Gedanken zur Technik

Nachdem jahrelang, oder sogar jahrzehntelang Blei- und Nickelakkus mit Halogenlampen der Stand der Technik waren, hat sich das in den letzten Jahren grundlegend geändert.
Versuche mit Leuchtstofflampen waren nur Einzelstücke, Xenon Lampen etwas verbreiteter, aber teuer und empfindlich.

Mit dem Aufkommen der starken LEDs gab es erst Lampen, die eine Unzahl von einzelnen LEDs bündelten, bis dann die EinzelLEDs (innen sind es immer noch oft Zusammenschaltungen mehrerer LEDs) immer stärker wurden. Von 1W, 3W, 5W bis zu 10-20W und zumindest an Land auch noch mehr. Wobei vermutlich schon eine 10W LED für fast alle UW Zwecke, selbst Filmen, reicht.

Auf der anderen Seite hat sich die Lithium Akku Technologie stark durchgesetzt. Bis auf die Angst von Lithium vs. Wasser bietet sie nur Vorteile. Geringe Selbstentladung, leicht, hohe Energiedichte, nicht nur runde Bauformen.

LEDs

Im Gegensatz zu Glühbirnen, die im Wesentlichen ein ohmscher Widerstand sind und daher korrekte Spannung vorausgesetzt keine weitere Elektronik brauchen, sind LEDs Dioden, Halbleiterbauelemente. Sie dürfen nciht einfach an eine fixe Spannung angeschlossen werden. Ihre Charakteristik ist prinzipiell, daß an ihnen eine bestimmte Spannung abfällt, bei typischen einfachen weißen LEDs sind das etwas 4V. Ist die Spannung darunter, leuchtet die LED nicht, darüber steigt der Strom sehr schnell an. Praktisch ist dieser Bereich nicht ganz so scharf, weswegen auch Lösungen mit Batterien und direkter Verschaltung funktionieren können. Aber schon der Ersatz der Batterien durch Akkus kann die LED töten.
Um das zu verhindern, begrenzt man den Strom durch die LED. Im einfachsten Fall reicht ein Vorwiderstand, an dem die restliche Spannung beim gewünschten Strom abfällt. Diese Lösung ist aber spannungsabhängig und damit verändert sich die Helligkeit der LED über die Entladung.
Besser ist eine Stromquelle, die tatsächlich mit einer kleinen Schaltung den Strom fix regelt. Trotzdem vernichtet man so noch eine Menge Leistung.
Noch besser ist ein DC/DC Wandler mit einem stromgeregelten Ausgang. Dabei fallen nur noch kleinere Verluste der Wandlerschaltung an. Allerdings ist die Technik natürlich aufwendiger und empfindlicher.

PWM Regler sollten nur zum Einsatz kommen, wenn die LED auch bei 100% nicht überlastet wird. Bei einer reinen LED (ohne interne Schaltung) ist das die beste Dimmlösung. Dimmer, die tatsächlich die Spannung ändern (z.B. mit Elkos am Ausgang), sind weniger geeignet, da die LEDs ein anderes Betriebsverhalten haben.

Akkus

Blei(gel)akkus waren lange Zeit stark verbreitet. Sie waren billig, druckfest und in vielen Größen erhältlich. Das Gewicht spielt UW keine Rolle, da die Behälter sowieso Abtrieb brauchen. Eingeschränkt sind auch offene Systeme möglich. D.h. der Akku wird ohne Druckbehälter betrieben, die Kontakte sind isoliert. Allerdings sinkt die nutzbare Kapazität mit steigendem Strom deutlich ab und man sollte ihn möglichst nicht zu tief entladen.

NiCd und NiMh Akkus waren der nächste Schritt um Größe und Gewicht zu verringern. Allerdings war ihre Selbstenladung (besonders bei NiMh vor Eneloop) sehr hoch und die Ladegeräte mußten etwas intelligenter sein. Für einfache Handlampen für Batterien sind sie immer noch eine Alternative. NiCd werden inzwischen nicht mehr gebaut und auch NiMh verlieren ihre Bedeutung, da fast alle neuen Geräte auf Lixx setzen.

Lixx ist die (momentane) Technik der Zukunft. Leicht, geringe Selbstentladung und hohe Kapazität. Im Modellbau und bei kleinen transportablen Geräten (Handy) eher LiPo, bei Geräten mit weniger Gewichtsproblemen (E-Auto) eher LiFe. Die Ladetechnik ist ähnlich wie bei Beiakkus, allerdings etwas präziser und u.U. auch mit Einzelzellenüberwachung (im Modellbau Standard).
Die Bauformen weichen stark von NiXX und Blei ab, daher gibt es kaum direkten Ersatz. Außerdem könnte bei manchen Geräten (Scooter), die Auftriebsabstimmung ein Problem sein. Der Preis gerade bei großen Akkus ist deutlich höher.

Umrüstungen

Problem
Lösung
Halogenhandlampen mit P13.5s Glühbirnen
Es gibt zumindest bis 3W LED Ersatz mit Weitspannungseingang. Das ist statt der üblichen 6W Halogen immer noch ca. das 2-3fache an Licht bei doppelter Laufzeit. Allerdings wird der Reflektor nicht richtig genutzt und die Lichtverteilung ist ungünstiger. Pegaso
Babyzellen durch Lixx ersetzen
Bei zwei Babyzellen hintereinander wären auch 18650 mit Adapter denkbar. Das bringt keinen Kapazitätsgewinn, ist aber leichter.
Lixx Akkus laden
Bei Nixx oder Blei Akkus war das recht einfach im geschlossenen Gehäuse, bei Lixx wird es etwas schwieriger. Die Überwachung muß genauer sein, und eine Einzelzellenüberwachung empfiehlt sich. Das kann man bei großen Lampen entweder mit kleinen Modellbauladern oder Balancern erreichen. Oder man nimmt fertige Ladekontrollschaltungen, die den kompletten Akkuschutz übernehmen, manchmal aber nur einen begrenzten Strom erlauben. Außen reicht dann eine kontrollierte Spannung.
Wenn man die Lampe öffnen kann/will, legt man einfach einen mehrpoligen Stecker bereit, über den dann z.B. ein Modellbaulader kontrolliert laden kann.
Temperatur
LED Lampen verursachen zwar weniger Wärme, allerdings sind sie auch empfindlicher und haben eine andere Bauform. Daher muß man sich mit einem angepaßten Kühlkörper befassen. Plastikteile in den Lampen könnten dadurch schmelzen.
Akkus statt Batterien
LED Batterielampen vertragen nicht immer auch Akkus (NiMh). Bei Lampen ohne Strombegrenzung kann das die LED zerstören.
Die typischen Spannungen bei älteren Lampen passen nicht immer gut zu LEDs. Gerade 6V ist für die einen zu viel, für die anderen zu wenig. Bei 12V ist es besser. Allerdings gibt es kleine und billige DC/DC Wandler, die die Spannung mit recht gutem Wirkungsgrad anpassen. Wenn sie auch eine (einstellbare) Strombegrenzung haben, paßt es umso besser. Ein Selbstbau bringt da fast nichts. Wenn man eine Schaltelektronik einsetzt, schaltet die halt einfach die Spannung zum Wandler oder einen Schalteingang am Wandler. Sollte es keinen starken Hauptschalter geben, muß man aber die Ruheströme berücksichtigen.
Bei Lampen mit Halogenbirnen in einem vorgegebenen großen Reflektor ist der Umbau nicht so einfach. Direkten starken Ersatz gibt es noch nicht. Die meisten dieser LED Varianten sind zu groß oder strahlen jeweils mit einzelnen LEDs in eine Richtung, was mit Reflektor einen Sterneffekt gibt.
Die größeren flächigen LEDs erfordern einen Umbau oder Entfernen des Reflektors und brauchen zusätzliche Mittel zur Lichtbündelung. Ein einfacher Umbau geht nur für Weitwinkelstrahler.
Selbstbaulampen mit 12V Halogenreflektorlampen mit 51mm oder 35mm Dafür gibt es LED Ersatz, wenn auch nicht beliebig stark und teilweise mit ungünstigen Bauformen, die nicht ganz den recht standardisierten Halogenreflektorlampen entsprechen. Für 35mm findet man fast gar nichts mehr, und was es gibt, ist eher schwach.
Ich habe zwei 51mm Typen mit 7-8W und 621Lumen getestet, die mir gut gefallen. Die Helligkeit kommt mit einer 50W Halogenlampe mit oder übertrifft sie bei einer recht brauchbaren Lichtverteilung. Bei entsprechendem Platz und wenn das Licht reicht, ist das IMHO die beste Lösung für eine Umrüstung. Man braucht nur eine beliebige 12V Quelle und fertig. Ich habe aber keine Spot Typen gefunden, nur die 36° Typen.
Die Dimmer Schaltungen sind nicht für jede LED geeignet. Es sollte eine PWM Dimmung sein, die nur die Spannung zerhackt, nicht eine, die die Spannung regelt. Damit bekäme man eine sehr nichtlineare Dimmung, die besonders bei Parallelschaltung von LEDs zu unschönen Effekten führen kann, wenn die LEDs nicht exakt abgestimmt sind.
Einige Strahler mit Elektronik (bei mir fast alle Reflektorlampen) lassen sich gar nicht dimmen, da sie die Leistung in einem Spannungsbereich konstant halten. Eine meine Messungen hat als Untergrenze 10,8V ergeben.
Einige Lampen oder Akkutanks sind jetzt einfach zu groß. Eine Möglichkeit für eine Reihe meiner einfacheren Lampen ist es, den Druckkörper zu kürzen. Teilweise kann man in Lampenköpfe auch moderne Akkus direkt einbauen.
Aus sehr großen Tanks könnte man einen Scooter bauen :-)
Braucht man einen getrennten Akkutank ?
Bei vielen Lampen, kann man die Akkus auch für längere Laufzeit direkt integrieren. Es gibt auch Lösungen, wo ein schmaler Akku z.B. am Arm getragen wird. Der Lampenkopf kann so sehr klein und beweglich sein. Auch eine Montage an einem Helm oder an der Maske ist denkbar.


3D-Druck

Der 3D-Druck bietet einige Möglichkeiten für Taucher. Die einfachen sind z.B. Richtungspfeile oder Flaschenverschlüsse. Bei Druckkörpern sieht es etwas anders aus. Hier gibt es zwar schon Experimente aber noch wenig brauchbares. Da die Festigkeit begrenzt ist, muß man wohl dicke Wände und interne Verstrebungen vorsehen. Dafür könnte man die Form fast nach Belieben variieren.
Eine einfachere Anwendung sind z.B. andere Innenteile für Umbauten, die Sensoren, LEDs oder Akkus halten. Auch Spools, Griffe und Kamerhalterungen sind ein beliebtes Thema.

Dive torch light headhttps://www.thingiverse.com/thing:492462

Cave Arrow - http://www.thingiverse.com/thing:835434
Cap for scuba tanks - http://www.thingiverse.com/thing:2017704
Spool - http://www.thingiverse.com/thing:1278347
HandReel - http://www.thingiverse.com/thing:1905325
Diving knife/scissors clip - https://www.thingiverse.com/thing:2055000


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