Bau eines Fahrrad-LED-Scheinwerfers mittels E6

Bau eines Fahrrad-LED-Scheinwerfers mittels E6Halogenreflektor
Version 1.1
M.Wandinger 9.11.2008
Dokumentation erstellt mit:
OpenOffice.org, XFig, Gimp, ImageMagick, Linux (alle OpenSource)
Einleitung
Das Hauptproblem von Selbstbau-Scheinwerfern für Fahrräder ist es, eine optimale Lichtverteilung
zu erhalten. Die fertig erhältlichen Plastikoptiken erzeugen einen rotationssymetrischen Strahl und
sind daher für Straßenbetrieb wenig geeignet. Es bietet sich daher an, einen guten HalogenReflektor auf LED-Betrieb umzubauen. Der E6-Reflektor von Schmidt-Maschinenbau stellt einen
solchen, gut berechneten Reflektor dar. Er ist auch unter dem Namen „Bisy“-Reflektor bekannt.
Eine LED strahlt nur in eine Hälfte der Raumkugel ab, der Halogenreflektor wird daher symetrisch
in zwei Hälften unterteilt. Die Teilung kann vertikal oder horizontal erfolgen. Es wurde berichtet,
daß bei horizontaler Teilung die obere Reflektorhälfte eine stärkere horizontale Fokussierung
(Beleuchtungsstärke höher) aufweist, als die untere. Die Bilder zeigen eine vertikale Teilung. Am
Liegerad empfiehlt sich wegen der Anbringung ganz vorn am Tretlager die vertikale Teilung.
Diese Bauform geht ursprünglich auf Olaf Schultz zurück, bei ihm „Touchdown“ getauft.
Warum der E6-Reflektor?
Weil sein Leuchtbild am oberen Rand ein schmales, hochkonzentriertes Leuchtband aufweist,
eigentich eine Fernlichtcharakteristik und genau das ist mit den LEDs und ihren vergleichsweise
großen leuchtenden Flächen schwer hinzubekommen: hohe Beleuchtungsstärke
E6-Reflektor mit originaler Halogenbirne an 7 V gleicher E6 Reflektor zum E6-Doppelhalben
mutiert mit 2 Seoul P4-Dioden an 100 mA, 6,2
/ 500 mA / 3 Watt
V, Belichtungszeit und Blende gleich, nicht mal
1/5 der Leistung für das gleiche Licht....
Optik / Mechanik
Zunächst wird die Mitte mit einem Klebeband möglichst genau markiert und mittels Markerstift die
Mitte angezeichnet:
Die erreichbare Genauigkeit ohne Werkzeugmaschinen beträgt etwa +- 0,5 mm
Der E6-Reflektor läßt sich vergleichsweise gut im Schraubstock einspannen, da er 2 parallele
Flächen vorn und hinten aufweist.
Nun wird mit der Eisen-Bügelsäge sehr vorsichtig und immer wieder nach allen Seiten peilend der
Schnitt durchgeführt. Es kann passieren, daß beide Hälften nicht genau gleich groß werden, das
kann später noch ausgeglichen werden. Nach Trennschnitt die Trennflächen mit Schmirgelpapier
plan schleifen. Achtung: Innenflächen des Reflektors nicht berühren. Mit einem Pinsel alle
Plastikbrösel vorsichtig entfernen. Schnittflächen mit Iso-Propanol-Alkohol oder ähnlichem für
Verklebung entfetten. Der zylindrische Ansatz bei der Halogenbirnchenhalterung hinten mit den
Widerhaken wird noch abgesägt, den brauchen wir nicht, nimmt bloß Platz weg.
Nun aus einem Alu-Vierkantprofil (80 * 40 mm, 2 mm dick) die Halterungsteile bauen.
Das Vierkantprofil ist bei http://www.alu-verkauf.de zu bekommen.
Maßzeichnung:
Man beachte, daß die Hälfte des Trägers sich nicht in der Mitte des Alu-Profils befindet, sondern
asymetrisch auf 41mm, da ja wie oben beide Teile um 2mm versetzt zusammengebaut werden.
Beide Träger sind somit nicht gleich, die Bohrungen auf der Oberseite sind symmetrisch zur Mitte
auf 41mm. Das 4,5er Loch kann auch zum Zusammenschrauben per M4-Schrauben verwendet
werden.
Das Langloch 10*20mm ist die Öffnung, durch die später die LED in den Reflektor leuchtet. Die
Längsachse des Langlochs ist 9,5 mm von der Hinterkante des Alu-Trägers entfernt.
Hier also die fertigen Einzelteile. Der Verschnitt vom Vierkant-Profil kann das Trägerblech für die
LED werden, es ist groß genug. Andere Reststücke natürlich auch.
Unten noch ein ganz einfacher Halter für Standard-Scheinwerfer-Aufnahmen mit einer 6,5er
Bohrungen, befestigt mit 2 M4 Schrauben.
Der nächste Schritt ist die Verklebung der Reflektorhälften mit dem Trägerblech. Es ist 2Komponenten-Harz zu verwenden (Uhu Plus oder beliebige andere). Genug Harz auf die
Reflektorschnittflächen auftragen, daß die Klebefuge gleichzeitig wasserdicht wird, aber nicht
zuviel Leim, sonst verschmiert evtl. die Reflektor-Innenfläche oder das Streuglas. Das dauert eine
Weile, 5 Minuten-Harz wird vermutlich zu schnell hart. lieber über Nacht abbinden lassen.
In diesem Schritt können auch die LED's mit dem Trägerblech verklebt werden.
Ich habe bis jetzt 3 Dioden-Typen in die E6-Halben verbaut:
Cree Xlamp 7090 XR-E, Seoul P4, Luxeon Rebel.
Alle drei sind für den Reflektor geeignet. Bei allen dreien muß man den Emitter ohne Platine
kaufen.
Im Folgenden ein Bild der doch sehr unterschiedlichen Leuchtobjekte.
Links oben: Seoul P4, links unten: Luxeon Rebel, rechts oben und unten: Cree Xlamp 7090 XR-E
die obere Xlamp ist mir kaputt gegangen, habe sie dann mal demontiert. In den vier Ecken der
Keramik-Trägerplatine befindet sich jeweils eine Durchgangsbohrung, die die Kontakte auf der
Rückseite kontaktieren: zwickt man diese Ecken wie oben zu sehen mit einer Zange ab (das geht
leicht, da die Keramik sehr spröde ist), sind die unteren Kontakte stillgelegt und man kann die LED
direkt auf ein Alu-Trägerblech aufkleben und von oben kontaktieren
Die Emitter sind etwas diffiziler zu verarbeiten, vor allem bei der Luxeon Rebel, die ja sehr klein
ist:
ein Stück im Schraubstock geplätteter 1qcm-Kupferdraht oder ein Stück Kupferblech nehmen (4*5
mm?) und die Rebel unter dem Chip auflöten. Auf der Unterseite der Diode neben dem Blech die
beiden Kontakte verdrahten, Kupferblech auf Alu-Trägerblech aufkleben.
Eine Luxeon Rebel auf Kupferdraht aufgelötet
und mit Alu-Trägerblech verklebt.
Eine Seoul P4 verdrahtet, isoliert gegen
Trägerblech und mit Alu-Trägerblech verklebt
Bei beiden LED's sieht man, daß zwischen Trägerblech und Halter des Reflektors noch ein
Zwischenblech notwendig wurde, um die Höhenanpassung der Diode hinzukriegen. Bei der Rebel
habe ich das gebraucht, weil ich den Reflektor nicht gleich groß gesägt hatte, bei der P4 braucht
man es immer. Wichtig ist hier das Maß vom Trägerblech bis zur leuchtenden Chip-Oberfläche.
Es beträgt:
Cree Xlamp 7090 XR-E
1,1 mm
Seoul P4
2,5 mm
Luxeon Rebel
0,6 mm + Kupferblechdicke
Es geht darum, daß die Leuchtfläche in etwa in der Mittelebene des Reflektors zu liegen kommt.
Nun muß man rechnen, daß durch die Sägefuge am Reflektor etwa 1-1,5 mm verschwinden, also je
E6-halben etwa 0,7 mm. Der Alu-Träger bringt aber 2 mm Dicke hinzu, die Dicke Chipfläche bis
Alu-Trägerblech geht wieder weg: Mittelebene -0,7 +2 -x, also x - 1,3 mm = Mittelebene.
Man sieht also: die Cree Xlamp kann direkt auf das Alu-Trägerblech aufgeklebt werden, bei den
anderen benötigt man teilweise ein Zwischenblech von 0,5 bis 1,5 mm Stärke. Ist der Sägeschnitt
der beiden Reflektorhälften ungleich geworden, wird mit der Dicke des Zwischenbleches korrigiert.
Also leichter Zeitvorteil für die Cree XLamp....
Man kann hier natürlich auch Kupferblech nehmen und zumindest die Cree Xlamp direkt auflöten,
die Kühlung wird dann besser. Die dünne Klebschicht (etwa 0,1mm) behindert die Kühlung aber
auch nicht besonders.
Haben wir die Kleberei und Kontaktiererei hinter uns, sieht das dann so aus:
Nun kommt der letzte Schritt: Justierung der LED am Reflektor. Klingt schwierig, ist aber ganz
einfach:
einen feinen Markerstift bereitlegen. Die LED wird vorsichtig an ein geeignetes Netzteil geklemmt
und mit 100-300 mA zum Leuchten gebracht (Vorsicht: blendet). Jetzt Trägerblech mit LED in die
endgültige Lage im Reflektor bringen, Decke anleuchten und so lange hin- und her schieben, bis ein
optimales Leuchtbild erreicht ist (wenn die Streuung minimal geworden ist). Trägerblech fixieren
und die Kanten des Trägerbleches am Reflektorblech wie oben zu sehen nachzeichnen. LED aus,
zerlegen, kleben, fertig. Idealerweise 5 min Epoxy-Kleber, zur Not geht mit der großen Fläche auch
Sekundenkleber, der ist jedoch so aggressiv, daß er das Plastik des Reflektors an-ätzt, also lieber
doch Epoxy.
Die beiden E6-Halben nun zum Doppel-Halben zusammenschrauben, die 4 Drähte durch die
Durchlaßöffnungen der Halogenbirnenfassung herausführen, Birnenfassung mit lichtdichtem
Material (Schaumstoff oder was auch immer) verschließen. Damit wäre der Scheinwerfer
fertiggestellt
Anbringung am Liegerad
Um die Eigenblendung möglichst gering zu halten, wird der Doppel-Halbe wie ohnehin gedacht am
Tretlager-Ausleger ganz vorn befestigt. Der eigentliche Halter war in dem Fall ein Stück
Vierkantrohr 29*29 mm, 2,5mm Wandstärke. Der Schwerpunkt beider Reflektoren ist fast im
Anschraubpunkt, was bei einem Gewicht von 180g schon wesentlich ist, da einem ansonsten die
Schweinwerfer nach unten gerüttelt werden.
Die Breite von ca. 95 mm paßt knapp zwischen die Kurbeln/Kettenblätter:
An einem Velomobil dürfte sich horizontale Teilung und Anbringung links und rechts empfehlen.
Es sollte allerdings auf Belüftung geachtet werden, ohne Luftstrom an den LED-Trägerblechen
dürfte die Temperatur bei Dauerbetrieb mit Maximalstrom über 60 Grad steigen. Falls das nicht
möglich ist, die Diode unbedingt auf großflächige Kupfer-Trägerbleche auflöten.
Elektronik
Jede Diode hat einen Spannungsabfall von ca. 3,5V an 500 mA. Unten ein StromSpannungsdiagramm einer Cree Xlamp:
Man sieht hier sehr genau, warum nicht über Spannung gesteuert werden kann: Der
Spannungsabfall nimmt ab 700 mA kaum noch zu, der Strom aber exponentiell, über 1 A erfolgt die
thermische Zerstörung der LED. Die Seoul P4 enthält übrigens den gleichen Cree BZ1100 Chip,
also in erster Näherung dasselbe Spannungsdiagramm.
Anschluß am Dynamo
Schalten wir unseren E6-Doppel-Halben in Reihe, brauchen wir also etwa 6,8 Volt Spannung. Bei
einem Dynamostrom von ca. 500 mA erhalten wir nach dem Ohmschen Gesetz R=U/I im
Betriebspunkt ca. 14 Ohm Widerstand der Diodenstrecke. Dies entspricht in etwa den Werten einer
Halogenbirne. Allerdings wird Gleichstrom benötigt, es muß also ein Gleichrichter (Grätzbrücke
mit Schottky-Dioden oder ähnlichem vorgeschaltet werden). Eigentlich sind wir dann fertig:
Zu erwarten sind
3,5 Watt elektrisch,
ca. 300 lm aus den zwei Dioden, nach Olafs Messungen ca. 50 Lux Beleuchtungsstärke im HVPunkt nach TA24.
Da der Dynamo bauartbedingt nicht mehr als 500 mA liefern kann, sind die Dioden nicht gefährdet,
es sind keine weiteren Schutzschaltungen erforderlich.
Haben wir jedoch einen Dynamo, der nicht spannungsbegrenzt ist, sieht dessen GeschwindigkeitsSpannungsdiagramm so aus (Beispiel SON):
Also erzeugt ein solcher, nominell 6 V / 3 Watt-Dynamo bei 27 km/h und einem Lastwiderstand von
ca. 24 Ohm 14 Volt und damit 7 Watt elektrisch. Warum also nur 2 LED's und 4 Watt verschenken?
Noch drängender wird diese Frage, wenn man weiß, daß der Wirkungsgrad einer LED mit
sinkendem Strom besser (höher) wird.
Olaf Schultz' Messungen hierzu:
überraschenderweise erzeugt die Cree Xlamp High-Power Diode bei 30 mA Strom am meisten
Licht/Watt. Bei diesem Strom hat die Diode einen Widerstand von ca. 100 Ohm. Schalten wir einen
Lastwiderstand von 200 Ohm (2 LED's) an unseren Dynamo, erreicht dieser seine 6,8 V
wahrscheinlich schon bei 2 km/h.
Mit anderen Worten: Dynamo und LED's regeln sich die Spannung ein, wie sie es brauchen:
1. je geringer die Geschwindigkeit, desto höher der LED-Widerstand, die Spannung bleibt in
etwa gleich, aber der Lichterzeugungswirkungsgrad ist besonders hoch, viel Licht schon bei
geringer Geschwindigkeit, der Dynamo erreicht die vergleichsweise hohe Spannung sehr
früh, weil der Lastwiderstand hoch ist. Danach geht bei steigender Geschwindigkeit nur
noch der Strom hoch.
2. Unter diesen Umständen sind wir geradezu „gezwungen“, 2 E6-Doppelhalbe zu bauen und
deren 4 Dioden in Reihe zu schalten. Wir erhalten 2-7 Watt elektrisch, bis zu 500 lm
Lichtstrom, je nach Justierung weit über 50 Lux nach TA24 in Punkt HV. Der eigentliche
Trick ist, daß die 4-LED-Strecke eine optimale Anpassung an die DynamoGeschwindigkeit-Leistungs-Kennlinie darstellt: bei schneller Fahrt wird immer mehr Licht
erzeugt anstelle des „Verbratens“ der Mehrleistung
3. lediglich bei Schrittgeschwindigkeit schafft der Dynamo keine 12 Volt, da schließen wir mit
einer Schaltung von Wolfgang Bergter 2 Dioden kurz. Der Umschaltzeitpunkt wird über die
Zener-Spannung von Dz gesteuert, bei 6,8 Zenerspannung und 3,5 Volt-Diodenspannung
werden die zwei zusätzlichen Dioden bei etwa 10 Volt am Dynamo bei 6 km/h zugeschaltet.
Das ist wieder überraschend, 10 Volt am 6 Volt-Dynamo stehen schon bei 6 km/h zur
Verfügung. Das ist auf den unter 1. beschriebenen Selbstregeleffekt von LEDs am Dynamo
zurückzuführen. Selbstverständlich fließen dabei erst ca. 100 mA
BTW, unter http://www.pilom.com/BicycleElectronics/DynamoCircuits.htm beschreibt ein Freak,
wie man einem Nabendynamo mit einer Spannungsverdoppelungs-Schaltung im Wechselstromteil
10 Watt elektrisch entlocken kann und damit 6 (!) LED's an 21 Volt betreibt. Es gibt also weiterhin
noch Optimierungspotential.
Bauteileliste für Aufbau auf Lochrasterplatine (keine SMD-Technik!)
Bauteil
Typ, Bestell-Nr.
Dz
Zenerdiode 6,8V, 500 mW, Conrad-Best-Nr: 16 82 81-24
T1,T2
2* BC327, Conrad-Best-Nr: 15 58 29-24
R1
220 Ohm, 200 mW, Conrad-Best-Nr: 40 31 72-24
R2
18 kOhm, 200 mW, Conrad-Best-Nr: 40 34 07-24
R3
1 kOhm, 200 mW, Conrad-Best-Nr: 40 32 53-24
C1
200-1000 mF, 25V, Conrad-Best-Nr: 44 60 48-24
Ds
4* Schottky-Diode SB130, Conrad-Best-Nr: 16 48 28-24
LED's
4* Cree Xlamp 7090 XR-E Q5, http://www.led-tech.de
Anschlußleisten
groß oder klein
5fach-RM5mm-niedrige Polklemmen, Conrad-Best-Nr.: 74 35 58-F4
oder Messerleisten RM 2,54, Conrad-Best-Nr: 1*74 99 29-24, 1*74 99 40-24
Flachstecker für bis 2,8mm Flachstecker, Conrad-Best-Nr: 73 71 04-62
zu 1 mm² Draht
und Flachsteckhülse, Conrad-Best-Nr: 73 69 48-8C
Lochrasterplatine
2,54mm Raster, Conrad-Best-Nr: 52 76 96-62
Bestückungsplan:
Ich habe für die Platine bis jetzt immer die Leiterplattenentflechtung „by brain 1.0“ (im Kopf)
gemacht, deswegen sieht jede auch anders aus. Im Folgenden 2 Varianten. Eine ganz kompakt und
eine „übersichtlich“. Möge sich jeder aussuchen, was besser gefällt oder selber routen...
Variante „übersichtlicher“ mit Polklemmen:
Variante übersichtlich mit Polklemmen
Man kann auf den zugänglichen +3,5V und
10,5V auch einen Goldcap für Standlicht anlöten
Bestückungsplan der
Variante
„übersichtlicher mit
Polklemmen“ von
oben
Bestückungsplan der
Variante „übersichtlich
mit Polklemmen“ von
unten.
Na ja, ich habs mir
einfach gemacht, nur
das Bild gespiegelt....
hat dann auch 2 Kreuzungen, aber gaanz klein
Variante Ultra-Kompakt mit den 2,54RMMesserleisten in der Mitte
Bestückungsplan der Dynamoplatine, Variante Ultra-Kompakt von oben
Bestückungsplan der Dynamoplatine Variante „Ultrakompakt“ von unten, Bild wieder nur
gespiegelt....
Noch ein bisserl Anschlußtechnik:
oben 2,8*0,8 mm Flachstecker und -steckhülsen für die Wechselstromseite 0,75mm2 Zwillingslitze,
Mitte: die winzigen RM 2,54mm Messerleisten und Federleisten. Sieht popelig aus, kontaktiert aber
gut und hält auch gut. Nur für Zugentlastung muß man sorgen, 0,18 mm² oder 0,34 mm² Litze
(Variante ultrakompakt)
unten: 5-fach-Polklemme für die LED-Anschlußseite, RM 5,08mm, alternativ zu den Messerleisten
zu verwenden (Variante übersichtlich)
Man möge die Anschlußtechnik nicht unterschätzen, zuverlässige Beleuchtung erhält man nur mit
zuverlässiger Verkabelung. Flachstecker für die Dynamoseite und Polklemmen stellen ein
ziemliches Optimum dar, bis jetzt 0 Ausfälle. Natürlich sollte man das ganze in ein Gehäuse
stecken, es geht aber auch ohne, bei mir atmen die Platinen von Anbeginn an „Frischluft“.
Anschluß an Akkus
Wegen der oben gezeigten Strom-Spannungs-Kurve einer LED ist ein direkter Anschluß an einen
Akku bei auch nur geringfügig zu hoher Spannung sofort tötlich. Es muß eine Konstantstromquelle
zwischengeschaltet werden (KSQ). Prinzipiell sind diese als Linear- oder Längsregler machbar
(variabler oder fester Vorwiderstand). Bei zu großem Unterschied zwischen Nennspannung des
Akkus und der LED-Spannung ist das aber ineffizient, weil die überschüssige Spannung im Regler
„verheizt“ wird. Verwendet man aber je weißer LED-Strecke eine Li-Ion-Zelle kann man durchaus
Linearregler verwenden, da die Li-Ion-Zelle 4,2-3,0 Volt liefert und die LED 3,6-3,0 V verbraucht,
der Akku also nur geringfügig zuviel Spannung liefert. Jürgen Heidtbredter hat einen Linearregler
entwickelt, der selbst nur 0,2V Spannungsabfall zum Regeln („Low-Low-Drop-Regler“) benötigt
und damit sogar kommerzielle Schaltregler im Wirkungsgrad schlägt.
Hier machen wir es uns aber eher einfach und kaufen ein fertiges Produkt zu:
http://ledtreiber.de/catalog/product_info.php?cPath=1&products_id=63
der LED-Slave-Schaltregler mit integriertem PWM-Dimmer. Erfahrungsgemäß liefern LEDScheinwerfer auch schon an 200-350 mA genügend Licht (Wirkungsgrad geht bei geringerem
Strom hoch) für die meisten Fahrsituationen, so daß dimmen die Akkus sehr stark schonen kann.
er benötigt selbst 1 V Spannungsabfall zum Regeln, 17,90 Euro
Anschlußbild des LED-Slave:
Prinzipiell ist es ausreichend 1-4 zu beschalten und die Lötbrücke 11 oder 12 zu schließen (die
letzten 300 mA bringen wenig Zugewinn an Licht).
Aus den oben geschilderten Gründen, sollte jedoch am einfachsten ein Potentiometer zum Dimmen
verwendet werden:
Ein geeignetes Potentiometer wäre die Conrad-Bestell-Nr. 44 18 69-24 RK09L1220 100KBX2CC
2,35 Euro mit Knopf Best.Nr: 18 35 94-24 1,26 Euro