Solar Garten- oder Tischleuchte, LED

Dieses Gadget eignet sich nicht nur für gemütliche Abende am Balkon oder Terrasse, sondern kann auf für eine indirekte Beleuchtung im Wohnbereich genutzt werden. Diese Leuchte verfügt über eine Lithium-Ionen Zelle, welche vier LEDs versorgt. Diese beginnen zum Leuchten, sobald der Reedschalter betätigt wird. Ein Magnet im Gehäuse kann durch Drehen so positioniert werden, dass dieser Schalter betätigt wird. Die Lithium-Ionen Zelle kann über die verbaute Solarzelle oder mittels USB-Port geladen werden. Ein Batteriemanagement IC sorgt dafür, dass die Lithium-Ionen Zelle innerhalb ihrer Betriebsgrenzen betrieben wird. Das heißt konkret, dass die Zelle vor dem Überladen oder Tiefenentladen geschützt wird.
Die Leuchte besteht aus vier Hauptkomponenten: einem Glas, einer Platine, einer Solarzelle und einem 3D gedrucktem Gehäuse. Bei dem Glas handelt sich um ein Schraubglas mit einem Durchmesser von etwa 85mm. Diese fallen bei uns im Haushalt aufgrund von Joghurtgläsern von Hofer (=Lebensmittelgeschäft) an.

Achtung! Bei diesem Projekt kommen Lithium-Ionen Zellen zum Einsatz. Nachbau auf eigene Gefahr. Nur weil es bei mir funktioniert, muss dies nicht bei euch der Fall sein.

Schaltungsdesign

Die Schaltung besteht im wesentlichen aus folgenden fünf Punkten:

• TP4056 – IC zum Laden der Lithium-Ionen Zelle
• LC05111C02MTTTG – Batteriemanagement IC
• Reedschalter – Aktivieren der LEDs
• LEDs – 4 Stück als Lichtquelle
• LED – 1 Stück rot, geringe State of Charge (SoC) Indikation

TP4056 – IC zum Laden der Lithium-Ionen Zelle

Bei diesem IC handelt es sich um einen constant-current/constant-voltage Laderegler, welcher für einzelne Lithium-Ionen Zellen ausgelegt ist. Der Ladestrom kann durch einen externen Widerstand eingestellt werden, der bis zu 1000mA betragen kann (siehe R7). Die Ladeschlussspannung ist auf 4.2 Volt fix eingestellt. Zusätzlich können zwei LEDs angesteuert werden, umso den Ladezustand anzuzeigen. Dabei habe ich eine LED in der Farbe rot gewählt, welche signalisiert, dass geladen wird (siehe D3). Die zweite LED habe ich grün gewählt, welche anzeigt, dass das Laden beendet wurde (siehe D4).

Die Lithium-Ionen Zelle kann in meinem Fall über zwei Quellen geladen werden, einmal über einen Micro USB-Port (siehe J1) und weiters über eine Solarzelle, welche über zwei Pads angelötet wird (siehe TP1 und TP2). Zusätzlich habe ich die Solarzelle mit einer Schottky Diode (siehe D2) gegenüber den USB-Port entkoppelt, damit diese nicht zur Stromsenke werden kann.
Laut Datenblatt des TP4056 stoppt dieser das Laden, sobald der Ladestrom auf 1/10 des eingestellten Ladestrom fällt. Würde nun an der Lithium-Ionen Zelle ein Verbraucher hängen, in meinem Fall die LEDs, so wird der Ladestrom nicht unter diesen Wert fallen und das Laden würde nie beendet werden. Um dem entgegen zu wirken, wird der TP4056 deaktiviert, so bald die LEDs eingeschaltet werden. Dabei wird der Transistor Q2 angesteuert, sobald der Reedschalter SW1 geschlossen wird. Q2 zieht das Potential auf GND und der Pin CE ist somit LOW.

LC05111C02MTTTG – Batteriemanagement IC

Die wichtigste Komponente in diesem Projekt ist meiner Meinung nach der Batteriemanagement IC LC05111C02MTTG. Ich habe mich für diese Ausführung entschieden, da diese am besten zu meiner verwendeten Lithium-Ionen Zelle, SON 14500 VR2, passt. Die Zelle wird von der restlichen Schaltung abgetrennt, wenn eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist und schützt somit vor Beschädigungen an sich selbst oder/und seiner Umwelt:

• Zellenspannung kleiner 2.7V
• Zelle mit Spannung größer 4.28V versorgt
• ein Überstrom entsteht, entweder beim Laden (>3.5A), beim Entladen (>6A) oder Kurzschluss (>21.A)

Die Beschaltung erfolgt in meinem Fall wie folgt:

Reedschalter – Aktivieren der LEDs

Mittels Reedschalter wird der Transistor Q1 angesteuert, welcher wiederum die vier LEDs ansteuert. Man hätte sich auch den Transistor Q1 sparen können und die LEDs gleich direkt ansteuern können. Jedoch können manche Reedschalter nur wenig Strom schalten. Möchte man die LEDs heller leuchten lassen, indem man die Vorwiderstände R9, R10, R12 und R13 kleiner auslegt, kann es schon sein, dass die Schaltleistung des Reedschalters überschritten wird.

LED – 1 Stück rot, geringe State of Charge (SoC) Indikation

Als optionalen Schaltungsteil würde ich die geringe State of Charge Indikation mittels roter LED bezeichnen. Hierfür habe ich einen Komparator LM393 verwendet, welcher am negativen Eingang eine Referenzspannung von 2.4V sieht. Am positiven Eingang liegt die Spannung des Spannungsteiler aus R4 und R5 an. Fällt die Spannung der Lithium-Ionen Zelle unter ca. 3.1V wird die LED D5 aktiviert. Ab diesem Zeitpunkt ist die Spannung am positiven Eingang kleiner als an dem negativen Eingang.
Diese zusätzlich rot leuchtende LED signalisiert dem Benutzer, dass die Energie der Zelle bald erschöpft ist und ein Aufladen sinnvoll ist. Dieser Schaltungsteil ist aber nur aktiviert, wenn der Reedschalter geschlossen ist.

3D Druck und Zusammenbau

Für dieses Projekt werden 5 Komponenten aus dem 3D Drucker benötigt.

Es werden zwei Abstandshalter benötigt. Einmal um die Solarzelle auf dem PCB zu befestigen (siehe unterhalb linkes Bild) und einmal damit das PCB sauber am Glasrand aufliegt (siehe unterhalb rechtes Bild). Eine Aussparung für die USB-Buchse wurde gemacht. Ziel ist es, dass die Bauteile keinen direkten Kontakt mit etwas anderes haben. Befestigt werden diese Teile am PCB mittels Heißklebepistole.

In diesem Fall habe ich einen rechteckigen Magneten eingesetzt (17.5mm x 12.5mm x 4mm). Dieser wird in den Halter eingeklebt. Dies gelingt am besten mit einem Tropfen Sekundenkleber. Danach wird der Magnet samt Halter in die Nut des Deckel-Aufsatz fixiert, wieder mit einem Tropfen Sekundenkleber. In den Design Daten, welche weiter unten zum Download bereit stehen, habe ich auch 3D-Daten für einen runden Magneten (6mm x 2mm) angehängt.
Der Deckel kann nun samt PCB verschraubt werden (siehe Bild unterhalb). Wie auf dem Bild zu sehen ist, hat der Deckel auf der Außenseite ein weiteres Gewinde. Der Deckel-Aufsatz wird auf den Deckel geschraubt. Das Gewinde geht nicht bis zum Schluss, somit fällt der Deckel-Aufsatz nach ein bis zwei Umdrehungen herunter und dreht durch. Somit wird ermöglicht, dass durch Drehen der Magnet zum Reedschalter gelangt und diesen auslöst, aber der Deckel-Aufsatz nicht verloren geht. Die Position des Reedschalter ist durch eine kleine Einkerbung gekennzeichnet.

BOM

Die Bill of Materials setzt sich in diesem Projekt aus folgendem Punkten zusammen:

• BOM PCB (siehe unten für Download)
• Solarzelle mit Durchmesser 67mm, LINK
• Reedschalter MKA14103, LINK
• Batterie Halter, LINK
• Lithium-Ionen Zelle, LINK
• Schraubglas mit Durchmesser 85mm, Joghurtglas von Hofer (Lebensmittelgeschäft, Pendant zu Aldi)
• 3D Druckteile (siehe unten für Download)
• runder Magnet 6mm x 2mm, Affiliate LINK oder rechteckiger Magnet 17.5mm x 12.5mm x 4mm

Design Daten

Die Stückliste zum PCB ist unter folgendem Link zu finden:

Der Download 3D Druck Komponenten ist unter nachfolgenden Links möglich.
Folgende Daten sind für einen rechteckigen Magneten mit 17.5mm x 12.5mm x 4mm ausgelegt:

Folgende Daten sind für einen runden Magneten mit 6mm x 2mm ausgelegt:

Die Schematic zum PCB ist unter folgendem Link zu finden:

Die Gerber Daten des PCB sind unter folgendem Link zu finden: