige Bündelung erlauben würde. Schauen wir auf die kleinen Lampen für. z.B. Backup Zwecke, so ist dieses Ziel bereits schon erreicht. Damit lassen sich heute schon Lampen bauen, die in ihrer Lichtstärke vergleichbar alles an Effizienz im Schatten stehen lassen. Hier sind Energieausbeuten von 80 Lumen / Watt machbar und Lichtstärken, die mit 20W Hallogen nicht nur gelogen vergleichbar sind. Selbst kleine HID 10W Brenner schaffen hier gerade mal 50 Lumen / Watt effektiv. Ein Ende ist auch erst einmal nicht in Sicht, denn für 2008 sind bis zu 150 Lumen pro Watt angekündigt. Wer dann noch Hallogen taucht ist selber schuld ;-)
* Update * - Vor kurzem ist in der LED Technik wieder ein Durchbruch gelungen, der in absehbarer Zeit weiße HighPower Emitter mit > 150 Lumen / Watt möglich machen wird ! Die doppelte Effizienz eines großes HID Brenners !!
Man darf nun gespannt sein wann die ersten kommerziellen Lampen mit der neuen Technik auf den Markt kommen, was die dann zu bieten haben und wieviel sie kosten werden.
