Vorstellung: Umbau eines Wilomed auf LED Beleuchtung

[Wilfred Mott]

Hallo,

ich möchte an dieser Stelle dokumentieren, wie das Wilomed mit einem recht geringen Aufwand von 6V / 10VA Halogen- auf LED-Beleuchtung umgebaut werden kann. Mit etwa 280 Lumen maximalen Lichtstrom gegenüber geschätzten 120 Lumen der Halogenbirne macht es einen gewissen Unterschied. Insbesondere vor dem Hintergrund der Spektralverteilung  (zwischen 10 und 20% der maximalen Intensität im blauen Bereich) ist der Lichtstrom für blau gefärbte Präparate eine ,,Erleuchtung" und ich bin sehr zufrieden. Mein Anspruch ist es die schaltungstechnischen und sonstigen Überlegungen transparent zu machen, um geneigten Leser/innen evtl. Abwandlungen zu ermöglichen. An der Stelle sei aber sehr ausdrücklich eine Warnung ausgesprochen: Wenn ihr nicht für den Umgang mit Netzspannung ausgebildet seid, dann spricht das Vorgehen unbedingt mit einer Fachperson ab, die am Ende eure Arbeit überprüft! Ich hafte nicht für Sach- oder Personenschäden!

Die LED Beleuchtung wurde mit der Cree XLamp MX-6 (kaltweiß) realisiert (Datenblatt). Folgend eine Stückliste der eingekauften Teile samt Conrad-Preisen. Weitere verwendete Teile sind ohne Preis aufgeführt, da sie aus meinem Bastelbedarfslager entstammen.

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LED STAR-PLATINE MX6AWT 6,11 €
LED-KÜHLKÖRPER SK 46 20 SA 2,70 €
LEISTUNGSWIDERSTAND CR254-05T 1R 0,38 €
AKASA WÄRMELEITPAD 80X80MM 3,99 €
POTI MIT SCHALTER 470K LIN M10X0,75 6,08 €

Gesamt 19,26 €

Drehknopf Durchmesser=20mm, Achse=6mm
Schaltnetzteil 5V 2A
NPN Transistor BC141
Metallschichtwiderstand 100Ohm
Feinsicherung T 500mA
Ein Stückchen Streifenrasterplatine
Kleinmaterial nach Bedarf (Schrumpfschlauch, Kabelbinder, etc.)


Zur Dimmung wurde, wie die Elektroniker sicher schon vermuten, eine einfache Verstärkerschaltung mit einem bipolaren Transistor benutzt:



Der am Emitter von Q1 angeschlossene 1 Ohm Leistungswiderstand R3 dient dem direkten Schutz der LED (natürlich kann man diesen ebenso am Kollektor von Q1 anschließen). Laut Datenblatt ist die Vorwärtsspannung der LED bei der maximalen Stromaufnahme von 1A etwas über 4,1 V.
Da für die Zukunft ein Betrieb über externe Stromquellen – wie z.B. USB-Akkupacks angestrebt ist, deren Spannung nicht in jedem Fall absolut zuverlässig bekannt ist, ging ich von etwa 5,2 V maximaler Eingangsspannung aus. Über die CE Strecke des Transistors fallen im Sättigungsbetrieb etwa  0,2V ab.

Entsprechend ist die maximale Spannung, die über den Leistungswiderstand abfallen soll = 5,2V – 4,1V – 0,2V = 0,9V
R für 1000mA wäre dann = 0,9V / 1A = 0,9 Ohm
1 Ohm ergab sich aus dem Gedanken den nächsthöheren glatten Wert zu nehmen – da eine Steigerung des Widerstands an diesem Punkt die abgefallene Spannung vergrößert und damit der Stromfluß der LED verringert wird, sind wir damit noch ein Stückchen sicherer.

Tatsächlich ist es bei der Leuchtstärke solcher LEDs nicht unbedingt wichtig das letzte bisschen Lichstrom rauszukitzeln – es ist für die normale Betrachtung und die Mikrofotografie mehr als reichlich Licht ,,vorhanden". Es ist aus meiner Sicht also vorteilhaft auf die sichere Karte zu setzen – das Equipment wird es mit sehr langer Lebensdauer danken.

R2 ist notwendig um die BE-Strecke des Transistors vor Überlastung zu schützen. Es ist so berechnet, dass der Transistor im Sättigungsbetrieb arbeitet. Dafür gibt's exakte und weniger exakte Formeln – in der Praxis reicht die nicht so exakte die im wesentlichen folgendes besagt:
Typische Verstärkung des BC141 ist 100, bei 5V von Basis nach Emitter wären 1000mA Kollektor-Emitterstrom entsprechend bei etwa 10mA über Basis-Emitter erreicht. Das multiplizieren wir mit dem Faktor 5 auf 50mA und kommen auf R = 5V / 50mA = 100 Ohm. Dabei ignorieren wir sowohl R3 als auch die ca. 0,7V, die typischerweise über die Basis-Emitter-Strecke abfallen – weil wir es in dem Fall können

Der Wert des Potentiometers R1 hat sich schlußendlich mehr durch probieren, als alles andere bestimmen. Man kann ihn anhand der typischen Verstärkung, der Spannung und des Datenblatts der LED ungefähr berechnen, aufgrund der großen Schwankungen in den Verstärkungsfaktoren würde ich aber eher zum probieren neigen. Immer unter der Prämisse wie hoch der Wert sein muss, damit in der niedrigsten Dimmung bei geringster Vergrößerung und komplett offenen Blenden die Augen heil bleiben. Wer gerne mehr rechnet sei an dieser Stelle auf den bipolaren Transistor als Konstantspannungsquelle (Emitterfolger) oder andere bewährte Schaltungen verwiesen.

So viel zur elektrotechnischen Theorie – und nun hands on mit Bildern.

So sieht das Wilomed von innen aus – im Original:



Es empfiehlt sich erstmal die Netzbuchse rauszunehmen, um den Fuß vom Rest des Stativs durch Lösen der zwei großen Innensechskantschrauben zu trennen. So wird die Optik beim Bastelvorhaben weitestgehend in Sicherheit gebracht.
Daraufhin kann man eigentlich nur sagen: Alles muss raus! Beim Potentiometer lässt sich der Drehknopf mit ein bisschen Gewalt nach oben hin abziehen, dann kommt eine Mutter zum vorschein. Diese muss für den Ausbau gelöst werden – die meisten werden kein Werkzeug haben, was in die Versenkung passt... Es ist aber möglich diese Mutter – und jetzt ducke ich mich mal vorsichtshalber – mit Hilfe eines Schlitzschraubendrehers und beherzten Hammerschlägen auf dessen Griff zu lösen.

Wenn alles raus ist, dann gilt es daran den Kühlkörper für die Fassung anzupassen. Auch hier muss ich mich vorsichtshalber ducken, denn ich habe es schlicht und einfach mit dem Dremel gemacht und später an geeigneter Stelle ein Gewinde für eine Befestigungsschraube geschnitten. Wenn man sich die Aufnahme für die Halogenlampe anschaut, scheint diese auf eine Mattscheibe, die wohl als Diffusor wirkt... Ich ging also davon aus, dass es ausreichend ist die LED ungefähr in der Mitte zu platzieren – ohne Zentriervorrichtung. Das experimentelle Ergebniss bestätigte die Annahme.



Wichtig war es die Aussparungen tief genug zu dremeln um einen Einschluss in der Fußabdeckung zu erreichen (der Kühlkörper passt von der Höhe her nur relativ eng in den Fuß).

Die 230V Netzspannung wurden über den dafür geeigneten zweipoligen Schalter im Poti an das geöffnete Schaltnetzteil (auch dies passte ohne die Öffnung des Gehäuses nicht in den Fuß) geschaltet. Für die Befestigung der Platine eignet sich die Nutzung einer Schraube und eines Gewindedoms. Zwar ist der Fuß aus Plastik, aber der Dom hat ein innenliegendes Metallgewinde – um an dieser Stelle eine Sicherheit vor Kurzschluss zu erreichen verwendete ich eine der Original Gummischeiben wieder:



Dann musste noch die Feinsicherung getauscht werden. Original ist eine T 200mA verbaut. Das verwendete Schaltnetzteil ist auf 300mA spezifiziert (wer an dieser Stelle die Frage aufwirft, wieso eine energiesparende LED-Beleuchtung netzseitig mehr Strom braucht, als die alte Lösung, sei an dieser Stelle auf das Kokossnuss-Vieh verwiesen).

Nun das ganze noch mit ein bisschen Klebesockeln, Kabelbindern und Heisskleber stabilisiert und fertig ist der Wilomed-Fuß mit moderner Elektronik:



Der Aufbau ist noch ein gewisses Provisorium, da noch eine Buchse für eine externe Spannungsquelle und ein entsprechender Umschalter innerhalb der nächsten Zeit geplant sind. Die Leitungen werden dann entsprechend fest verlegt und die Befestigung des Schaltnetzteils noch einmal überdacht (diese ist keineswegs optimal, wenngleich aufgrund der Kunststoffabdeckung des Wilomed keine direkte Gefährdung durch Stromschlag besteht ist es empfehlenswert das Netzteil gesondert zu isolieren!).

Zuletzt ein Bild in Aktion



So dann, dies ist als Anregung zu verstehen und soll keineswegs den einzig wirklichen Weg darstellen (den es überhaupt nicht gibt) - und gleichzeitig auch vielleicht ein Stück der Angst vor den großen Hürden nehmen.

Herzliche Grüße,
WM.

[the_playstation]

Hallo Wilfred,
sieht doch ganz gut aus.
Die Schaltung ist ja recht ähnlich wie meine.
Es fehlt nur der Basis-Emiter-Wiederstand und der Transistor ist kein Darlington-Transistor.
Gefällt mir.

Liebe Grüße Jorrit.

[Wilfred Mott]

Hallo Jorrit,

danke für die Blumen

Es fehlt nur der Basis-Emiter-Wiederstand und der Transistor ist kein Darlington-Transistor.

Ein Darlington-Transistor wäre in dieser Schaltungsart nicht zweckmäßig, da ja so gesehen der Verstärkungsfaktor des Transistors zur Strombegrenzung benutzt wird. Mit einer typischen Verstärkung von 100 ist das noch ganz gut handlebar, bei den 10.000 eines Darlington hat man größere Probleme bei Nutzung eines normalen Potis ;-)
Eigentlich ist es auch nüchtern betrachtet sinniger den Transistor als Konstantstromquelle zu schalten - wie bei Deiner Schaltung der Fall - ich habe nur eine gewisse Vorliebe für die klassische Verstärkerschaltung die jeglichen Argumenten nicht zugänglich ist ;-)

Herzliche Grüße,
WM.

[the_playstation]

Hallo Wilfred,
Ich meinte nur den den Unterschied.
In deiner Schaltung paßt Alles.

Liebe Grüße Jorrit.