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Lampenelektronik

Bauvorschlag für eine Lampensteuerung zum Nachrüsten

Beschreibung  Schaltplan  Layout  Bestückung  Stückliste  Software 

Hinweis:
Wer seine Lampe gerne mit der beschriebenen Lampensteuerung ausrüsten möchte, aber mit Elektronik auf Kriegsfuß steht, keine Möglichkeit der Platinenherstellung oder Controllerprogrammierung besitzt, dem kann ich weiterhelfen.
Möglich ist der Bezug einzelner Komponenten oder bestückter Platinen. Im Einzelfall kann ich auch die komplette Umrüstung einer Lampe durchführen.
Einfach Kontakt mit mir aufnehmen.

Unterwasserlampe
Die Mechanik ist schon edel
mit diesem Projekt wird die Steuerung es auch
Ende der 80er Jahre besaßen keine im Handel erhältlichen Unterwasserlampen irgendwelche Sonderfunktionen. Manche Hersteller hatten wenigstens eine simple Mimik gegen Tiefentladung und die mittelfristig damit verbundene Zerstörung des Akkus vorgesehen. Weitergehende Funktionen blieben zunächst Eigenbauten vorbehalten. So war das auch bei meiner Hartenberger von 1989. Um ein zuverlässiges Werkzeug zu besitzen und um den Akku maximal zu schonen, bestand daher schon lange der Wunsch eine elektronische Steuerung einbauen, ähnlich wie sie meine andere Unterwasserlampe schon viele Jahre besitzt. Die dort verwendete Platine nach einer Bauanleitung aus der Zeitschrift ELRAD 2/89 war jedoch zu groß um in der Hartenberger Platz zu finden. Die neue Schaltung musste erheblich kleiner sein und ich wollte mehr Funktionen realisieren.
Das Pflichtenheft für die Steuerung lautete:
  • keine Änderungen am Gehäuse oder dem Einschalter
  • verschiedene Helligkeiten einstellbar
  • Softstart zur Schonung des Glühwendels
  • Vorwarnung vor Endabschaltung
  • Abschaltung bei leerem Akku
  • optischer und akustischer Alarm bei Wassereinbruch
  • optische Signalisierungen durch sanftes Abblenden und nicht durch hartes Abschalten des Brenners
  • SOS-Funktion
  • kleine Baugröße
  • preiswert und einfach zu bauen

Da kein im Handel erhältlicher Baustein diese Forderungen erfüllte und ich auch im Internet keine entsprechenden Bauanleitungen finden konnte, musste selbst etwas entwickelt werden. Durch den Einsatz eines Mikrocontrollers wurde die Schaltung sehr klein, preiswert und die gewünschten Funktionen ließen sich einfach per Software realisieren.

Funktionsbeschreibung

Nach dem Einschalten des Hauptschalters leuchtet die Lampe mit der Starthelligkeit.
Es findet ein Softstart über 1 Sekunde Dauer statt um den Glühwendel des Brenners zu schonen.

Software V2.0a

Mittels kurzen Aus- und Einschaltens am Hauptschalter (weniger als 0,4 Sekunden Schaltdauer) kann in die nächst niedrigere Dimmstufe gewechselt werden.
Die Lampe brennt in den Schaltpausen weiter!
Durch mehrmaliges Aus- und Einschalten gelangt man zu immer niedrigeren Helligkeiten. Nach der letzten Stufe erreicht man wieder 100% Helligkeit. Der Übergang zwischen den einzelnen Helligkeitsstufen geschieht sanft fließend.
Im Assemblercode sind die Startleistung, die Anzahl der Schaltstufen und die dazugehörigen Leistungswerte leicht anpassbar.

Software V2.0b

Hier können alle Helligkeitswerte innerhalb eines Minimum- und Maximumwertes eingestellt werden.
Mittels kurzen Aus- und Einschaltens am Hauptschalter (weniger als 0,4 Sekunden Schaltdauer) wird ein Dimmvorgang gestartet oder gestoppt, sowie jeweils die Laufrichtung des Dimmens gewechselt. Die Rate der Leistungsänderung beträgt 10% pro Sekunde. Bei Erreichen eines der Endwerte stoppt der Dimmvorgang selbsttätig.
Im Assemblercode sind die Startleistung, die Leistungswerte fr Maximum und Minimum ebenfalls leicht anpassbar.

Das funktioniert dann so:
nach dem Einschalten leuchtet die Lampe mit der Startleistung, z.B. 100%. Gibt man nun ein Schalterkommando, verdunkelt sich die Lampe langsam. Durch ein zweites Kommando, friert die aktuelle Helligkeit ein. Ohne dieses zweite Kommando stoppt das Abdunkeln erst beim Erreichen des Minimumwertes. Ein weiters Kommando lässt die Lampe wieder heller werden. Macht man nichts weiter, stoppt das Aufblenden erst beim Erreichen des Maximumwertes. Gibt man jedoch vorher noch ein Kommando, friert die aktuelle Helligkeit wieder ein. Der Vorgang ist beliebig oft wiederholbar.
Liegt die Akkuspannung über der Nennspannung des Brenners, sind auch Leistungen über 100% möglich.
10 Sekunden nach dem Einschalten beginnen die Spannungsmessung am Akku und die Wassereinbruchprüfung. Die Messungen erfolgen einmal pro Sekunde und der Lampenstrom ist während der Messung der Akkuspannung abgeschaltet, um Messfehler durch Übergangswiderstände zu verringern.
Bei leer werdendem Akku wird duch sanftes Abblenden der Helligkeit in Intervallen von 15 Sekunden vor dem nahen Ende der Betriebszeit der Lampe gewarnt. Die Vorwarnspannung beträgt ca. 106% der Abschaltspannung. Durch Wechsel in eine andere Helligkeit wird der Alarm gelöscht, falls sich dadurch die Akkuspannung erholt. Bei völlig entladenem Akku wird die Lampe ganz abgeschaltet.
Durch langes Aus- und Wiedereinschalten (mehr als 1 Sekunde Ausschaltdauer) lässt sich die Lampe auch bei leerem Akku wieder für 10 Sekunden einschalten. Dann geht sie aus, wenn nicht zwischenzeitlich nachgeladen oder in den SOS-Mode gewechselt wurde. Diese 10 Sekunden Leuchtzeit können bis zur vollständigen Entladung des Akkus immer wieder aktiviert werden. (Notbetrieb)
Wird der Wassereinbruchsensor durch eingelaufenes Wasser auf ein Potential von mindestens 0,5 V über Masse gezogen, wird der Benutzer durch Abblenden der Helligkeit im Sekundentakt und einen zusätzlichen Intervallton alarmiert.
In den SOS-Modus gelangt man durch ein mittellanges Aus- und Einschalten (zwischen 0,4 und 1 Sekunde Schaltdauer) des Einschalters. Die Lampe sendet die Zeichenfolge 3 x kurz, 3 x lang, 3 x kurz (Morsecode für S O S) mit maximaler Helligkeit. In dieser Betriebsart finden keine Unterspannungs- oder Wassereinbruchsprüfungen und -warnungen mehr statt.
Es ist möglich eine von der Voreinstellung abweichende Abschaltspannung zu programmieren.
Dazu wird Pin5 (Port B0) des Controllers von der Masse getrennt. (z.B. Controller mittels Adapterfassung ohne den entsprechenden Kontakt einsetzen)
Nun wird eine externe Spannungsquelle auf die gewünschte Abschaltspannung eingestellt und an die Lampensteuerung angeschlossen.
Nach erfolgreichem Programmiervorgang ertönen 3 lange Piepstöne. Jetzt wird die Spannungsquelle weggenommen und Pin5 wieder mit Masse verbunden (Adapterfassung entfernen)
Der Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis die Einstellung der persönlichen Vorliebe entspricht, die Voreinstellung geht dadurch verloren.

Schaltplan

Schaltplan
Schaltplan
Der blau hinterlegte Teil ist von der alten Lampe zu übernehmen.
An den Kontaktpunkten 1, 2 und 3 wird die Elektronik mit Akku, Brenner und Reedkontakt verbunden.
Die Kombination aus D1, C1 und IC2 versorgt den Controller bei 12 Volt Akkuspannung noch über 1 Sekunde nach Öffnen des Reedkontaktes mit Strom. So können Schalterkommandos an Pin 3 des Controllers empfangen werden, ohne dass die Schaltung jedesmal in den Reset geht was zum Abschalten des Brenners führte. R3 dient zum Schutz des Reedkontaktes, er begrenzt den Einschaltstrom auf unter 500 mA.
R4 und C4 ist die gängige Beschaltung des Resetpins.
R5 und D2 schützen den Eingang des AD-Wandlers für die Detektion des Wassereinbruchs vor unzulässiger Spannung.
Der Signalgeber B1 ist ein 5 Volt Type mit höchstens 20 mA Betriebsstrom.
R8 hält den FET T1 während eines Reset des Controllers sicher gesperrt. Ohne ihn könnte T1 durch Restladung am Gate undefiniert leitend und dadurch thermisch überlastet werden.
Die Schaltung ist für Betrieb mit 12 Volt Akkus und Brennerleistungen bis 100 Watt konzipiert.
Sie funktioniert nicht mit Spannungen unter ca. 9 Volt. Für den Betrieb mit höheren Betriebsspannungen sind kleine Änderungen nötig: R2 wird so angepasst, dass an Pin 3 des Controllers bei leerem Akku etwa 2 Volt anliegen. Für C1 wird ein 30 Volt Typ eingesetzt und R3 wird gegebenenfalls angepasst.
Als Wassereinbruchsensor kann man an Kontakt 4 dünne Litze anschließen, die man abisoliert und am tiefsten Punkt innerhalb des Lampengehäuses unterbringt. Im Falle von Wasser in der Lampe wird positives Potenzial von irgendeinem Teil der Lampenelektrik über das eingedrungene Wasser den Pegel am Controllereingang über die Alarmschwelle von 500 mV ziehen. Ist das Lampengehäuse aus Kunststoff oder sind alle Komponenten im Gehäuse gegen Wasser isoliert, dann kann an Kontakt 5 ein Gegenpol zum Wassereinbruchsensor angeschlossen werden. Beide Kabel werden, gegeneinander isoliert, dicht zusammen am tiefsten Punkt innerhalb des Gehäuses befestigt. Ist keine Überwachung auf Wassereinbruch nötig (z.B. bei Verwendung in einer Überwasserlampe), können R5, R6, B1 und D2 entfallen.

Symbol Sicherheitshinweis Symbol
Die Schaltung ist nicht verpolsicher, überlast- und kurzschlussfest !
Der niedrige Innenwiderstandes von Akkus verzeiht keine Nachlässigkeiten beim Arbeiten an der Lampe.
Es muss sehr sorgfältig vorgegangen werden, damit es nicht nach "Strom" riecht.
Brandgefahr !

Platinenlayout

Hier steht das Layout zum Herstellen einer eigenen Platine als PDF zur Verfügung.

PDF-Symbol Platinenlayout Lampensteuerung

Bestückungsplan

Bestückungsplan
Bestückungsplan
T1 benötigt bis 100 Watt Lampenleistung keine Kühlung. Die Schaltung passt in den zentralen Zwischenraum eines runden Akkublocks aus 10 Monozellen.

bestückte Platine
bestückte Platine des Prototypen
In der abgebildeten Schaltung ist als FET T1 ein in der Bastelkiste herumliegender SUP60N06 eingesetzt. Wegen der möglichen hohen Dauerströme und der niedrigen Steuerspannung am Gate funktioniert hier ein BUZ11 oder ähnliches auf KEINEN Fall.

Stückliste

 
Stückliste für die Lampenelektronik

Bauteile-Nummer   Typ/Wert Anzahl   Best.-Nr. bei Reichelt
(Angaben ohne Gewähr)
IC1 ATTINY 15 1 ATTINY 15L DIP
IC2 LM 78L05 1 µA 78L05
R3, R7 33 Ω 2 METALL 33,0
R8 10 KΩ 1 METALL 10,0K
R2 22 KΩ 1 METALL 22,0K
R1, R4, R5, R6 100 KΩ 4 METALL 100K
C3, C4 100nF keramisch 2 Z5U-5 100n
C2 1F/16V Elko 1 rad 1/63
C1 1000F/16V Elko 1 rad 1.000/16
D1 Shottkydiode 500mA   1 SB 150
D2 Zenerdiode 4,7 Volt 1 ZF 4,7
T1 IRL 3803 1 IRL 3803
B1 Piepser 5V 1 TDB 05
Sonstiges IC-Fassung 8pol
Lötstifte
Platine
1
3
1
GS 8P

Software

Wegen einer schlechten Erfahrung nach Veröffentlichung der Software der Nixieuhr (Versuch einer kommerziellen Auswertung), ist hier nur eine ältere Software V1.2 zum Download bereitgestellt. Die aktuelle Version verschicke ich nur auf Anfrage.

Download Software Lampensoftware V1.2 (Quellcode in Assembler)

Die Funktionseinschränkungen zur aktuellen Version sind: die Helligkeit ist nur in Stufen schaltbar, bei Unterspannungsalarm wird alle 8 Sekunden abgeblendet, die Akkuspannung wird nur mit 8 Bit Genauigkeit gemessen, jeder Controller muss mittels Codeanpassung auf die genaue Abschaltspannung kalibriert werden und ein aktiver Wassereinbruchalarm wird nicht durch ein Schalterkommando gelöscht.

Setzen der Fuses
Fusebits
Im Controller wird der Brown-Out Detektor mit 4 Volt Schwelle eingeschalt. Es besteht sonst die Gefahr, dass der FET T1 zerstört wird, wenn bei niedrigen Spannungen der Controller den Transistor nicht mehr sicher durchschalten kann.