IG-SPEZIALSCHIFFE-Workshop

Suchscheinwerfer

Hanno Niesler


Uiiii.... Hell, 'ne??

Bei all den Dingern, die es da als (Such-) Scheinwerfer zu kaufen gibt, kann man zwar erkennen, das sie eingeschaltet sind, aber zu einem wirklichen Beleuchtungseffekt recht es nicht. Das Lämpchen, das in den kaufbaren Scheinwerfern Verwendung findet, ist viel zu lichtschwach, als das man damit in der Gegend herumleuchten könnte. Dabei ist gerade bei den beliebten Nachtfahrten mindestens ein funktionsfähiger Scheinwerfer unverzichtbar, denn wie soll der Kapitän sein Schiff sonst sicher an den Kai bekommen? Wie man ein Scheinwerfer per Fernsteuerung drehen kann ist dabei kein großes Geheimnis, auch eine Höhenverstellung läßt sich mittels Servo recht einfach realisieren.

Mit dem Aufkommen der weißen, superhellen 5mm-LED rückt eine neue Lichtquelle in Reichweite des Modellbauers, die viele Vorteile gegenüber den üblichen Kleinglühlämpchen hat. Einmal wäre da der gute Wirkungsgrad und die hohe Helligkeit zu nennen. Mit nur 30mA Strom bekommt man bei den Spitzentypen 11 oder mehr Candela, eine um Größenordnungen höhere Lichtmenge als von den Glühlämpchen zu erwarten ist. Dabei ist die erzeugte Wärme weitaus geringer, das Durchbrennen der Scheinwerfer-"Scheibe" entfällt. Das Licht der LED ist kurzwelliger, die Lichtfarbe daher weißer als das Glühlampenlicht. Damit kommt die Lichtfarbe der der meist mit Xenon-Brennern bestückten Originalscheinwerfer nahe.

Um die Lichtausbeute eines Scheinwerfers auf die Spitze zu treiben kann man natürlich auch mehrere LEDs in ein Gehäuse bauen, da jede LED ja ihren eigenen Reflektor besitzt und der Abstrahlwinkel bereits fertig vorgegeben ist. Doch dann bin ich auf die LumiLEDs von Luxeon, einer Firma in Silicon Valley, gestoßen...

Der 1-Watt-Luxeon-High-Power-Scheinwerfer


Scheinwerfer-Sammelsurium...

Luxeon stellt LEDs mit 1, 3 und sogar 5 Watt Leistung her, und dabei handelt es sich nicht etwa um LED-Arrays, also eine Anordnung von mehreren LEDs, sondern um eine einzige! Verglichen mit den rund 100mW einer herkömlichen LED schien das ja Wahnsinns-Lichtausbeuten zu versprechen... Mußte ich also haben!

Ein Blick ins Datenblatt (.pdf) zeigte dann, das die Konstruktion eines Scheinwerfers für eine solche LED nicht ganz so einfach werden würde. Denn die als smd-Bauteile ausgeführten LumiLEDs müssen unbedingt gut gekühlt werden. So muß die Gehäuserückseite auf einem Kühlkörper zu liegen kommen, der allemal größer ist als die Scheinwerfer, die ich bauen wollte. Vorgefertigte Anordnungen, wie etwa der angebotene Luxeon-Star, bei dem die LED betriebsfertig montiert ist, kamen vom Durchmesser her nicht in Frage. Also blieb nur, ein Gehäuse zu entwerfen, das die Anforderungen der Kühlung erfüllt.

Moderne Suchscheinwerfer bestehen in der Regel aus einem zylindrischen Gehäuse mit flachem Boden, aber auf meinem Modell kommen noch zwei weitere Varianten zum Einsatz. Die zwei Hauptscheinwerfer sind hinten sphärisch ausgeführt, und einer hat ein konisches Gehäuse.

Version mit konischem Gehäuse Version mit konischem Gehäuse
Version mit konischem Gehäuse.

Um die Wärme von der LED abzuleiten kommt für das Scheinwerfergehäuse nur ein Material mit exzellenter Wärmeleitfähigkeit in Frage, also Aluminium oder Kupfer. Kupfer hat zudem noch eine höhere Wärmekapazität als Alu, kann also mehr Wärmeenergie aufnehmen um genauso heiß zu werden wie Aluminium. Und es läßt sich löten.

Heizungsrohr, abgelängt.
Heizungsrohr...

Ein Kupferrohr mit 15mm Durchmesser fand sich bei den Resten, die der Installateuer beim letzten mal zurückgelassen hatte. Es werden für den Scheinwerferkörper Ringe von etwa 12mm abgestochen und an den Enden plangedreht. (Sägen und feilen geht natürlich auch.) Der hintere Deckel muß völlig eben sein, deshalb wird ein Stück Kupferblech von 1mm Stärke unter der Hydraulikpresse oder im Schraubstock plan gepresst. - Glatte Platten unterlegen, damit sich die Riefen der Schraubstockbacken nicht auf das Material übertragen! Dann werden Rohr und Deckel mit normalem Elektroniklot verlötet und die überstehenden Deckelränder entweder abgedreht oder abgefeilt.

Das Schinwerfer-Gehäuse.
Plangepresste Rückwand, verlötet.

Beidseitig des so entstandenen Scheinwerfergehäuses werden nun die Bohrungen für den Tragebügel und ggf. den Höhenverstellbügel gebohrt, und in erstere ein M1,4-Gewinde geschnitten. Ein weiteres Loch von etwas 1,5mm Durchmesser wird für die vier Drähte zum Anschluß der LED und des Temperatursensors benötigt. Dieses kann man entweder in den Randbereich des Deckels an seiner Unterkante oder in die untere Gehäusehinterkante unmittelbar am Deckel bohren.

Als nächstes werden erst mal die Anschlußbleche der teuren LumiLED abgekniffen, und zwar an der Stelle des ersten Knicks, vom LED-Gehäuse aus gesehen. Die originalen Anschlüsse dienen nämlich zum Auflöten der LED auf eine Platine. Aber aus Platinenmaterial läßt sich die Scheinwerferrückwand nicht herstellen, weil diese thermisch viel zu gut isolieren würde. Und auf einem Kupferblech gibt es keine Leiterbahnen. Also müssen an die verbleibenden Enden der Kontakte isolierte Drähte mit ca. 0,05 Quadratmillimeter Querschnitt aufgelötet werden, über die der elektrische Anschluß erfolgt. Diese werden durch das vorbereitete Loch nach außen geführt.

Die LumiLEDs.
Die LumiLEDs...
(Hier allerdings die blaue Variante.)

Doch nun kommt ein Haken an der ganzen Sache. Die Anschlußbeinchen der LED, die wir gerade abgeschnitten haben, sorgen dafür, das die LED mit ihrer Rückseite auf den wie auch immer gearteten Kühler gedrückt wird. Um die LED ohne die Beinchen zu befestigen ist ein spezieller Wärmeleitkleber erforderlich, der die Funktion der Wärmeleitpaste und des Befestigens gleichzeitig übernimmt. Dieser Wärmeleitkleber hat einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die zu verbindenden Materialien, und deshalb besteht keine Gefahr, das sich die Klebestelle durch unterschiedliche Ausdehnung löst und die LED damit dem Hitzetod geweiht wäre. Mit diesem Kleber wird die LED also mittig auf die Gehäuserückwand geklebt.

Die LED ist eingeklebt.
...eingeklebt.

Die ersten Tests mit dem Scheinwerfer haben gezeigt, das die Oberfläche des Gehäuses nicht reicht, um die Wärme der 1W-LED an die Umgebung abzugeben. Nach etwa 2...3 min. hat sich das Gehäuse so weit erwärmt, das es für die LED ziemlich ungemütlich wird. Daher ist ein Gebläse erforderlich, das die Scheinwerfer ständig mit kühlender Luft anbläst. Erst so werden sie tauglich für den Dauerbetrieb. Die Austrittsöffnung der Luft kann man in vielen Fällen geschickt tarnen. Doch was ist, wenn das Gebläse mal ausfällt - oder aus Platzgründen gar nicht installiert werden kann? Um in diesem Fall die LED zu schützen habe ich den kleinen Temperatursensor KT110 mit dem Wärmeleitkleber neben die LED auf die Rückwand geklebt. Auch seine Anschlüsse mussen gekürzt, mit Draht verlängert und aus dem Gehäuse geführt werden. Wenn man ein engeres (min. 10mm Innendurchmesser) Scheinwerfergehäuse benötigt, kann der Sensor auch auf die Außenseite der Rückwand, hinter die LED, geklebt werden. Dort sieht er dann aus wie ein Anschlußkasten mit Leitungen.

KT 110 ...
KT 110

Nun habe ich den Bereich um die LED mit einem dünnflüssigen Industriesilikon vergossen, sodaß die Leiungen der LED und des Sensors vor dem Abbrechen geschützt sind. Dann wird einer der bekannten Aufsteck-Reflektoren für 5mm-LEDs auf der Drehbank seiner Halterung beraubt und auf 5,5mm aufgebohrt. So passt der dann auf die LumiLED. Natürlich ist die Abstimmung nicht optimal, aber dennoch ist das Ergebnis überwältigend. Mit 3 Tröpfchen Epoxid-Klebeharz wird der Reflektor fixiert.

Der Montagebügel.
Der Montagebügel.

Als letzter Schritt wird aus Rechteck-Messingprofil ein Bügel gebogen und mit M 1,4-Schrauben mit dem Scheinwerfer verschraubt, der nach abschließender Lackierung mit Heizkörperlack montagefertig ist. Heizkörperlack zeichnet sich nämlich dadurch aus, das er auf sein Strahlungsverhalten hin optimiert ist. Mit Heizkörperlack beschichtete Körper haben ein besseres Wärmeabstrahlvermögen als herkömlich lackierte.


Scheinwerfer, montiert.

Um den Scheinwerfer zu betreiben ist nun noch etwas Elektronik notwendig. Werden normale LEDs in der Regel mit Vorwiderständen an die Bordspannung angepasst, bietet sich das bei den LumiLEDs nicht an. Zum einen wäre wegen des hohen Strombedarfes die Verlustleistung sehr hoch und damit der Betrieb unwirtschaftlich, zum anderen muß der Widerstandswert ja an die maximal mögliche Akkuspannung angepasst werden. Unter Last ist die Akkuspannung jedoch geringer, und die teure HighTech-LED würde dann nicht richtig genutzt. So würde der ganze Aufwand kaum lohnen. Also braucht man einen einstellbaren Spannungsregler, idealerweise einen getakteten. Diesen kann man entweder mit dem IC LT1076 selber aufbauen oder fertig beziehen. Die Firma TRACO hat einen geeigneten Typen im Programm, der gerade mal 4 Quadratzentimeter groß ist, aber dennoch 2A liefert. Damit können 5 1W-LumiLEDs betrieben werden. Die Spannung wird auf die Nennspannung der LED eingestellt und der Enable-Eingang kann als Schalteingang für die Temperaturüberwachung dienen.

Um die Information des Temperatursensors auszuwerten, wird ein Operationsvertärker (zB. CA3140) als Komparator geschaltet. Die Hysterese bestimmt ein 1 Megaohm-Widerstand. Pro Scheinwerfer ist natürlich ein seperater Komparator erforderlich, die Ausgänge werden über Dioden gekoppelt und an den Enable-Eingang des Spannungsreglers angeschlossen. Verwendet man einen Spannungsregler ohne diesen Eingang, kann der Komparator einen Feldeffekt-Transistor schalten, der dann den LED-Strom unterbricht. Zum Abgleich stellt man das Poti so ein, das der Komparator bei knapp 70C den Schinwerfer abschaltet. Ist dann die Temperatur wieder abgesunken, schaltet die Elektronik den Scheinwerfer wieder ein.

Die 5-Watt-High-End-Variante

Nachdem der 1-Watt-Scheinwerfer zuverlässig funktioniert mußte ich natürlich auch die 5-Watt-Version realisieren. Doch während beim kleinen Bruder die Gebläsekühlung möglich ist, hat man beim großen damit keine Chance. Eine normale Fahrradlampe hat 2,4W Leistung, und jeder weiß, wie heiß die wird. Doppelt so viel Power auf einer so kleinen Fläche, das wird enorm warm. Auch schied wegen der exponierten Einbauposition am Modell die Gebläsekühlung aus.

5-Watt-Typ rund 5-Watt-Typ rund
Der 5-Watt-Typ, runde...

Nun, immer wenn es besonders warm zugeht im Schiffsmodell, kommt die Wasserkühlung zum Einsatz. Denn Wasser ist im Überfluß vorhanden, und mit relativ wenig Aufwand lassen sich normalerweise Fahrtregler und Motoren damit versorgen - warum nicht also auch die Scheinwerfer?

5-Watt-Typ flach 5-Watt-Typ flach
... und flache Gehäuseausführung.

Prinzipiell ist der Aufbau der 5er-Version der selbe wie bei der 1-Watt-Variante, doch muß für das Kühlwasser eine Kammer hinter der LED-Montagefläche entstehen. Dazu kann entweder die sphärische Kappe - sofern vorhanden - oder eine doppelte, gerade Rückwand dienen. Kappen kann man aus Kupferblech herstellen, indem man eine Kugel in das Blech presst. Für die flache Rückwand habe ich eine Zusatzkappe mit Distanzrand auf der Drehbank hergestellt. Sind die Teile verlötet, werden im unteren Bereich Bohrungen für die Zu- und Ableitungsrohre eingebracht, als Flansche dienen Aderendhülsen. Diese sind sehr dünnwandig und ebenfalls lötbar. Zu- und Ableitungsschlauch ist Silikonschlauch, wie er zur Aderisolierung verwendet wird. Durchmesser etwa 2,5mm. Als Kühlwasserpumpe kommt eine Kreiselpumpe Typ PSN-Zwerg zum Einsatz, die mit einem geeigneten Elektromotor versehen werden muß.

PSN ''Zwerg'' beim Einbau
Die Kühlwasserpumpe von PSN, Typ "Zwerg".

Wird Kühlwasser aus dem Teich verwendet, muß unbedingt ein Filter eingesetzt werden, damit die dünnen Leitungen nicht verstopfen. Alledings bringt die Verwendung von Teichwasser den Nachteil der Schlauchverbindung zum Aufbau mitsich. Deshalb habe ich ein Kreislaufkühlsystem mit aktivem Luftkühler vorgesehen, welches komplett in die Brücke meines Modells integriert wurde.

Die Ansteuerelektronik ist prinzipiell die selbe wie beim 1-Watt-Scheinwerfer, nur gibt es für 6,5V keinen fertigen Spannungsregler zu kaufen. Hier muß auf den Selbstbau mit dem LT1076 zurückgegriffen werden. Alternativ kann auch der LT1074 zum einsatz kommen, statt 2 stehen damit 5A zur Verfügung. Da die 5W-LumiLED 700mA Strom benötigt, lassen sich nun statt 2 bis zu 6 oder sogar 7 Scheinwerfer an eimen Spannungsregler betreiben. Die Pumpe sollte evtl. einen Drehzahlsteller bekommen, damit man die Kühlwassermenge optimieren kann.

getakteter Spannungsregler
Getakteter Spannungsregler.

Abschließend kann gesagt werden, das der Aufwand und die Kosten für den 5er ungleich höher sind. Da bei der 5W-LumiLED das Substrat größer ist, kann der Lichtstrahl nicht so gut gebündelt werden. Grob gesagt ist der 1er ein Spot, der 5er ein Fluter. Der 5er ist also nicht wesentlich heller, beleuchtet dafür aber eine viel größere Fläche mit etwa der selben Helligkeit. Die 3-Watt-LumiLED kam erst später ins Programm, es ist aber zu befürchten, das auch sie nicht ohne Wasserkühlung auskommt. Mit der 1W-WarmWhite-LumiLED steht eine LED zur verfügung, mit der ein alter, glüh- oder halogenlampenbetriebener Scheinwerfer nachgebildet werden kann. Uralte Scheinwerfer mit Kohlebogen sind von der Lichtfarbe eher mit den Xenonbrennern als mit den Glühlampen zu vergleichen.


Bisher sind nur die 1W-Scheinwerfer in Betrieb...

HN

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