Die Taschenlampe konnte man nicht ordentlich positionieren und sie blendete. Aus diesem Grund kam mir die Idee eine eigene blendfreie Lampe zu entwickeln, die man einfach auf das Heizbett stellen kann und nicht blendet. Am besten kabellos mit einer Powerbank. Ich hatte bereits eine eigene Powerbank mit dem Battery Shield V3 gebaut, welche ich dieses Mal als Basis genutzt habe.

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Liste der Komponenten

• 1 x Hohlbuchse 5,5×2,1
• 1 x Battery Shield V3
• 1 x LiPo 18650 3500mAh
• 1 x Wippschalter 250V/3A Einbaumaß 15×10,5mm
• 4 x Zylinderkopfschrauben mit Innensechkant M2 x6
• 6 x Linsensenkkopfschrauben M2 x 20
• 17 x 5V SMD2835 LED Streifen
• 5 x Jumperkabel

Wahl der LED

Da das Grundgehäuse der Powerbank mit dem Battery shield V3 bereits fertig war, musste ich mir hauptsächlich Gedanken über die Beleuchtung machen. Als Leuchtmittel sollten LEDs mit 5V oder 3V genutzt werden, da das Battery shield V3 entweder 5V oder 3V bereitstellt. Für meine Zwecke reicht ein geringerer Lumen Wert. Nach kurzer Recherche fand ich passende LED-Strips.

Die Lichttemperatur meines LED Streifens beträgt 6500K auch kaltweiß genannt. Dieses Licht beinhaltet sehr viel Blauanteil, wodurch sich gut arbeiten lässt und Details schnell sichtbar werden. Da das Battery shield V3 drei zusätzliche 5V und einen USB A Ausgang besitzt, ist die Versorgung der LEDs kein Problem. 

Bei den LEDs für die blendfreie Lampe handelt es sich um SMD2835. Diese sind 2,5 mm breit und 3,5 mm lang und haben eine etwas geringere Leuchtkraft als ein SMD5050. Wieviel die LEDs verbrauchen ist entscheidend für die Leuchtdauer der Lampe, da die Energiezufuhr über den Akku beschränkt ist.  

Konstruktion des Deckels und Zwischendeckels

Wie bereits im vorherigem Abschnitt erwähnt wird das Grundgehäuse der Powerbank nicht verändert. Die LEDs werden stattdessen auf einen Zwischendeckel aufgeklebt. Der Zwischendeckel dient auch als Träger der Hohlbuchse für den 3V Ausgang. Weiterhin wurde ein Durchbruch kontruiert um die Kabel vom Ein-Aus-Schalter durchzuführen. Die schrägen Öffnungen des Zwischendeckels sollen helfen bei Bedarf nachträglich noch von hinten Kleber an den LED Streifen anzubringen.

Bei der Oberseite (dem Deckel, wo das Licht durchscheint) wurde es ein wenig komplexer. Einerseits soll genügend Licht durchscheinen, andererseits darf es nicht blenden! Natürlich wäre ein glasklarer Deckel für die Lichtausbeute ideal, doch wie gesagt, dann würde es womöglich blenden. Um einen Ausgleich zu schaffen zwischen effektiver Lichtausbeute und Blendfreiheit sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Materialauswahl (Filament)
• Abstand zum Leuchtmittel
• Stärke der Scheibe
• Druckstrategie

Bei der Materialauswahl für die blendfreie Lampe fiel die Wahl auf „Elfenbein“. Der Abstand zum Leuchtmittel beträgt 10,5 mm und die Scheibendicke (Materialstärke) 1 mm. Die Schichthöhe beträgt 0,25 mm, sprich bei einem Millimeter ergibt das vier Schichten, wobei die erste Schicht 45° nach links und die zweite Schicht 45° nach rechts aufgetragen wird. Durch die verschiedenen Richtungen der Schichten wird das Licht immer wieder gebrochen und blendfrei. Es handelt sich dabei um eine subjektive Wahrnehmung und die Bezeichnung blendfrei gilt daher nicht für alle Menschen.

Zusammenbau

• Verlöten der Teile mit den Jumperkabeln:

• Schneiden und ankleben der LED Streifen: Der LED Streifen wird in zweimal 6 LEDs und einmal 5 LEDs getrennt und auf den Zwischendeckel geklebt. Der Kabeldurchbruch am Deckel für den Stecker muss frei bleiben:

• Anbringen der Hohlbuchse am Zwischendeckel:

• Einschrauben des Battery shield in das Gehäuse nachdem die zehn Gewinde zuvor in das Gehäuse geschnitten worden sind.

• Wippschalter in den Deckel eindrücken:

• LiPo 18650 in die Aufnahme drücken

• Kabel verbinden und einschalten:

• Falls alle LED’s leuchten, Zwischendeckel auf Gehäuse stecken und danach den Deckel auf den Zwischendeckel stecken und verschrauben:

Blendfreie Lampe CAD Design

Für die Gewinde sind die Bohrungen auf Kernlochdurchmesser konstruiert, d.h. bei M2 auf den Durchmesser 1,6 mm. Man kann das Gewinde mit dem Gewindebohrer schneiden oder mit einer Schraube formen (eindrücken). Ich persönlich bevorzuge das Gewindeschneiden. Wo an dem Gehäuse die Gewinde geschnitten werden müssen zeigen die beiden Grafiken.

Weitere Anmerkungen

Mancher wird sich fragen, warum der Wippschalter aus dem Deckel ragt und nicht versenkt wurde. Die Lampe lässt sich dadurch besser ein- und ausschalten.  Meistens hat man nur eine Hand frei und kann nicht richtig in die Versenkung greifen, wenn der Wippschalter aber hervorsteht ist es leichter ihn zu bedienen. Trotzdem habe ich auch eine Variante mit versenktem Wippschalter konstruiert, die man im Download-Bereich herunterladen kann!

Die Leistung der Lampe liegt bei ca. 1,4 Watt. Bei 5,05 V beträgt die Stromstärke daher 0,27 A, was kein Problem  für das Battery Shield V3 und den LiPo darstellt. Die Leuchtdauer der Lampe beträgt ca. 5 Stunden im Dauerbetrieb. Für diese Daten habe ich einen Samsung 18650 mit 3500 mAh verwendet. Die Powerbank kann parallel zum Betrieb der Lampe genutzt werden. Die gesamte Stromstärke sollte allerdings nicht über 3A liegen.

Ich benutze diese Lampe nicht nur für meinen 3D Drucker, sondern auch beim Löten, lesen oder als Nachtlicht. Die Powerbank ist zudem extrem leicht mit 127g.

Datei zum Herunterladen

• STL Dateien der blendfreien Lampe

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Liste der Bauteile:

• 1x Battery Shield V3
• 6x Linsenkopfschrauben M2x8
• 1x Hohlstecker 5,5×2,1
• 6x Flachkopfschraube M2x6
• 1x LiPo Akku 18650

Untersuchung des Battery Shield V3

Nachdem das Battery Shield V3 bei mir angekommen war musste ich als erstes die Eigenschaften genau untersuchen.  Die Tests habe ich mir vorher überlegt und orientieren sich in erster Linie an meine Anwendungsfälle. Da ich natürlich kein Prüfinstitut bin habe ich die Tests so einfach wie möglich gehalten.

Zunächst habe ich die Hauptfunktion, das Aufladen eines LiPo Akkus, getestet. Der Ladevorgang am Modul wird mit Hilfe einer LED signalisiert. Rot bedeutet, dass der Akku aufgeladen wird und Grün bedeutet, dass der Ladevorgang beendet ist. Leider befinden sich die LEDs auf der Unterseite des Moduls und sind nicht gut sichtbar.

Laut den Angaben des Herstellers bzw. des online Händlers beträgt die Ladespannung 4,2 V und der Ladestrom 500 mA. Um diese Werte zu überprüfen, habe ich den Ladezustand des eingesetzten Akkus gemessen und notiert. Der Ladezustand war ungefähr bei 1100 mAh. Die gesamte Kapazität des Akkus beträgt 3000 mAh. Daraus folgt, dass die Differenz zwischen vollständig geladen und teilgeladen 1900 mAh beträgt. Um die vorraussichtliche Ladedauer zu erhalten, wird dieser Wert durch die vom Hersteller angegebenen 500 mA geteilt. Die berechnete Ladedauer ergab somit 4 h. Als Netzteil wird ein Standard Netzteil mit 5V und 1A Ladestrom verwendet. In der Realität betrug die Dauer des Ladens 4 h und 15 min. Das ist nahe an der Theorie und somit in Ordnung. 

Bitte beachten: Für diesen Test nie einen ganz neuen LiPo Akku verwenden, sondern einen der schon einige Ladezyklen hinter sich hat. Ansonsten ist das Ergebnis nicht sehr aussagekräftig. 

Untersuchung der Modul Spannungen

Im zweiten Test wurden die unterschiedlichen Spannungen untersucht, welche das Modul zur Verfügung stellt. Diesen Test habe ich in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase (Bild Test 2_1) wird das Modul ohne LiPo Akku verwendet. Anschließend wird in der zweiten Phase ein LiPo Akku eingesetzt.

Wichtig ist hierbei natürlich die richtige Auswahl der Verbraucher, um den Test so realitätsnah wie möglich durchzuführen. Für den USB-A Anschluss habe ich sowohl einen Lastwiderstand mit 1 A als auch mit 2 A ausgewählt. Dieser keramische Lastwiderstand ist ideal, da eine USB Schnittstelle vorhanden ist und die LED grün leuchtet wenn 5 Watt verbraucht werden. Bei 10 Watt leuchtet die LED rot.

Für die 3 x 5 V Ausgänge habe ich an zwei Ausgängen 5V LED Streifen gelötet und am dritten 5V Ausgang hängt ein von mir konstruiertes Step-Down Modul LM2596S, das auf 2V eingestellt ist, um eine 10 mm RGB Led zu versorgen. An die 3 x 3 V Ausgängen wurden jeweils 3 V LEDs gelötet. Für diesen Test wurde ein 5 V (18 Watt) Netzteil verwendet.

Das Modul im Netzbetrieb ohne LiPo Akku

Es passierte eigentlich nach dem Anschließen der Verbraucher und den Netzteil nicht sonderlich viel. Es leuchtete nur die modulinterne LED rot. Erst als ich den Keramik-Lastwiderstand deaktiviert habe leuchtete einer der 5 V LED Streifen und die mit dem Step-Down verbundene RGB Diode (Gelb markiert in Bild Test2_1).

Bei der anschließenden Messung der Ausgänge wurden folgende Werte festgestellt: Bei den 5 V Ausgängen wurde eine Spannung von 3,24 V gemessen und bei den 3 V Ausgängen 2,28 V. Die gesamte Strombereitstellung des Moduls ohne eingesetzten LiPo Akku liegt bei ca. 11 mA. Das sollte für eine kleine LED ausreichen.

Das Modul mit LiPo Akku

Für die Phase 2 wurden alle Verbraucher entfernt und ein LiPo Akku (SAMSUNG INR18650-35E SDI KL59) in das Modul eingesetzt. Wie auf den Bildern zu erkennen ist wurden Steckverbindungen angebracht. Das liegt daran, dass dieses Modul keinen Schalter für den LiPo Akku besitzt und somit die Last sofort auf den LiPo Akku angelegt wird. Es ist einfach unangenehm einen Akku oder jegliche Batterie unter Last einzulegen bzw. einzustecken.

Alle Verbraucher sind in Phase 2 im Vollmodus und funktionieren einwandfrei. Zusätzlich wird sogar noch der LiPo Akku aufgeladen. Zweifel sind an den 5 V Ausgängen bezüglich der Ampereangaben (4 A) angebracht. Angesichts der Ampere Zahlen des LiPo Akkus ist das zwar möglich, aber es erscheint mir sehr hoch für eine USB Micro Versorgung. Meine Empfehlung ist das Modul mit weniger als 4 Ampere zu beanspruchen.

Tiefenentladeschutz

Der dritte und letzte Test ist eher trivial. Um den Tiefenentladeschutz zu prüfen wurde nur der Keramik Lastwiderstand mit 5 Watt aktiviert und keine Netzversorgung angeschlossen. Dadurch wird der LiPo Akku entladen und wenn der Tiefenentladeschutz des Moduls den Entladeprozess eigenständig beendet ist der Test erfolgreich. Das war der Fall. Es war genügend Restkapazität vorhanden. Allerdings sollten solche Stresssituationen für den LiPo Akku trotzdem vermieden werden. 

Gehäuse für das Battery Shield V3

Natürlich konnte ich es nicht lassen noch ein Gehäuse für das Battery Shield V3 Modul zu konstruieren. Neben dem normalen 5 V USB Ausgang, der über einen extra Schalter ein- und ausgeschalten werden kann, habe ich zusätzlich noch einen konstanten 3V Ausgang mit einer 5,5 x 2,1 Buchse  in das Gehäuse konstruiert.

Das Gehäuse kann am Ende des Blogbeitrags im STL-Format heruntergeladen werden.

Kleiner Nachteil

Der On/OFF Schalter schaltet nur den USB Port. Die 3 x 3 V und 3 x 5 V Lötstellen können nicht über diesen Schalter ein und ausgeschaltet werden.

Für meine Elektronik Projekte ist dieser Nachteil nicht wirklich dramatisch, da ich in erster Linie den USB Port nutze. Außerdem können an die Lötstellen auch zusätzliche Schalter eingelötet werden.

Dateien zum Herunterladen:

• Datenblatt Battery Shield V3 (von AZ Delivery)
• 3D Druck Gehäuse

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