LED-Taschenlampe

von Wolfgang Schmidt
ELO 2009

Seit es weiße LEDs preisgünstig zu kaufen gibt, ist der Selbstbau von LED-Taschenlampen für den Hobbyelektroniker interessant geworden. LEDs erzeugen auf Grund des relativ kleinen Abstrahlwinkels ohne zusätzliche optische Mittel einen gebündelten Lichtstrahl, während für Glühlämpchen hierfür immer ein Hohlspiegel erforderlich ist. Damit ist die Konstruktion einer LED-Taschenlampe relativ einfach: LED mit Fassung in die Wand eines geeigneten Gehäuses einschrauben (oder ohne Fassung einkleben) und fertig (Bild 1). Dafür ist die elektrische Ansteuerung der LED etwas komplizierter. Einfach die Batterie über einen Schalter anschließen wie beim Glühlämpchen geht bei der LED nicht. Die LED benötigt mindestens noch einen Vorwiderstand, besser ist eine Konstantstromquelle zur Speisung.

Für eine Taschenlampe ist noch eine andere Frage wichtig: Mit welcher Batteriespannung soll die LED betrieben werden? Die Durchlassspannung einer weißen LED liegt bei etwa 3,5V. Hinzu kommt der Spannungsabfall am Vorwiderstand, so dass die Betriebsspannung größer als ca. 4V sein muss. Eine Batterie aus drei Mignon- oder Mikrozellen mit zusammen 4,5V sollte also geeignet sein. Das dem nicht so ist, will ich an Hand eines Berechnungsbeispiels zeigen. Die LED soll mit 20 mA arbeiten, der Spannungsabfall am Vorwiderstand muss 4,5V - 3,5V = 1,0V betragen. Damit brauchen wir einen Vorwiderstand von 1,0V/0.02A = 50Ω. Nun bleibt aber die Batteriespannung nicht konstant. Mit fortschreitender Entladung sinkt sie und bringt irgendwann nur noch z. B. 4,0V. Rechnen wir erneut: Der Spannungsabfall am Vorwiderstand ist jetzt 4,0V – 3,5V = 0,5V, der Strom durch den Widerstand und damit durch die LED beträgt nur 0,5V/50Ω = 10mA.

Der Strom ist also nur noch halb so groß wie am Anfang, die Lichtstärke entsprechend merklich geringer. Dabei wäre es unökonomisch, die Batterie jetzt schon als „verbraucht“ zu betrachten! Was geschieht, wenn die Batteriespannung weiter sinkt? Der LED-Strom und damit die Lichtstärke geht rapide zurück, und wenn die Spannung auf 3,5V gesunken ist, wird der Strom 0 und die LED ist aus. Bei der herkömmlichen Taschenlampe mit Glühlämpchen ist das anders. Bei 4,5V Batteriespannung verwendet man ein Lämpchen für 4,0V. Es wird also anfangs mit etwas Überspannung betrieben, was aber nicht stört. Mit der Betriebszeit sinkt die Batteriespannung und erreicht irgendwann auch 3,5V. Während die LED jetzt schon nicht mehr leuchtet, bringt das Glühlämpchen immer noch eine ausreichende Helligkeit.

Das Fazit aus dieser Betrachtung ist: Wir brauchen für eine LED-Taschenlampe eine völlig neue, eine innovative Lösung zur Ansteuerung der LED. Ein Schaltregler ist hierfür bestens geeignet. Mit seiner Hilfe kann die Batteriespannung optimal an die LED-Spannung angepasst werden. Es gibt Step-down- und Step-up-Regler. Mit letzterem wird eine niedrige in eine höhere Spannung umgewandelt. Es ist somit möglich, eine weiße LED mit nur einer 1,5V-Zelle zu betreiben. Ein solcher Schaltregler benötigt nur wenige Bauelemente, ist unkompliziert aufzubauen und daher besonders für den Elektronik-Einsteiger geeignet. An zwei Beispielen soll dies gezeigt werden.

Die wesentlichen Bauelemente des Schaltreglers (Bild 2) sind der Transistor VT1 (als elektronischer Schalter), die Schottky-Diode VD1 sowie die obere Wicklung des Transformators T1 (als Speicherdrossel). Über die untere Wicklung von T1 erfolgt eine Rückkopplung auf die Basis von VT1, so dass ein freischwingender Oszillator entsteht. Die Spannung an C1 entspricht der Durchlassspannung der LED. Ein Vorwiderstand für die LED ist nicht erforderlich, die Strombegrenzung erfolgt durch den Innenwiderstand des Schaltreglers. Eine Spannungs- bzw. Stromregelung erfolgt in dieser Schaltung nicht. Bei der angegebenen Dimensionierung leuchtet die LED mit normaler Intensität, was durch einen Vergleich mit einer LED gleichen Typs in „konventioneller“ Schaltung (d. h. höhere Batteriespannung, Vorwiderstand, LED-Strom 20 mA) verifiziert werden kann. Die Batterie kann bis zu einer Klemmenspannung von 1,0V entladen werden, die Lichtstärke verringert sich bis dahin nur wenig.
Der Aufbau der Schaltung kann auf einer kleinen Lochraster-Leiterplatte erfolgen (Bild 3). Die beiden zu X1 führenden Anschlüsse von T1 werden verdrillt und direkt zum Schalter S1 geführt. Sie sind daher auf der Leiterplattenzeichnung nicht dargestellt. Der Transformator T1 muss selbst gewickelt werden. Als Wickelkörper dient ein Ferritkern in Trommelform (Durchmesser 10 mm, Höhe 10 mm), wie er für Festinduktivitäten verwendet wird. Die Originalwicklung wird entfernt und zwei neue Wicklungen aufgebracht. Die Wickeldaten sind im Stromlaufplan angegeben. Als Gehäuse wird ein allseitig geschlossener Batteriehalter für 2 Mignonzellen verwendet (erhältlich bei Reichelt-Elektronik unter Best.-Nr. HALTER 2XAA). Es wird nur eine Zelle bestückt, das andere Fach dient zur Aufnahme von Leiterplatte, Schiebeschalter und LED-Fassung (Bild 4). Die LED kann auch ohne Fassung direkt in die Gehäusewand eingeklebt werden.

2. Taschenlampe mit vier LEDs

Bei einer höheren Batteriespannung können auch mehrere LEDs angesteuert werden. Die Schaltung für vier LEDs (Bild 5) wird mit 3,0V (zwei Mignon-Zellen) betrieben und enthält zusätzlich eine Regelschaltung zur Stromstabilisierung. Diese wird durch R2 und VT2 realisiert und funktioniert wie folgt: Der Strom durch die LEDs VD2 und VD3 fließt ebenfalls durch R2. An diesem entsteht ein Spannungsabfall, der gleichzeitig an der Basis von VT2 liegt. Erreicht der Spannungsabfall die Basis-Emitter-Schwellenspannung von VT2 (ca. 0,7V), beginnt dieser zu leiten und sperrt VT1. Damit arbeitet der Schaltregler mit VT1 nicht mehr, die Spannung an C1 sinkt, der Strom durch VD2, VD3 und R2 sinkt ebenfalls. Nun wird VT2 wieder gesperrt und der Schaltregler wieder aktiviert. Im praktischen Betrieb stellt zwischen diesen beiden Zuständen ein Gleichgewicht ein. Es fließt ein konstanter Strom von UBE/R2 durch die LEDs.

Der zweite Zweig mit den LEDs VD4 und VD5 ist nicht in die Regelung einbezogen. Auf Grund des identischen Aufbaus fließt hier der gleiche Strom wie im Zweig VD2/VD3. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass für alle LEDs der gleiche Typ und möglichst Exemplare aus der gleichen Charge verwendet werden (d. h. keine Restbestände aus der „Bastelkiste“ nehmen, sondern die LEDs als einen Posten einkaufen). R2 und R3 sollten Typen mit 1% Toleranz sein.
Im Mustergerät beträgt der LED-Strom 0,7V/27Ω = 26mA bei 3,0V Batteriespannung. Sinkt die Batteriespannung auf 2,0V, geht der LED-Strom auf 0,6V/27Ω = 22mA zurück. Die dadurch verursachte Verringerung der Lichtstärke ist kaum wahrnehmbar.
Die verwendeten LEDs vertragen maximal 30mA. Wenn Typen für max. 20mA verwendet werden sollen, müssen R2 und R3 auf 36Ω vergrößert werden.

Der Aufbau der Schaltung erfolgt wieder auf einer Lochraster-Leiterplatte (Bild 6). Für den Transformator gilt das oben gesagte, der Wickelkörper ist hier etwas größer (Durchmesser 10 mm, Höhe 12 mm). Das Gehäuse (Reichelt-Elektronik Best.-Nr. SP 2099 GR) enthält neben der Leiterplatte einen Batteriehalter für zwei Mignon-Zellen, einen Schiebeschalter und die vier LEDs (Bild 7). Die LEDs sind hier durch die Gehäusewand gesteckt (Bild 8). Zusätzliche Befestigung ist nicht erforderlich, eine Fixierung mit geeignetem Kleber erhöht jedoch die Stabilität.

Elektronik-Labor Labortagebuch ELO