Damn Bright Diving Lamp: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 26. Februar 2016, 21:59 Uhr

Damn Bright Diving Lamp Status: stable

Beschreibung	Die Nacht zum Tage machen, ... Unterwasser!
Autor:	xoQUox

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Idee

Ein 100W LED Array Modul soll in ein altes Taucherlampengehäuse eingebaut werden. Ziel ist es, eine extrem helle LED Lampe mit großem Abstrahlwinkel speziell für Videoaufnahmen zu bauen.

Vorhandene Hardware

Reste einer Hartenberger Tauchlampe, Innenleben defekt, 100Watt LED Modul aus China

Teileliste

Arduino Nano 3.0
CSD18534KCS
BC337
0.18 Ω Widerstand 3W
5x DRV5033 2.5 to 38 V Digital Omnipolar-Switch Hall Effect Sensor
High Power Full-White LED
Hartenberger Lampengehäuse

Elektronik

Anforderung

Unser Gehäuse besitzt 5 Schaltzustände die per HAL-Sensor ausgelesen werden müssen. Anhand dieser Schaltzustände soll es möglich sein die LED in 4 Helligkeiten zu regeln. Dabei soll die Akkukapazität so effektiv wie möglich genutzt werden.

Schaltung

Ein erste Idee die Schaltung mit hilfe eines MP2480 LED Drivers zu realisieren wurde früh wieder Verworfen da wir mit diesem nicht das volle Leistungssprektrum unseres LED Modules nutzen könnten. Daher wird die Schaltung mit einem eigenen Konstandstromregler realisiert. Dazu verwenden wir eine Regelung nach Vorlage des "High Power LED Driver Circuits" von dan. Dies hat den Vorteil das die Schaltung sehr simple und günstig in der Umsetzung ist. Nachteil ist jedoch das die Eingangsspannung geringfügig höher sein muss, als die Ausgangsspannung, daher wird ein Akku mit ca. 37V Nennspannung benötigt.

Akku

Als Stromquelle haben wir uns für einen Li-Polymer Akku entschieden. Da die LED mit einer recht hohen Spannung (36V) arbeitet, wird unser Akku 10 Lipo Zellen haben. Aktuell gibt es auf dem Hobby RC Markt jedoch keine brauchbaren Akkus mit 10 Zellen die auch in unser Gehäuse passen, daher wird der Akku als Einzelzellen selbst gelötet. Als Zellen werden 1000mAh 20C 3.7V verwendet.

Da 10 Zellen Ladegeräte Teuer und Schwer sind, wird der Akku in zwei 5 Zellen Akkus in einem Gehäuse aufgeteilt. Sie können getrennt geladen werden und im Betrieb in der Lampe in Reihe als 10 Zellen Pack agieren. Dadurch können wir auch einfach die halbe Akkuspannung für die restliche Elektronik abzapfen, so das der 7805 weniger Spannung zu vernichten hat.

Eine Anfänglicher Aufbau des Akkus mit zusammengelöteten Lötfahnen hat sich als recht Fehleranfällig herrausgestellt. Die Lötfahnen neigen schnell zum Abbrechen und es ist auch aufwendig Kurzschlüsse zu vermeiden. Deshalb wurde mit der CNC-Fräse eine Platine gefrässt, an der die Akkus festgelötet werden können. So ist auch eine einfacher Anschluss der benötigten Kabel möglich.

Halterung für die LiPo Zellen
Versuchsaufbau Akku
10 Zellen passgenau im Halter
Erste Akku Version
Anschlussplatine

Gehäuse

Als Gehäuse dient eine alte Hartenberger Tauchlampe. Das robuste Aluminiumgehäuse bietet genug Platz für LED, Akku und Elektronik. Zwar gibt es für dieses Modell auch ein LED Leuchtmittel, jedoch hat auch dieses nur eine laut Herstellerangaben "Abstrahlcharakteristik Spot", daher ungeeignet für Video- und Fotoaufnahmen.

Bauteile

Frontgummi

Zum Schutz der Frontscheibe wurde ein passgenauer Gummi gedruckt, der zwischen LED und Scheibe kommt. Als Material wurde flexibles Polyester in der Shorehärte 40D eingesetzt. Dieses Material hat auch den Vorteil das es erst ab ca. 160°C seinen Schmelzpunkt erreicht.

Gummi eingebaut
Anschlagschutz für die LED

Kühlung

Da selbst bei einer LED Abwärme entsteht und diese bei einem 100W Array nicht unerheblich ist, sind wir gezwungen für eine brauchbare Kühlung zu sorgen. Über eine Aluminiumkonstruktion wird die Wärme direkt ans Gehäuse abgeführt, die diese wiederrum ans Wasser abgibt.

Aufbau

Die LED wurde auf eine 5mm dicke Alu-Platte geschraubt. Die Platte ist mit M4 Gewindelöchern ausgestattet. Zur Befestigung wurden M4x25 Imbusschrauben aus VA Stahl benutzt. An den überstehenden Gewindestücken wurden 4 Adapter geschraubt. Dazu wurde eine runde Platte mit Langlöchern aus 10mm Aluminium angefertigt und in 4 Teile zersägt. Diese Konstruktion erlaubt es, die 4 Adapter im inneren der Lampe ans Gehäuse zu klemmen. Für die verbesserte Wärmeübertragung wurde Wärmeleitpaste verwendet.

Die beiden Aluplatten wurden mit dem Programm Front Panel Designer geplant und direkt über den Anbieter bestellt. Vermutlich hätte es auch günstigere Fertigungsmöglichkeiten gegeben, aber angesichts des Aufwands einer Einzellanfertigung und des einfachen Bestellungvorganges ist der Preis dennoch gerechtfertigt.

Die Vorlage-Daten liegen auf GitHub.

Wärmeableitung zum Gehäusev0.5
Verbindungsstück zwischen Langlochplatte(n) und LED
Fertig eingebaute Kühlung
Versuchsaufbau Kühlung im Topf mit Wasser
Test unter realen Bedingungen

Software

Die Software wurde in der Arduino IDE Entwickelt. Die erste Version hat neben den 4 Schaltstufen schon eine Überwachung der Akkuspannung und der LED Temperatur mit eingebaut.

Git

Alle wichtigen Dateien wie STLs und Code sind auf GitHub zu finden: github.com

Prototyp

Bevor wir den ersten Layoutentwurf der Platine Ätzen, haben wir eine Vereinfachten Aufbau auf einer Lochrasterplatine gemacht. Der Prototyp zeigte das die Kühlung des MOSFETs am Gehäuse und das Schalten mit den HAL Sensoren ausgezeichent funktionierte, jedoch stellte sich auch herraus das ein Zusammenschrauben des Gehäuse sich als äußerst schwierig darstellte. Da sich Lampe und Schaltplatine zueinander Verdrehen muss hier eine Lösung gefunden werden, die ohne Kabel verbindungen auskommt.

Prototyp Versuchsaufbau

Zur Lösung wurde ein Cinchstecker mittig an die Unterseite des Akkus angebracht. Dieser ermöglicht eine drehbare Verbindung zwischen dem Lampenkopf und den restlichen Teilen. Der Akku selbst wird mit zwei feststehenten XT60 Steckern auf die Schalteinheit gesteckt.

Schalteinheit, Akku und Lampenkopf
Drehbare Cinchverbindung des Lampenkopfes
Zusammengebaut ohne Gehäuse

Die ersten Versuche zum Testen der LED-Kühlung und der Helligkeit Unterwasser verliefen schon sehr vielversprechend.

Versuchsaufbau Karibik

Vergleich

Als Vergleich wurde eine Hartenberger mini Compact gewählt, die gleiche Lampe die auch als Gehäusespender diente.

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 |name            = Damn Bright Diving Lamp
 |kategorie       = Hardware
-|status          = unstable
+|status          = stable
-|autor           = [[Benutzer:Xoquox|xoQUox]]
+|autor           = xoQUox
 |beschreibung    = Die Nacht zum Tage machen, ... Unterwasser!
-|image           = Tauchlampe_quad.jpg
+|image           = DBDL_crop.jpg
 |imagesize       = 280
 }}
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 == Teileliste ==
-*MP2480 LED Driver
+* Arduino Nano 3.0
+* CSD18534KCS
+* BC337
+* 0.18 Ω Widerstand 3W
+* 5x DRV5033 2.5 to 38 V Digital Omnipolar-Switch Hall Effect Sensor
+* [http://www.electrodragon.com/w/index.php?title=High_Power_Full-White_LED High Power Full-White LED]
+* Hartenberger Lampengehäuse
+== Elektronik ==
+=== Anforderung ===
+Unser Gehäuse besitzt 5 Schaltzustände die per HAL-Sensor ausgelesen werden müssen. Anhand dieser Schaltzustände soll es möglich sein die LED in 4 Helligkeiten zu regeln. Dabei soll die Akkukapazität so effektiv wie möglich genutzt werden.
+=== Schaltung ===
+Ein erste Idee die Schaltung mit hilfe eines MP2480 LED Drivers zu realisieren wurde früh wieder Verworfen da wir mit diesem nicht das volle Leistungssprektrum unseres LED Modules nutzen könnten. Daher wird die Schaltung mit einem eigenen Konstandstromregler realisiert.
+Dazu verwenden wir eine Regelung nach Vorlage des "[http://www.instructables.com/id/Circuits-for-using-High-Power-LED-s/?ALLSTEPS# High Power LED Driver Circuits]" von [http://www.instructables.com/member/dan/ dan].
+Dies hat den Vorteil das die Schaltung sehr simple und günstig in der Umsetzung ist. Nachteil ist jedoch das die Eingangsspannung geringfügig höher sein muss, als die Ausgangsspannung, daher wird ein Akku mit ca. 37V Nennspannung benötigt.
 == Akku ==
 Als Stromquelle haben wir uns für einen Li-Polymer Akku entschieden. Da die LED mit einer recht hohen Spannung (36V) arbeitet, wird unser Akku 10 Lipo Zellen haben. Aktuell gibt es auf dem Hobby RC Markt jedoch keine brauchbaren Akkus mit 10 Zellen die auch in unser Gehäuse passen, daher wird der Akku als Einzelzellen selbst gelötet.
 Als Zellen werden 1000mAh 20C 3.7V  verwendet.
+Da 10 Zellen Ladegeräte Teuer und Schwer sind, wird der Akku in zwei 5 Zellen Akkus in einem Gehäuse aufgeteilt. Sie können getrennt geladen werden und im Betrieb in der Lampe in Reihe als 10 Zellen Pack agieren.
+Dadurch können wir auch einfach die halbe Akkuspannung für die restliche Elektronik abzapfen, so das der 7805 weniger Spannung zu vernichten hat.
+Eine Anfänglicher Aufbau des Akkus mit zusammengelöteten Lötfahnen hat sich als recht Fehleranfällig herrausgestellt. Die Lötfahnen neigen schnell zum Abbrechen und es ist auch aufwendig Kurzschlüsse zu vermeiden.
+Deshalb wurde mit der CNC-Fräse eine Platine gefrässt, an der die Akkus festgelötet werden können. So ist auch eine einfacher Anschluss der benötigten Kabel möglich.
 <gallery>
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 Datei:Akkupack.jpg|Versuchsaufbau Akku
 Datei:Akkupack_unten.jpg|10 Zellen passgenau im Halter
+Datei:Akku_DBDL_Prototyp.JPG|Erste Akku Version
+Datei:Akku_Platine.JPG|Anschlussplatine
 </gallery>
 == Gehäuse ==
-Als Gehäuse dient eine alte Hartenberger Tauchlampe. Das robuste Aluminiumgehäuse bietet genug Platz für LED, Akku und Elektronik.
+Als Gehäuse dient eine alte [http://www.hartenberger.de/hartenberger.html Hartenberger Tauchlampe]. Das robuste Aluminiumgehäuse bietet genug Platz für LED, Akku und Elektronik. Zwar gibt es für dieses Modell auch ein LED Leuchtmittel, jedoch hat auch dieses nur eine laut Herstellerangaben "Abstrahlcharakteristik Spot", daher ungeeignet für Video- und Fotoaufnahmen.
 === Bauteile ===
 ==== Frontgummi ====
 Zum Schutz der Frontscheibe wurde ein passgenauer Gummi gedruckt, der zwischen LED und Scheibe kommt.
-Als Material wurde Flexibles Polyester in der Shorehärte 40D eingesetzt. Dieses Material hat auch den Vorteil das es erst ab ca 160°C seinen Schmelzpunkt erreicht.
+Als Material wurde flexibles Polyester in der Shorehärte 40D eingesetzt. Dieses Material hat auch den Vorteil das es erst ab ca. 160°C seinen Schmelzpunkt erreicht.
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-Datei:Lampe_vorne.jpg|Gummi Eingebaut
+Datei:Lampe_vorne.jpg|Gummi eingebaut
 Datei:Frontgummi.png|Anschlagschutz für die LED
 </gallery>
 ==== Kühlung ====
-Da selbst bei einer LED Abwärme entsteht und diese bei einem 100W Array nicht unerheblich ist, sind wir gezwungen für eine brauchbare Kühlung zu sorgen. Über eine Aluminiumkonstruktion wird die Wärme direkt ans Gehäuse abgeführt, die dies wiederrum ans Wasser abgibt.
+Da selbst bei einer LED Abwärme entsteht und diese bei einem 100W Array nicht unerheblich ist, sind wir gezwungen für eine brauchbare Kühlung zu sorgen. Über eine Aluminiumkonstruktion wird die Wärme direkt ans Gehäuse abgeführt, die diese wiederrum ans Wasser abgibt.
 ===== Aufbau =====
-Die LED wurde auf eine 5mm dicke Alu Platte gschraubt. Die Platte ist mit M4 Gewindelöchern ausgestattet. Zur Befestigung wurden M4x25 Imbusschrauben aus VA Stahl benutzt.
+Die LED wurde auf eine 5mm dicke Alu-Platte geschraubt. Die Platte ist mit M4 Gewindelöchern ausgestattet. Zur Befestigung wurden M4x25 Imbusschrauben aus VA Stahl benutzt.
-An den Überstehenten Gewinderstücke wurden 4 Adapter Geschraubt, dazu wurde eine Runde Platte mit Langlöchern aus 10mm Alu angefertigt, und in 4 Teile zersägt. Diese Konstruktion erlaubt es, die 4 Adapter im Inneren der Lampe press ans Gehäuse zu klemmen.
+An den überstehenden Gewindestücken wurden 4 Adapter geschraubt. Dazu wurde eine runde Platte mit Langlöchern aus 10mm Aluminium angefertigt und in 4 Teile zersägt. Diese Konstruktion erlaubt es, die 4 Adapter im inneren der Lampe ans Gehäuse zu klemmen.
 Für die verbesserte Wärmeübertragung wurde Wärmeleitpaste verwendet.
+Die beiden Aluplatten wurden mit dem Programm [http://www.schaeffer-ag.de/en/front_panel_designer/the_idea/ Front Panel Designer] geplant und direkt über den Anbieter bestellt. Vermutlich hätte es auch günstigere Fertigungsmöglichkeiten gegeben, aber angesichts des Aufwands einer Einzellanfertigung und des einfachen Bestellungvorganges ist der Preis dennoch gerechtfertigt.
+Die Vorlage-Daten liegen auf [https://github.com/xoquox/damn_bright_diving_lamp GitHub].
 <gallery>
-Datei:Langlochplatte.svg|Wärmeableitung zum Gehäuse
+Datei:Langlochplatte.svg|Wärmeableitung zum Gehäusev0.5
 Datei:Gewindelochplatte.svg|Verbindungsstück zwischen Langlochplatte(n) und LED
 Datei:Lampe_innen.jpg|Fertig eingebaute Kühlung
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 Datei:IMGP8472.jpg|Test unter realen Bedingungen
 </gallery>
+== Software ==
+Die Software wurde in der Arduino IDE Entwickelt. Die erste Version hat neben den 4 Schaltstufen schon eine Überwachung der Akkuspannung und der LED Temperatur mit eingebaut.
+== Git ==
+Alle wichtigen Dateien wie STLs und Code sind auf GitHub zu finden: [https://github.com/xoquox/damn_bright_diving_lamp github.com]
+== Prototyp ==
+Bevor wir den ersten Layoutentwurf der Platine Ätzen, haben wir eine Vereinfachten Aufbau auf einer Lochrasterplatine gemacht.
+Der Prototyp zeigte das die Kühlung des MOSFETs am Gehäuse und das Schalten mit den HAL Sensoren ausgezeichent funktionierte, jedoch stellte sich auch herraus das ein Zusammenschrauben des Gehäuse sich als äußerst schwierig darstellte.
+Da sich Lampe und Schaltplatine zueinander Verdrehen muss hier eine Lösung gefunden werden, die ohne Kabel verbindungen auskommt.
+<gallery>
+Datei:DBDL_Prototyp.JPG|Prototyp Versuchsaufbau
+</gallery>
+Zur Lösung wurde ein Cinchstecker mittig an die Unterseite des Akkus angebracht. Dieser ermöglicht eine drehbare Verbindung zwischen dem Lampenkopf und den restlichen Teilen. Der Akku selbst wird mit zwei feststehenten XT60 Steckern auf die Schalteinheit gesteckt.
+<gallery>
+Datei:Prototyp_DBDL_alle_teile.JPG|Schalteinheit, Akku und Lampenkopf
+Datei:DBDL_cinch.jpg|Drehbare Cinchverbindung des Lampenkopfes
+Datei:DBDL_prototyp_ohne_Gehäuse.jpeg|Zusammengebaut ohne Gehäuse
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+Die ersten Versuche zum Testen der LED-Kühlung und der Helligkeit Unterwasser verliefen schon sehr vielversprechend.
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+=== Versuchsaufbau Karibik ===
+<gallery>
+Datei:DBDL_Test_01.jpg
+Datei:DBDL_Test_02.jpg
+Datei:DBDL_Test_03.jpg
+Datei:DBDL_Test_04.jpg
+</gallery>
+=== Vergleich ===
+Als Vergleich wurde eine Hartenberger mini Compact gewählt, die gleiche Lampe die auch als Gehäusespender diente.
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