LED Platinenbelichter (4)

... es wird Zeit ... für einen Timer.

Zum Einsatz kommt Bewährtes: ein Atmega328P-PU mit Arduino Bootloader, ein 2x16 Zeichen LCD, ein Encoder mit Tastfunktion und zwei weitere Tasten zum Ein-/Ausschalten.

Schaltplan:




Bauteilliste:

Da der Testaufbau des Belichters funktionierte, wurde er gleich zur Herstellung des Timers verwendet.

Auf Folie gedruckt, 5 Minuten belichtet, entwickelt und geätzt, ergibt folgendes Ergebnis:

Es folgt das Zuschneiden, Entgraten, Bohren und die Bestückung...

... zu einer 85 x 80 mm großen Platine.

Der Trimmer zum Einstellen des Displaykontrastes wird auf der Platinenunterseite montiert. So ist er auch nach dem Frontplatteneinbau erreichbar.

Die externe Beschaltung:

Die Pins links (JP7) dienen dem Einspielen der Firmware und der Spannungsversorgung. Die restlichen 6 Pins (JP1, JP8) dienen am Cover-Pin und dem ersten GND-Pin dem Anschluss eines Mikrotasters an der Gehäuseabdeckung. Die LEDs sollen nur eingeschaltet werden können, wenn die Abdeckung geschlossen ist und somit keine Gefahr für die Augen besteht.
der nächste GND, OUT1, OUT2 und +5V werden mit dem Relaismodul belegt, wobei in der jetzigen Baustufe nur OUT1 als Schaltstufe benötigt wird.

 Zur Inbetriebnahme muss erst einmal die Firmware (befindet sich auf der Download-Seite) eingespielt werden. Das erfolgte, wie bereits öfters praktiziert, via Arduino-IDE und mit dem  mySmartUSB MK2.

Wie gehabt die Reset-Taste drücken, und die Firmware ist eingespielt wenn der oben angezeigte Display-Inhalt sichtbar wird. 99 s ist die Defaultzeit, die beim ersten Beschreiben des internen EEPROMs des Atmega zur Anwendung kommt.


Die Handhabung

Einstellen der Belichtungsdauer

1. Druck auf den Encoder
--> Statusanzeige AUS wechselt zu SET

2. mit dem Encoder die gewünschte Zeit in Sekunden einstellen.

3a. mit Druck auf den Encoder die Einstellung bestätigen. 
--> Zeit wird im EEPROM gespeichert und bleibt auch nach Abschalten der Stromzufuhr erhalten.
--> Statusanzeige wechselt zu AUS

3b. Alternativ Druck auf die graue Taste
--> Abbruch der Einstellung
--> ursprüngliche Einstellung bleibt erhalten
--> Statusanzeige wechselt auf AUS

Belichtung starten/unterbrechen

Rote Taste = Start
--> LEDs leuchten
--> Statusanzeige wechselt zu AN
--> verbleibende Belichtungszeit wird hinter "Rest:" angezeigt

Graue Taste = Stop
--> LEDs abgeschaltet
--> Statusanzeige wechselt auf AUS

Erneuter Druck auf die rote Taste = Fortsetzen der Belichtung

Langer Druck auf graue Taste = Zeit zurücksetzen

Geräteabdeckung wird geöffnet 

--> Belichtung unterbricht
--> Statusanzeige wechselt auf AUS
--> Anzeige COV unten rechts

Zum Fortsetzen:

1. Abdeckung schließen

--> COV-Anzeige verschwindet

2. Roter Taster = Fortsetzen

--> Statusanzeige wechselt auf AN

Ablauf der Belichtungszeit 

--> bei Rest = 0 s

--> LEDs schalten ab 

--> Signaltonfolge ertönt

Anzeige der Firmware-Version

Im SET-Modus (Druck auf Encoder) wird durch drücken der roten Taste die Firmware-Version angezeigt.

Jetzt fehlt nur noch ein Gehäuse.

[Fortsetzung folgt ...]

LED Platinenbelichter (3)

Ein erster Belichtungsversuch mit Zeitsteuerung

Zum Ansteuern benutze ich einen improvisierten Testaufbau, bestehend aus einem Arduino Uno, meinem LCD-Shield und einem Relaismodul zum Schalten der LED-Phalanx.
Das Relaismodul besitzt 2 Relais, so dass eine Erweiterung um eine LED-Platine für doppelseitige Belichtung jederzeit möglich ist.

Als Stromversorgung benutze ich für die LEDs ein 30V Gleichspannungsnetzteil eines alten Druckers. Der Arduino wird über ein USB-Netzteil versorgt.

Die LED-Platine ist in einem Holzkasten untergebracht, der mit einer Bilderrahmen-Glasscheibe abgedeckt wurde. Der Abstand der LEDs zum "Objektträger" beträgt 17 cm.

Mit einer Belichtungsteststreifen-Vorlage von rn-wissen.de habe ich einen Ausdruck auf Transparentfolie angefertigt. Der Ausdruck wurde anschließend mit Tonerverdichter behandelt. Dadurch werden die schwarzen Teile lichtundurchlässiger.

Beim Test wurden nach festen Intervallen mit einem schwarzen Karton je ein Stück mehr von der Platine zur Belichtung freigegeben. Auf der Vorlage sind dazu Zeitangaben enthalten, die mir jedoch viel zu kurze Intervalle enthielten.
Ich habe mich für ein Intervall von einer Minute entschieden, da es mir nicht um die genaue Zeit ging, sondern lediglich um die Feststellung, dass der Aufbau prinzipiell funktioniert. Die genauen Belichtungszeiten werde ich beim fertigen Gerät ermitteln.

Achtung: Der verwendete Entwickler Natriumhydroxid (NaOH) und das Ätzmittel Natriumpersulfat (Na2S2O8) sind ätzend. Natriumpersulfat ist zusätzlich brandfördernd. 
Vor der Verwendung dieser Substanzen ist es unbedingt erforderlich, sich über die Handhabung und die damit einhergehenden Gefahren zu informieren. Die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen sind unbedingt einzuhalten. 


Nach dem Belichten und ca. 30 s Entwickeln in Natriumhydroxid-Lösung (NaOH), erhielt ich eine deutlich erkennbare Ätzmaske.

Nach dem Ätzen mit Natriumpersulfat ist erkennbar, dass die rechte Seite (5 min belichtet) das beste Ergebnis geliefert hat.

Das Gerät und der Prozess funktionieren.
Als nächstes werde ich das Timer-Provisorium im etwas solidere Hardware gießen - der Belichter darf sich quasi selbst herstellen - und das Ganze in einem robusteren Gehäuse unterbringen.
Das Timer-Programm funktioniert störungsfrei und kann mit ein paar veränderten Portzuweisungen an die endgültige Hardware angepasst werden. Aber eins nach dem anderen ...

[Fortsetzung folgt]

LED Platinenbelichter (2)

Die LED Platine ist nun fertig. Bis auf eine LED, die ich evtl zu heiß gelötet hatte und die schnell getauscht war, gab es keine Probleme.
Die Einzelplatinen habe ich an den Stoßkanten mit etwas Silberdraht geklammert und dann verlötet.

Die mechanische Stabilität sollte damit ausreichend sein.
Der Bestückungsplan hat sich etwas geändert. Die Verdrahtung ist jetzt enthalten.

Der elektrische Test zeigt subjektiv bei allen LEDs die gleiche Lichtstärke. um die Kamera nicht zu übersteuern, habe ich ein Blatt Papier aufgelegt.

Jetzt muss noch die Höhe der Auflage ermittelt werden, bei dem eine gleichmäßige Ausleuchtung der zu belichtenden Fläche gewährleistet ist.

mit a=30° und A = 14,5 mm ergibt sich nach

h = 27 mm. Rechnet man zur Sicherheit A = 20 mm (bessere Überlappung der Strahlenkegel) ergibt sich h = 38 mm. Mit etwas Zuschlag für die LED-Höhe ergibt sich ein H = 45 mm.
Soviel zur Theorie. 
Beim errechnet Abstand ergab sich folgendes Bild:

Grausig!
Und damit war ich wieder in der Praxis angelangt, denn es gibt keine optimalen und gleich gefertigten LEDs ohne Toleranzen. Try and Error ist angesagt. 
Bei einem Abstand von H = 100 mm wird es deutlich homogener:

Noch eine mattierte Aktenhülle als Diffusor auf die LEDs und es ist fast schon perfekt:

Ein Teil der noch sichtbaren "Granularität" ist der Mattscheibe (Papier) zu verdanken.
Auch sind die Ecken noch nicht optimal ausgeleuchtet, was sich durch einen reflektierenden Innenanstrich des Gehäuses bessern dürfte. Das gab mein Testaufbau leider nicht her.

[Fortsetzung folgt ...]

LED Platinenbelichter (1)

Das Tonertransfer-Verfahren hat seine Grenzen, was feine Strukturen auf der Platine betrifft. Je feiner, umso mehr Fehler treten beim Transfer auf. Zumindest in meinem Fall - was am falschen Toner liegen kann oder dem Umstand, dass ich den stupiden Umgang mit dem Laminator nicht mag.

Von einer Ätzmaske im Belichtungsverfahren erhoffe ich mir feinere und besser reproduzierbare Resultate. Ein Belichtungsgerät muss her. 

Fertige Geräte mit UV-Röhren gibt es bereits ab ca. 80 €, wenn man nach einfachen Klischee-Belichtern sucht. Geräte, die als "Platinenbelichter" verkauft werden sind oft teurer. 
Deutlich preiswerter wird es, wenn man Gesichtsbräuner o.ä. zweckentfremdet. Das Internet ist voll von Selbstbauanleitungen.

Warnung vor optischer Strahlung,Symbol D-W009 nach DIN 4844-2 [Quelle: Wikipedia]

Beim Selbstbau ist auf die Sicherheit zu achten. UV-Strahlung birgt Risiken für das Auge, auch bei Streulicht. 

Ich werde einen Belichter selbst bauen. Statt Leuchtstoffröhren verwende ich UV-LEDs mit 5mm Durchmesser und klarem Gehäuse.

Die LED Eigenschaften:

Flußspannung 3,2 Vmax 
Strom 20 mA 
Wellenlänge 395 - 400 nm
Lichtstärke ca. 2000 mcd
Abstrahlwinkel ca. 30°   

Als zu belichtende Fläche möchte ich doppeltes Euro-Format, also 160 mm x 200 mm. Dazu werden 168 LEDs in gleichmäßigem Abstand auf mehreren Lochstreifenrasterplatinen mit den Gesamtmaßen 213 mm x 162 mm (bzw. 84 Lochstreifen á 64 Löcher) im Rastermaß 2,54 mm verteilt.

Die LEDs sollen zu je 8 in Reihe geschaltet und mit einem stabilisierten Strom von 20 mA versorgt werden.
Für die Stromstabilisierung sorgen:

R1 = 4k7
R2 = 33
Q1, Q2 = BC546B

Diese Bauteile sind ebenfalls auf der Platine unterzubringen. D.h. es sind eigentlich 3 Platinen im Euroformat, die aneinander gefügt werden müssen.





Daraus ergibt sich folgender Bestückungsplan (jedes Kästchen = ein Loch):

Das Bestücken, Verdrahten und Leiterbahnunterbrechen nimmt bei der ersten Platine ca. 4 h in Anspruch.

Ein erster Test (mit Solarienbrille auf den Augen und minimaler Stromstärke):

Sieht gut aus.

Die volle Stromstärke von 20 mA wird bei einer Spannung von Vcc = 32 V pro LED-Reihe erreicht.

Weiter geht es mit Platine 2 ...

[Fortsetzung folgt hier]

Wer misst, misst Mist!

Es kann eine interessante Angelegenheit sein, die Leistung von Verbrauchern zu messen. Wenn es darum geht, die Stromrechnung zu reduzieren, lege ich meinen Hauptaugenmerk auf elektrische Geräte, die dauerhaft in Betrieb sind. Da lohnt sich auch ein Blick auf relativ kleine Leistungen, wie sie im Standby-Betrieb auftreten. Denn bei einem Strompreis von 26 ct/kWh kostet jedes Watt an Leistung bei einem Jahr Laufzeit 2,28 €.

Bisher habe ich für die Leistungsmessung mein Energieverbrauchsmessgerät (Typ PM30) genutzt. Diese oder ähnliche Geräte werden selbst in Supermärkten teils zu Preisen unter 10 € angeboten und sind relativ einfach zu bedienen.

Mein Gerät zeigt neben Stromstärke, Spannung, Frequenz und Scheinleistung (die es fälschlich in Watt anzeigt) auch den Leistungsfaktor cos φ  an. Somit ist es grundsätzlich dafür geeignet rein ohmsche Lasten, wie klassische Kaffeemaschinen, Heizgeräte, etc. richtig zu messen. Auch induktive Lasten, wie Motoren, sollen damit in der Theorie zuverlässig messbar sein.

Im Beitrag Philips Senseo ® HD 7810 die Zweite stieß ich mit einem Energiekostenmessgerät auf eine zu hohe Standby-Leistung. Das Messgerät zeigte einen cos φ = 1 an, also Scheinleistung = Wirkleistung.

Die Realität sieht jedoch anders aus, als es das Messgerät darstellt. Ich habe mit dem Oszilloskop, mit Hilfe eines ohmschen Widerstandes von 6,8 Ω und einer selbstgebauten "Breakout-Box", sowohl Spannung als auch Strom am Gerät gemessen. Ich habe natürlich einen Trenntransformator und Tastköpfe mit entsprechender Spannungsfestigkeit verwendet.

Schaltung:

Auf Kanal 1 wird U₁ gemessen und U₂ auf dem 2. Kanal. U₂ ist ist äquivalent zum Strom I.

Da U₁ und U₂ sich auf den gleichen Massepunkt beziehen müssen, wird zur richtigen Phasendarstellung wird das Spannungssignal von U₁ am Oszilloskop negiert.

Das Ergebnis: die "Stromkurve" sieht zerhackt und nur noch annähernd sinusförmig aus. Und U₂ eilt U₁ um ca. 12 ms nach. Es tritt also eine Phasenverschiebung von > 85° auf, ...

... was den cos φ  in die Nähe von 0,04 drückt, der sich aus dem angegebenen Senseo Standby-Leistung von 0,26 W und der gemessenen Scheinleistung von ca. 6,75 VA berechnet. 

Das Energiekostenmessgerät zeigt jedoch 1 an und nicht 0, wie man bei ordnungsgemäßer Messwertrundung erwarten könnte. Die Bedienungsanleitung des Messgerätes gibt zu diesem Umstand leider keinerlei Hinweis.

Schuld an der Phasenverschiebung ist bei der Senseo das Kondensatornetzteil, das zur Versorgung des Mikrocontrollers benötigt wird und im Standby für die kapazitive Last sorgt. 

Mein Fazit: mein Energiekostenmessgerät ist nur bei rein ohmschen Lasten sinnvoll einsetzbar. Dummerweise kann man einem Verbraucher von außen nicht unbedingt ansehen, ob es in diese Kategorie fällt.

... und ich werde meine Senseo wieder in Betrieb nehmen und mich freuen, dass ich sie nicht zur Reparatur eingeschickt habe - obwohl es schon interessant zu erfahren gewesen wäre, ob und welchen Fehler der Philips Service gefunden hätte ...

Ein dicker Brummer: Trennstelltransformator LTS 006

Da ich des öfteren Geräte öffne, die mit Netzspannung betrieben werden, stand zum eigenen Schutz ein Trenntransformator auf der Einkaufsliste. Die galvanische Trennung hat den Vorteil, dass man bei unbeabsichtigten Berühren eines netzspannungsführenden Teils keinen Stromschlag gegen Erde erleidet.

vom VEB Messgerätewerk Zwönitz

TPW Thalheim

Made in GDR

Er beseitigt auch ein messtechnisches Problem:
Die Masseklemme eines Oszilloskop-Tastkopfes besitzt ebenfalls Erdpotential. Bei unüberlegtem Anschluss an einer geerdeten Schaltung kann ein Kurzschluss entstehen. Möchte man also an Geräten messen, die niederohmig mit dem Erdpotential verbunden sind, ist Vorsicht anzuraten. Gleiches gilt für Geräte, die über einen USB-Anschluss mit dem Computer verbunden sind, denn auch der USB-Stecker ist über den Computer mit Erdpotential behaftet.


Ein kurzer Exkurs:

Geräte, die ihre Energie aus dem Hausstromnetz beziehen, sind in vielen Fällen über einen Schutzleiter - der grün-gelbe - geerdet. Geräte ohne Schutzleiter, z.B. mit Eurostecker, müssen schutzisoliert sein. Die "Innereien" haben aber auch über den Neutralleiter der Steckdose Erdpotential, sofern keine galvanische Trennung im inneren des Gerätes erfolgt. 
Diese Maßnahmen - beschrieben in den VDE Vorschriften - sind sinnvoll und dienen dem Schutz.

Ein Trenntransformator stellt einen Stromkreis ohne Erdpotential (galvanische Trennung) zur Verfügung. Herkömmliche Trenntransformatoren liefern am Ausgang Netzspannung, übersetzen also 1:1, und haben zum Anschluss eines Verbrauchers eine Steckdose ohne Schutzkontakt.

Möchte man eine galvanische Trennung und eine einstellbare Wechselspannung am Ausgang, leistet ein Trennstelltransformator gute Dienste. Bei ihm ist sekundärseitig ein einstellbarer Spartransformator angeschlossen. 

. -. -.. .

Der LTS 006 liefert laut Typenschild 0 - 250 V bei einem Strom bis 6 A. Dies gilt jedoch bei einer Netzspannung von 220 V - ein Hinweis darauf, dass das Gerät vor 1987 hergestellt wurde. Seit 1987 beträgt die Standardspannung 230 V (± 10%).
Ich habe bei 228 V Eingangsspannung die maximal einstellbaren Ausgangsspannungen mit und ohne Last gemessen.

Die Leerlaufspannung betrug 274 V

Als Lastwiderstand kam nun ein Heizstrahler zum Einsatz.

In der Stufe 1 benötigte er 3 A und in Stufe 2 wurden 6 A benötigt.

Die Ausgangsspannungen sanken auf 262 V bzw. 252 V.

Gleichzeitig sank die Eingangsspannung auf 226 V bzw. 225 V.


Ein paar Berechnungen zum Innenwiderstand und zur Verlustleistung:

Da die Eingangsspannung bei Belastung auch sinkt (Widerstand der Zuleitung etc.), berechne ich die Sekundärspannung des Transformators über das Übersetzungsverhältnis:

Mit diesem Übersetzungsverhältnis und den Primärspannungen, ergeben sich für die beiden Belastungsstufen Sekundärspannungen von

271 V bei 3A

270 V bei 6A

Der Innenwiderstand berechnet sich nun wie folgt:

Resultierend entsteht bei Vollast eine Verlustleistung von 

die als Wärme über die reichlich vorhandenen Lüftungsschlitze abgeführt wird.

Noch ein paar Daten zum äußeren Erscheinungsbild:

Höhe = 27,5 cm

Tiefe = 31 cm

Breite = 54,2 cm

Der Trenntrafo sitzt auf einem sehr soliden Tragegestell, dass auch dem Gehäuse mit 2 mm Aluminumverkleidung die nötige Stabilität verleiht.

Das stattliche Kerlchen bringt immerhin ca. 33 kg auf die Waage.

Mein besonderer Dank geht an dieser Stelle an den Paketzusteller.

Möge die Kraft auch weiterhin mit ihm sein!