Lampenelektronik

Bauvorschlag für eine Lampensteuerung zum Nachrüsten

Elektronik  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
Edle Mechanik mit fortschrittlicher Steuerung
Ende der 80er Jahre besaß keine im Handel erhältliche Unterwasserlampe irgendwelche Sonderfunktionen.
Manche Hersteller hatten wenigstens eine simple Mimik gegen Tiefentladung und die damit verbundene baldige Zerstörung des Akkus vorgesehen. Weitergehende Funktionen blieben zunächst Eigenbauten vorbehalten.
So war das auch bei meiner Hartenberger von 1989. Um beim Tauchen ein zuverlässiges Werkzeug in der Hand zu halten und um den Akku maximal zu schonen, bestand daher der Wunsch eine elektronische Steuerung einzubauen, 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 Schalter der Originallampe
  • verschiedene Helligkeiten schaltbar
  • Softstart zur Schonung des Glühwendels
  • Vorwarnung vor dem Ende der Akkulaufzeit
  • 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 Bauanleitung finden konnte, musste selbst etwas entwickelt werden. Durch den Einsatz eines Mikrocontrollers wurde die Schaltung klein, preiswert und alle gewünschten Funktionen ließen sich per Software realisieren.

Funktionsbeschreibung

Die Lampe wird am Hauptschalter eingeschaltet und leuchtet dann mit 100% Helligkeit.
Es findet ein Softstart über 1 Sekunde statt um den Glühwendel zu schonen.

Der Benutzer kann mittels des Lampenschalters Kommandos zum Helligkeitswechsel geben.

in der Betriebsart Schalten:
Durch kurzes Aus- und Wiedereinschalten am Hauptschalter senkt die Lampe die Helligkeit auf die nächst kleinere Stufe. Ist die kleinste Stufe von 50% erreicht, wird auf maximale Helligkeit geschaltet.
Ist die Akkuspannung größer als die Nennspannung des Brenners beträgt die maximale Helligkeit 125%.
Während der Schaltkommandos verlöscht die Lampe nicht.

in der Betriebsart Dimmen:
Durch kurzes Aus- und Wiedereinschalten am Hauptschalter senkt die Lampe langsam die Helligkeit um ca. 10% pro Sekunde.
Durch nochmaliges kurzes Aus- und Wiedereinschalten am Hauptschalter wird die aktuelle Helligkeit gehalten.
Wird kein Stoppkommando ausgeführt läuft die Helligkeit bis zum Minimum und stoppt dort.
Beim nächsten Schalterkommando wird die Helligkeit langsam erhöht.
Wird kein Stoppkommando ausgeführt läuft die Helligkeit bis zum Maximum und stoppt dort.
Der Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
Die letzte eingestellte Helligkeit wird beim Ausschalten der Lampe nicht gespeichert.
Während der Schaltkommandos verlöscht die Lampe nicht.

Durch ein langes Aus- und Wiedereinschalten des Hauptschalters von mehr als 0,6 Sekunden geht die Lampe in den SOS-Modus über und sendet die Zeichenfolge S O S (... --- ...) als Morsecode mit maximaler Helligkeit. In diesem Modus finden keine Unterspannungs- oder Wassereinbruchsprüfungen und -warnungen statt. Dieser Modus bleibt aktiv bis die Lampe abgeschaltet wird oder der Akku vollständig entladen ist.

Bei sich näherndem Ende der Akkulaufzeit wird duch Abblenden der Helligkeit in Intervallen von 4 Sekunden vor dem nahen Ende der Betriebszeit der Lampe gewarnt.
Die Vorwarnspannung beträgt 107% der Abschaltspannung.
Durch Wechsel in eine andere Helligkeit wird der Alarm gelöscht.
Falls sich dadurch die Akkuspannung nicht ausreichend erholt wird nach einer 16 Sekunden langen Alarmsperre erneut Unterspannung signalisiert.
Bei völlig entladenem Akku schaltet sich die Lampe ab.
Sie lässt sich durch Aus- und Wiedereinschalten erneut für 16 Sekunden einschalten bis der Akku vollständig entladen ist.

Wird der Wassereinbruchsensor durch eingelaufenes Wasser auf ein Potential über 0,5 V gezogen, wird alle 4 Sekunden durch kurzes Absenken der Helligkeit und 2 lange Piepser alarmiert.
Der Alarm kann durch ein kurzes Schalterkommando gelöscht werden, tatsächlich eingedrungenes Wasser wird ihn jedoch nach Ablauf der Alarmsperre wieder auslösen.
Unterspannungswarnungen finden nicht statt, die Abschaltung bei Unterspannung ist jedoch aktiv.

Die Spannungsmessungen am Akku erfolgen 50 mal pro Sekunde und am Wassereinbruchsensor einmal pro Sekunde. Der Lampenstrom ist während der Messung der Akkuspannung abgeschaltet, um Messfehler durch Übergangswiderstände zu verringern.
Durch Zeitkonstanten in der Messwertfilterung werden ein leerer Akku oder ein Wassereinbruch erst nach ca. 15 bzw. 4 Sekunden detektiert.

Es können vom Benutzer verschiedene Optionen zu- oder abgewählt werden.
Die Anleitung wie dies vorgenomen werden kann befindet sich am Ende dieser Seite.

Schaltplan

Schaltplan
Der blau hinterlegte Teil der Schaltung 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 über Pin 3 des Controllers gegeben werden, ohne dass der Brenner verlöscht.
R3 dient zum Schutz des Reedkontaktes vor Verkleben, 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 undefiniert durchschalten und 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 Betriebsspannungen bis 20 Volt, zum Beispiel an einem 4zelligen Lithiumakku, sind keine Änderungen erforderlich. Im Quellcode müssen jedoch entsprechende Einträge angepasst werden.
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, und D2 entfallen.
Symbol Sicherheitshinweis Symbol
Die Schaltung ist verpolsicher aber nicht 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

PDF-Symbol Layout zum Herstellen einer eigenen Platine als PDF.

Bestückungsplan

Bestückungsplan
T1 benötigt bis 100 Watt Lampenleistung keine Kühlung. Die Schaltung passt in den zentralen Zwischenraum eines Akkublocks aus Zellen der Größe D.
bestückte Platine
bestückte Platine, als Controller ist hier noch ein Attiny 15 eingesetzt
Wegen der möglichen hohen Ströme und der niedrigen Steuerspannung am Gate funktioniert als Leistungstransistor 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 25 1 ATTINY 25L DIP
IC2 LM 78L05 1 µA 78L05
R3, R7 33 Ω 2 METALL 33,0
R8 10 KΩ 1 METALL 10,0K
R2 15 KΩ 1 METALL 15,0K
R1, R4, R5, R6 100 KΩ 4 METALL 100K
C3, C4 100nF keramisch 2 Z5U-5 100n
C2 1µF/16V Elko 1 rad 1/63
C1 2200µF/25V Elko 1 rad 2.200/25
D1 Universaldiode 1 1N4148
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
Reedkontakt 500mA
1
3
1
1
GS 8P

Software

Download Software Lampensoftware V2.2 (Quellcode in Assembler) als zip-File

Im Quellcode können verschiedene Einstellungen nach Bedarf einfach geändert werden, u.a. maximale und minimale Lampenleistung, Nennspannung von Akku und Brenner, Abschaltspannung, Zeitkonstanten der Messwertfilterungen.

Einige Optionen können aber auch zur Laufzeit des Programmes vom Benutzer eingestellt werden.

Um in den Lernmodus zu gelangen Pin 5 (Port B0) des Controllers von der Masse trennen (z.B. eine IC-Fassung bei der der entsprechende Kontakt entfernt ist zwischen Controller und Platine stecken) und die Versorgungsspannung anlegen.

Wir sind nun im Menüpunkt 1, Helligkeitseinstellung.
Der Controller signalisiert Menüpunkt und gewählte Option mit einer Tonfolge:
1 Pieps für Menüpunkt 1 gefolgt von 1 Pieps für stufige oder 2 Piepsern für stufenlose Einstellung
Nun kann mit einem Kurzkommando die Option gewechselt werden.
Die Quittierung erfolgt mit der neuen Tonfolge für den Menüpunkt 1 und Piepsern für die aktive Option.
Jedes weitere Kurzkommando wechselt in die andere mögliche Option.

Mit einem langen Schalterkommando gelangt man in Menüpunkt 2, Brenner auf Konstante Leistung regeln.
Der Controller signalisiert Menüpunkt und gewählte Option wieder mit einer Tonfolge:
2 Piepser für Menüpunkt 2 gefolgt von 1 Pieps für keine Regelung oder 2 Piepsern für Regelung.
Mit einem Kurzkommando wird die Option gewechselt und eine akustische Signalisierung angefordert.

Mit einem langen Schalterkommando gelangt man in Menüpunkt 3, Wassereinbruchprüfung.
Der Controller signalisiert Menüpunkt und gewählte Option wieder:
3 Piepser für Menüpunkt 3 gefolgt von 1 Pieps für aktiven Wassereinbruchtest oder
2 Piepsern für deaktivierten Wassereinbruchtest.
Mit einem Kurzkommando wird die Option gewechselt und eine akustische Signalisierung angefordert.

Mit einem langen Schalterkommando gelangt man in Menüpunkt 4, neue Abschaltspannung lernen.
Der Controller signalisiert den Menüpunkt 4 mit 4 Piepsern.
Für das Anlernen einer neuen Abschaltspannung die Betriebsspannung auf den gewünschten Wert einstellen und mit einem Kurzkommando die Übernahme als neue Abschaltspannung anfordern.
Es wird nun solange gewartet, bis die Betriebsspannung stabil ist. Dabei ertönt jede Sekunde ein Pieps.
Sobald eine stabile Spannung erkannt und als neue Abschaltspannung abgespeichert wurde wird mit der Tonfolge für den Menüpunkt 4 gefolgt von 1 langen Piepser quittiert.

Mit einem langen Schalterkommando gelangt man in Menüpunkt 5, Werkseinstellung Abschaltspannung laden.
Der Controller signalisiert den Menüpunkt 5 mit 5 Piepsern.
Für das Rückstellen auf die Werkseinstellung ein kurzes Schalterkommando geben.
Die Quittierung erfolgt mit der Tonfolge für den Menüpunkt 5 gefolgt von einem langen Pieps.

Das nächste Langkommando schaltet wieder in Menüpunkt 1.

Menüpunkt Option Piepser
 
1. Betriebsart Schalten 1 - 1
Dimmen 1 - 2
2. Leistungsregelung aus 2 - 1
ein 2 - 2
3. Wassereinbruchprüfung ein 3 - 1
aus 3 - 2
4. neue Abschaltspannung lernen 4
warten 1-1-1-1 ...
gelernt 4 - 1 lang
5. Fabrikeinstellung Abschaltspannung laden 5
geladen 5 - 1 lang

Zum Verlassen des Lernmodus die Spannungsquelle entfernen und Pin 5 wieder mit Masse verbinden. (Zwischenfassung entfernen)
Die Einstellungen können so oft geändert werden, bis sie den persönlichen Wünschen entsprechen.

Sollte die Lampe (z.B. bei sehr niedrig eingestellter Betriebsspannung) kein Langkommando akzeptieren und jedesmal neu starten werden Kommandos auf folgende Weise gegeben:
Den Pin 3 des Controllers entsprechend kurz oder lang mit Masse verbinden.