60-LED-Arbeitsleuchte 

Schaltungsanalyse und Funktionsbeschreibung 

 
                        von Peter Krüger    
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Im Februar 2011 hatte ALDI-Süd eine 60-LED Leuchte für einen Preis von € 9,99 . . . also € 10.- im Angebot. Die Garantiezeit betrug 2 Jahren.
Ich erstand die Leuchte. Mich machte hauptsächlich die Ansteuerung der 60 LED's neugierig.. Zuhause wurde die Leuchte durch Ein- Ausschalten auf
Funktionsfähigkeit geprüft und danach sofort in ihre Einzelteile zerlegt. Alle Led's sind parallel verdrahtet und sind über den Ein/Ausschalter und einem 1R Serienwiderstand direkt mit der Batterie verbunden. Die Strombegrenzung wird mit dem 1R Serienwiderstand bei voll geladener Batterie auf maximal 700mA
begrenzt, die anfallende Verlustleistung von immerhin 700 mW wird in Wärme umgewandelt, leider. Für die Batterie wurde dagegen eine ausgefeilte Ladetechnik eingesetzt, Schaltungsbeschreibung siehe weiter unten.




Technische Daten:
Stromversorgung: Drei Zellen AA Size Ni-MH Batterie Pack im Gehäusegriff. UB-nom 3V75 / 1.800mAh
Mitgeliefert wird ein analoges Steckernetzteil: Primär: 230-240V, 50/60Hz. Sekundär: Ungregelte DC-Ausgangsspannung, +9V an 500mA Last.
Zubehör: Ladekabel mit Stecker für automotive 12V-Zigarettenanzünder.
Leuchtdauer bei voll geladener Batterie etwa 3 Stunden. Ladedauer der tiefentladenen Batterie, 5 – 7 Stunden.
Der Ladezustandsanzeige durch Zweifarben LED: Rot = Ladezyklus „UB-Full-Charge“, Grün = Ladezyklus „UB-Trickle Charge“.
LED Anzeige: 60 Stk. 5 mm white LED. LED-Leuchtintensität einer LED laut Hersteller: 13.000 mcd.





PCB Bauteileseite

Komma und Dezimalpunkt:
Betr. die Schreibweise, Wertebezeichnung der Bauteile: Die europäische Zahlenbezeichnung vom Komma und Dezimalpunkt als Kommastelle oder Tausender Trennung hat im Gegensatz zu dem amerikanischen Zahlensystem genau die umgekehrte Bedeutung, hat schon zu vielen Missverständnissen und Fehlern beigetragen. Bei einer schlechten Kopie eines Stromlaufes kann auf diese Art und Weise schon mal ein Dezimalpunkt komplett verschwinden, ein Komma kann evt. als ein Dezimalpunkt gedeutet werden. Deshalb meine Schreibweise: Aus 3,1V wird 3V1. Auf diese Art und Weise wird auch noch ein Zeichen gespart.




Display-LED’s: Alle 60 LED’s sind parallel geschaltet und haben eine nominale Vorwärtsspannung von 3V1.


Leuchtdauer nur im Batteriebetrieb:
Batterie: nominale Zellspannung = 3V75, 1.800 mAh, 6,75Wh
Die Leuchte wird über den Schalter K1 eingeschaltet.
R10 ist in Serie mit den LED’s geschaltet und dient als Strombegrenzung.
Spannungsabfall an R10: 3V75 - 3V1 = 650mV. Strombegrenzung von R10: I = U/R = 650mV/1 = 650mA
Maximale Verlustleistung an R10 in mW: P = U * I = 650mV * 650mA = 430mW
Leuchtleistung der 60 LED’s W: P = U * I = 3V1 * 650mA = 2W
Nominale Leuchtdauer: Batterie-Wh / nominalen Verbrauch in W = 6W75 / 2W = 3,4 Std.
Die LED’s verlöschen bei einer Spannung von < 3V/ UB-deep, die Batterie ist jetzt tiefentladen!

IC1/MC34063A DC/DC Wandler arbeitet als Buck- , Step-Down Converter.
Mit der internen Referenz von 1V25 und den beiden Spannungsteilern R2 und R3 wird die Ausgangsspannung U-DC/DC eingestellt.
U-DC/DC = (R2+R3) * (IC1-Ref/R3) = (3K6+1K) * (1V25/1K) = 5V75.
Mit R1 wird ein maximaler Strom von etwa 700mA eingestellt/begrenzt.
Im Strombegrenzungsbetrieb/current limit wird IC1 über 70o Grad warm!

Referenzspannungs U-FastChargeReferenz/U-FCR:
U2-TIL431 ist Spannungskomparator mit einer internen Spannungsreferenz von 2V5.
Die Kathode ist ein o.C. Ausgang und arbeitet als Stromsenke. Im aktiven Klemmzustand ist das Spannungspotenzial von Kathode gegen GND + 1V8
Solange an dem Referenzeingang „R“ eine Spannung < 2V5 gegen GND anliegt ist Cathode „C“ hochohmig.
Bei einer Spannung an „R“ > 2V5 tritt der Klemmzustand ein, „C“ wird gegen GND leitend.
Die Klemmspannungsschwelle wird mit R6 und R7 eingestellt.
U-FCR = (R6+R7) * (U2-Ref/R7) = (2K2+2K) * (2V5/2K) = 5V25.

Spannungsabfall an R4: U = R * I = U-DC/DC – U-FCR = 5V75 – 5V25 = 0V5.
Strom in mA an R4: I = U / R = 0V5 / 2R2 = 227mA
Solange an R4 eine Spannungsabfall von < 0V5 anliegt und ein Strom von > 227mA fließt, ist Kanal UB-FC eingeschaltet, sonst UB-TC.

Kanal UB-FastCharge/UB-FC:
Solange U-FCR < 5V25 ist der Kathodeneingang von U2 hochohmig, Transistor Q1 und Q2 sind leitend/durchgeschaltet.

Maximale Batteriespannung bei UB-FC:
UB-max = UB-FCR – Q2-drop – D3-drop = 5V25 – 0V16 – 0V9 = 4V19

I-FastCharge/I-FC:
IB-nom = (U-DC/DC – U-FCR) / R4 = (5V75 – 5V25) / 2R2 = 0V5 / 2R2 = 227mA, umschaltung auf Kanal UB-TC.

Im Batteriebetrieb und einer Leuchtdauer von länger 4 h ist die Batteriespannung auf 3V abgesunken.

Batterieladung über Steckernetzteil, Kanal UB-FC ist eingeschaltet:
IB-max: I = U / R = ((U-DC/DC – (UB-deep + D3_U-drop + Q2_U-drop) / R4 = ((5V75 – (3V + 0V9 + 0V16) / 2R2 = 768mA
I-DC/DC max Strombegrenzung = 700mA. IC1 geht in den Current limit mode, die U-DC/DC Spannung sinkt etwas ab.

Verlustleistung von IC1:
Über den internen Darlingtonschalter entsteht ein Spannungsabfall von VCC nach dem Emitterausgang „EM-DR“ > 1V5.
Im Current limit mode entsteht eine maximale Verlustleistung von etwa 1W.
IC1 erwärmt sich dabei auf über 70 Grad.

Umschaltung von Kanal UB-FC nach Kanal UB-TrickleCharge/UB-TC, Anzeigewechsel LED-Ladungsanzeige rot nach grün:
Bei U-FCR > 5V25 wird der Cathodeneingang „C“ von U2 gegen GND leitend, Q2 wird über Zener-Diode D2/4V7 abgeschaltet.
Kanal UB-FC wird hochohmig, UB-TrickleCharge/UB-TC übernimmt jetzt die Ladungserhaltung der Batterie.

I-TrickleCharge/I-TC, die LED-Ladungsanzeige leuchtet grün:
I = U / R = ((U-DC/DC – (UB-nom + D4-drop) / (R4 + R13) = ((5V75 – (4V19 + 0V8) / (2R2 + 3R9) = 125mA
Die Batterie wird eine maximale Endspannung von 4V35 erreichen und dort stehen bleiben,
entspricht einer Batteriezellspannung von: 4V35 / 3 = 1V45, ist i:O.
I-TC-min = ((U-DC/DC – (UB-max + D4-drop) / (R4 + R13) = ((5V75 – (4V35 + 0V8) / (2R2 + 3R9) = 98mA, ist i.O.
Entspricht einer Ladungserhaltung von 1/18 der Batteriegesamtkapazität von 1.800mAh.

Problem bei geladener Batterie und eingeschalteten Steckernetzteil:
Leuchte ist eingeschaltet: Die Leuchte wird mit dem Strom von der Batterie, und dem Kanal I-TC/Ladungserhaltung versorgt.
Umschaltung von Kanal UB-TC nach UB-FC:
UB-min = U-DC/DC – ((R13 * 227mA) + 0V5 + D4-drop) = 5V75 – ((3R9 * 227mA) + 0V5 + 0V8) = 3V56.
3V56 / 3 = 1V19 pro Zelle, die Batterie ist jetzt fast entladen.

Schaltungsoptimierung durch 470R und Diode:
Die Q2-Basis wird mit über Widerstand 470R und Signaldiode mit dem Ausgang von Switch K1 verbunden/verlötet. Die Diode verhindert im  ausgeschalteten Zustand der Leuchte eine Kriechstromentladung der Batterie über die Bauteile der Schaltung und der LEDs. Die Optimierung hat im ausgeschalteten Zustand der Leuchte keinen Einfluss auf die Ladefunktion von Kanal UB-FC & UB-TC. Steckernetzadapter ist eingeschaltet: Bei einschalten der Leuchte wird Kanal UB-FC zwangsweise miteingeschaltet, die Stromversorgung erfolgt nun von der Batterie und der U-DC/DC Versorgung. Die Leuchtdauer ist infinit solange der Netzadapter in Betrieb ist, Die Batterie wird nach etwa 5h auf etwa die Hälfte ihrer Kapazität entladen sein.




CS PCB Lötseite/SS mit Modifikation Schaltungsoptimierung

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