ultra bright bicycle lamp - theLamp v6.0
vorwort
Schon mal draußen mit dem Fahrrad unterwegs gewesen und in absoluter Dunkelheit mal wieder nix gesehen, durch ein Schlagloch gefahren oder den Bordstein übersehen? Nicht noch einmal habe ich mir gedacht und es sollte Tag auch beim Fahren mit dem Fahrrad sein. Aber nur wie? Nach langen Überlegungen startete dieses Projekt schon 2008, zu Zeiten meiner Diplomarbeit und ist jetzt in der Version sechs angelangt und ich trau mich darüber einen Blog zu füllen. Die Lampe war und ist nie "fertig", dies wird immer so sein aber lichttechnisch kann sie wirklich locker mit den Top 10 mithalten. Damals als ich damit anfing, gab es nur den BigBang [link] und sonst nix...
vergleich
Erstmal ein kleiner Vergleich. Auf den nachfolgenden Bildern ist meine Lampe gegen eine Busch&Müller IXON IQ Speed (max 50 Lux) verglichen. Beide Bilder sind jeweils mit den gleichen Einstellung an der Spiegelreflexkamera aufgenommen worden. Wie man sehen kann, ist theLamp V6.0 deutliche heller. Die Belichtungszeit an der Spigelreflex mußte auf 1/3s geändert werden, damit das Bild in etwa dem der Busch & Müller entsprach. Das entspricht ungefähr dem Dreifachen an Lichtleistung.
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| BUSCH & Müller IXON IQ Speed aufgenommen mit ISO 200, 2s, F3.5, f18mm |
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| theLamp V6.0 aufgenommen mit ISO 200, 2s, F3.5, f18mm |
aufbau
Die Lampe besteht aus drei,5 Teilen. Lampengehäuse mit drei High Power LED's, Fernlichtschalter, USB-Ladebuchse und die Elektronikbox mit Elektronik und Fahrradrahmenhalter. Alles logischer Weise verbunden mit Kabeln. Das Lampengehäuse wird mit einen Klick-fix Adapter am Lenkerrohr befestigt. Die USB-Ladebuchse ist durch das Vorhandensein der 5V Spannung eigentlich nur Abfall, der es aber auf längeren Touren ermöglicht, daß das Smartphone unendlich lange betrieben werden kann.
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| die Lampe zusammengesteckt mit allen Bauteilen |
lampengehäuse
Das Lampengehäuse ist ein in 3D gezeichnetes und mittels CNC aus Aluminium gefertigtes Bauteil. Dies ist nötig, da es sich bei den LED's um sogenannte High Power LED's handelt, die jeweils eine Leistung von ca. 3.3 W haben. Diese Leistung entsteht fast nur in Form von Wärme, die sofort abgeführt werden muss da sonst die LED's den baldigen Hitzetod sterben würden. An sich ist das Lampengehäuse ein stylischer Kühlkörper. Eingebaut sind drei CREE XR-E 7090 mit Linsenhalter und Spotlinse mit 10° Öffnungswinkel. Dadurch entsteht ein sehr gut ausgeleuchteter Fleck. Die LED's werden mit 1A Strom versorgt. Als Schutz dient eine Plexiglasscheibe vor äußeren Einflüssen.
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| Lampengehäuse von vorn |
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| Lampengehäuse von hinten |
fernlichtschalter
Der Fernlichtschalter ist ein aus Aluminium gefertigtes Bauteil in dem ein Taster [link] mit einer blauen LED verbaut ist. Zum Schutz ist eine weiße Abdeckkappe am Taster versehen. Damit kann der Taster neutral weiß oder Fernlicht blau leuchten. Mit dem Taster realisiere ich das Fernlicht AN/AUS sowie auch den Standby Modus der Lampe. Dann ist die high power LED komplett dunkel aber lässt sich am Lenker Ein- oder Ausschalten.
elektronikbox und inhalt
Die Elektronikbox beinhaltet simpler Weise den Akku und die notwendige Elektronik. Bei dem Akku handelt es sich um einen selbst gebauten Akkupack bestehend aus vier Samsung SDI ICR18650-26F Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Akkus mit einer Zellspannung von 3.7V und einer Nennkapazität von 2,6Ah. Daraus entsteht dann ein 14.8V und 2.6Ah Hochleistungsakku. Dieser besitzt eine verfügbaren Energie von 38.5 Wh.
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| der Hochleistungsakkupack |
Die Elektronikbox selbst ist eine in 3D gezeichnete und mittels Rapid Prototyping durch die Firma Dick&Dick hergestellte Gehäuseeinheit. Das hier verwendete Verfahren ist das selektives Lasersintern (SLS). Das Gehäuse brauchte nur noch geschliffen und lackiert werden. In einer vorherigen Version hatte ich ein Aluminiumteil verwendet, welches aber preislich um den Faktor 3.5 teurer war. Von der Festigkeit ist das Plastikgehäuse wirklich gut und definitiv auch ausreichend. Ein zweiter Grund war natürlich das Gewicht, mittels dem Rapid Verfahren konnte ich das Gewicht incl. Akku nahezu halbieren. Das Gehäuse inclusive aller Bauteile wiegt jetzt knapp 350g.
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| gefertigtes Gehäuse, fertig lackiert |
Der Akkupack wurde nicht einfach so in das Gehäuse reingelegt sondern per transparenter Vergussmasse eingeklebt. Das hat den Vorteil, daß die Akkus nie verrutschen werden und es nie zu Kurzschlüssen kommen kann. Der Nachteil ist, das durch die Vergussmasse leicht das Gewicht steigt.
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| Gehäuse mit vergossenen Akkupack |
Für die Elektronische Schaltung wurde eine Platine gefertigt, und diese dann auf dem Akku verklebt. Dann konnten die Kabel schön und ordentlich angelötet werden.
Die Schaltung erzeugt die 1A Konstantstrom , überwacht die Akkuspannungen auf Unterspannung, berechnet die verbleibende Energie im Akkupack und zeigt dieses über die Vier bunten LED's an, steuert ob die Lampe im DIM oder FULL Zustand betrieben wird und gibt die 5V für die USB Buchse aus.
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| Elektronik fertig verdrahtet |
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| Ein/Ausschalter und Akkuzustandsanzeige |
elektronische Schaltung im Detail
Die Akkuspannung im Nennfall beträgt 14.8V aber wenn die Akkus voll geladen sind beträgt diese 16.8V, bei der Entladung sinkt diese auf 12V. Diese fast 7V Unterschied wirken sich auf den Wirkungsgrad entscheidend aus wenn lineare LED Treiber benutzt werden. Daher wird für die Bereitstellung des LED Stromes und auch der 3.3/5V Spannungen nur DC/DC Wandler verwendet. Diese haben einen extrem hohen Wirkungsgrad. Für den 1A LED Strom wurde der Recom RCD-24 DC/DC Wandler mit einem Wirkungsgrad von ~95% verwendet . Die Kleinspannungen mit den Recom R-78Cx.x. Auch diese besitzen einen Wirkungsgrad im gleichen Segment. Damit geht rein für die Bereitstellung der Spannungen und Ströme sehr wenig Energie verloren und steht der Leuchtdauer zur Verfügung. Der Mikrocontroller vom Typ Atmega8 übernimmt sämtliche Steuerungsaufgaben und interagiert auf Benutzereingaben (Fernlichtschalter). Über die Menge des entnommenen Stromes wird die im Akku verbleibende Energie berechnet und anhand der bunten LED's ausgegeben. Bei dieser Aufgabe, verglichen mit dem was so ein Atmega8 alles kann, ist ihm wohl stinke langweilig :-)
Für das Laden des Akkus, benutze ich ein Balancing Ladegerät von VOLTCRAFT (B6AC) da die Akkus auch bei Laden überwacht werden müssen. Dies in die Schaltung mit zu integrieren wäre zu viel Arbeit gewesen und sicherlich auch Fehleranfällig bis gefährlich (Überladene Akkus neigen zum brennen).
berechnung
Wie lange hält denn nun der Akku? Eine oftmals gehörte Frage und nicht zu Unrecht gestellte. Aber wie berechnet man dies richtig?
Der Einzellakku hat eine Nennkapazität von 2.6Ah bei 3.7V Nennspannung. Daraus errechnet sich 9.62Wh gespeicherter Energie. Jetzt haben wir vier Stück also insgesammt 38.48Wh. Es wurden drei LED's verwendet, jede hat so ca. 3.3V bei 1A Strom, das bedeutet dann eine Gesamtleistung von 9.9W. Jetzt kann man die 38.48Wh durch 9.9W dividieren und erhält 3.89h Laufzeit. Dies ist überschlägig schon mal ganz gut, spiegelt aber absolut nicht die Wirklichkeit wieder. Denn: Die Nennkapazität ist angegeben für eine Stromentnahme von 0.1C, also 10% der Nennkapazität bei Nennspannung. Dies ist meist nicht der Fall, auch hier nicht. Wir entladen die Akkus mit 0.669A (rechnerisch). Das ist jetzt das ca. 2.5 fache von dem was optimal für den Akku wäre. Somit sinkt die verfügbare Energie des Akkus. Weiterhin ist die Spannung am Einzelakku nur ganz kurz genau die 3.7V. Sie beginnt bei 4.2V und endet bei 3.0V. Damit ändert sich der entnommene Strom aus dem Akkupack eigentlich immer. (9.9W Leistung der LED bedeutet daß Strom*Spannung am Eingang = Strom*Spannung am Ausgang). Sprich durch das Absinken der Spannung (durch die Entladung) erhöht sich der Strom was wiederum nachteilig für die Laufzeit ist. Zusätzlich kommen die Wirkungsgrade der DC/DC Wandler hinzu. Zusammengefasst kann man sagen, daß die Leuchtdauer bei voller Stromentnahme ca. 200 Minuten beträgt. Dies sind 3:20 (h:mm) und ich denke so lange muß man erstmal fahren. Nicht nur Nachts...
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| Entladungsverhalten |
fazit
Die Lampe als Hobby zu bauen hat sehr viel Spaß gemacht und ich habe unendlich viel gelernt. Natürlich auch wie man es nicht machen sollte. Sie ist immer noch extrem hell und schlägt bestimmt nicht die Topmodelle anderer Markenhersteller aber kann doch locker mithalten. Natürlich nicht StVZO zugelassen aber da wo sie an ist fährt ehe niemand anders...
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blumengiesser@posteo.de
