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Die Hauptaufgabe des Kerzen-Simulators ist es, das warme, etwas bewegte Licht einer Kerze elektronisch nachzubilden. Es ist jedoch unübersehbar, dass ohne weiteren Aufwand (“All Inclusive”) noch weitere Möglichkeiten des Licht-Charakters automatisch mitgebracht werden.
Die wichtigsten Eigenschaften:
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☼ Batteriebetrieb
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z.B. 4 Mignonzellen
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☼ Lichtquelle
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Ultrahelle RGB-LED mit Lichtleiter in Flammenform
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☼ Farbdarstellung
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268 Millionen Farben
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☼ Abmessungen
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z.B. 17 cm hoch, 3,6 cm Durchmesser
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☼ Funktionen
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16 umschaltbare Betriebsarten
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☼ Versorgungsspannung
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4,0 V ... 5,5 V
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☼ Stromaufnahme
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25 mA ... 40 mA, je nach Betriebsart
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☼ Brenndauer
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mehr als 50 Stunden mit 4 Mignonzellen
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☼ Elektronikleiterplatte
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24 mm x 28 mm (Breite x Höhe), zweiseitig SMD
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☼ Ein/Aus-Schalter
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Schiebeschalter
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☼ Ladebuchse
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DC-Buchse mit 1,1 mm Stiftdurchmesser
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☼ Gehäuse
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individuelles Erscheinungsbild durch austauschbare Hülle
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Aufbau E-Candle 504 Mignon:
Das Herz der elektronischen Kerze ist eine Elektronik- Leiterplatte mit einem Atmel-Microcontroller ATmege8L , der die RGB-LED über einen Stromtreiber steuert. Die RGB-LED ist eine dreifarbige Leuchtdiode, bei der praktisch drei unabhängige Leuchtdioden mit den Farben Rot, Grün und Blau in einem Gehäuse integriert sind. Durch eine additive Farbmischung lässt sich aus den drei Grundfarben - wie beim Farbfernseher - jede erdenkliche Farbe mischen.
Die Leuchtdiode strahlt das Licht durch einen Lichtleiter aus Acryl-Glas XT, dessen wesentliche Aufgabe es ist, die einzelnen Farben zu mischen und über seine ganze Fläche diffus zu verteilen. Damit die Lichtquelle aus einiger Entfernung an eine Kerzenflamme erinnert, hat er die Form einer Flamme.
Ohne diesen Diffusor geht es nicht. Die drei Farben der Leuchtdiode werden real nicht punktförmig, sondern unidealerweise und sichtbar in drei Punkten erzeugt. Außerdem ist der Abstrahlwinkel der LED sehr schmal und damit das Licht stark gebündelt. Mit dem Diffusor erscheint die Flamme aus jeder Blickrichtung (360 °) gleichmäßig hell.
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Bei diesem Modell erfolgt die Stromversorgung über einen Akkusatz aus 4 Mignonzellen. Die aktuelle Nennkapazität liegt bei 2700 mAh (gemessen: 2200 mAh). Damit brennt die Kerze mehr als 50 Stunden, was eine brauchbare Brenndauer darstellt.
Der Sockel am Fuß der Kerze, ermöglicht einen festen Stand und bietet Platz zur Aufnahme des Ein/Aus-Schalters und der Ladebuchse. Er besitzt für eine Kerze mit 4 Mignonzellen einen Durchmesser von 36 mm.
Für ein etwas schlankeres Modell mit einem Akkusatz aus 4 Microzellen hat der Sockel einen Durchmesser von 30 mm. Nennkapazität: 1000 mAh, gemessen 840 mAh, Brenndauer: mehr als 18 Stunden.
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Aufbau E-Candle 502 Mignon:
Ein etwas einfacherer Aufbau wird mit dem Typ Candle 502 erzielt. Der aufwendige Sockel und das Zusammenkleben der Akkuzellen entfallen. Dafür besitzt Candle 502 keinen Schalter und keine Ladebuchse.
Die Akkuzellen werden von einem Akkuhalter gehalten.
Die Elektronikleiterplatte wird mit zwei Drähten an einen Batterieclip gelötet und dieser auf den Akkuhalter aufgesteckt. Diese Verbindung ersetzt den Schalter.
Zum Laden der Akkus können diese aus dem Halter genommen werden, oder der Halter gegen einen zweiten Akkusatz ausgetauscht werden.
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Elektronik:
Die gesamte Elektronik findet auf einer 24 mm x 28 mm großen Leiterplatte Platz. Sie ist zweiseitig mit SMD-Bauelementen bestückt.
Das Herz der Elektronik ist ein Atmel- Microcontroller ATmege8L . Er bietet drei Hardware-PWM-Generatoren, die für eine hohe Farbauflösung und hohe Ausgabefrequenz wichtig sind.
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Mit den drei PWM-Signalen (aktiv-low) werden die Ausgangstreiber angesteuert, welche die Ströme für die RGB-LED zur Verfügung stellen. Die Ausgangstreiber sind als Stromquellen ausgeführt, was gegenüber einfachen Schalttransistoren mit Vorwiderstand folgende Vorteile bieten:
Der LED-Strom, zu dem die Helligkeit proportional ist, ist unabhängig von den stark unterschiedlichen Schwellspannungen der drei Einzel-LEDs und unabhäbgig von der Versorgungsspannung. Somit sind Farben und Helligkeit konstant, während die Akku- Spannung mit fortschreitender Akku-Entleerung von 5,7 V auf 4,0 V absinkt.
Bei einer Akkuspannung von weniger als 4,0 V schaltet die BrownOut-Überwachung des Microcontrollers die Ausgangsstufe ab.
Mit dem DIP-Schalter S1 kann zwischen 16 unabhängigen Betriebsarten umgeschaltet werden. Die vier PullUp-Widerstände der einzelnen Schalter befinden sich im Microcontroller.
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Der Steckverbinder X1 hat verschiedene Funktionen:
1. In-Circuit-Programmierung über einen kleinen Programmier-Adapter und z.B. das Freewaretool Pony-Prog. Die Versorgungsspannung des Adapters wird über X1 zur Verfügung gestellt, während die Elektronik aus dem Kerzen-Akku versorgt wird.
2. Serielle Schnittstelle über einen CMOS/RS232-Umsetzer zu einem PC. Über ein Konfigurations-Tool können Farbabgleiche durchgeführt und spezielle Funktionen ausgeführt werden.
3. Zur Zuführung der Versorgungsspannung oder zum Laden des Akkus sollte X1 möglichst nicht verwendet werden. Wer dies dennoch tun möchte, sollte sich optional eine parallele Verpolschutz-Diode 1N4004 o.ä. in Sperrrichtung über die Versorgungsspannung auf die Leiterplatte löten. X1 ist nicht verpolgeschützt. Ein Verpolen der Versorgungsspannung muss auf jeden Fall vermieden werden.
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Software:
Die Möglichkeiten, die man durch die Programmierung des Kerzen-Simulators hat sind grenzenlos.
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In dem 8 kByte großen Programmspeicher lassen sich, am besten mit einemC-Compiler programmiert, eine große Menge von Farbspielen unterbringen.
Immerhin 16 davon lassen sich über den DIP-Schalter auswählen.
Das aktuelle Programm umfasst folgende Funktionen:
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Nr
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Schalter
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Name
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Funktion
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0
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Warm_Flame_Calm
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200 zufällig wechselnde Farbtöne zwischen Gelb und Orange.
Leichtes Flackern wie eine Kerze im ruhigen Raum. Zyklus 5 s.
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1
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Warm_Flame_Rush
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200 zufällig wechselnde Farbtöne zwischen Gelb und Orange.
Unruhiges Flackern wie ein Teelicht im Glas. Zyklus 5 s.
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2
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Cool_Flame_Calm
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900 zufällig wechselnde Farbtöne zwischen Blau und Grün.
Leichtes Flackern wie eine Kerze im ruhigen Raum. Zyklus 5 s.
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3
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Cool_Flame_Rush
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900 zufällig wechselnde Farbtöne zwischen Blau und Grün.
Unruhiges Flackern wie ein Teelicht im Glas. Zyklus 5 s.
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4
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Lila_Flame_Calm
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900 zufällig wechselnde Farbtöne zwischen Blau und Rot.
Leichtes Flackern wie eine Kerze im ruhigen Raum. Zyklus 5 s.
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5
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Lila_Flame_Rush
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900 zufällig wechselnde Farbtöne zwischen Blau und Rot.
Unruhiges Flackern wie ein Teelicht im Glas. Zyklus 5 s.
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6
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Random_10-Colors
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10 satte Farben aus einer Tabelle wechseln zufällig, und gehen sanft ineinander über. Ruhiges Lichtspiel. Zyklus 30 s.
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7
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Random_10-Colors_Rush
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10 satte Farben aus einer Tabelle wechseln zufällig, und gehen sanft ineinander über. Von Flackern überlagert. 30 s.
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8
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Random_1000-Colors
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1000 Farben aus einer Tabelle wechseln zufällig, und gehen sanft ineinander über. Ruhiges Lichtspiel. Zyklus 30 s.
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9
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Random_1000-Colors_Rush
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1000 Farben aus einer Tabelle wechseln zufällig, und gehen sanft ineinander über. Von Flackern überlagert. Zyklus 30 s.
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10
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Cosinus_10-Colors
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10 satte Farben wechseln zufällig mit einem Zyklus von 2 Sekunden und schwellen sanft auf und wieder ab.
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11
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Cosinus_1000-Colors
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1000 Farben wechseln zufällig mit einem Zyklus von 2 Sekunden und schwellen sanft auf und wieder ab.
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12
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Blink_10-Colors
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Blinklicht aus 10 satten, zufällig wechselnden Farben mit einem Zyklus von 300 ms. 100 ms ein, 200 ms aus.
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Blink_1000-Colors
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Blinklicht aus 1000 zufällig wechselnden Farben mit einem Zyklus von 300 ms. 100 ms ein, 200 ms aus.
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14
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Random_Flash_Slow
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Lichtblitze aus 10 satten Farben in unregelmäßiger Art.
Etwas langsamerer Ablauf.
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15
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Random_Flash_Fast
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Lichtblitze aus 10 satten Farben in unregelmäßiger Art.
Schneller Ablauf. --- Echt nervig, das Gegenteil einer Kerze.
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Farbtöne:
Je mehr, desto besser ? --- Ja und nein.
268 Millionen Farben ist - wie bei Grafikkarten - ein theoretischer Wert, der sich aus der Auflösung der drei Einzelfarben Rot, Grün und Blau und deren Anzahl (3) ergibt.
Die Elektronik des Kerzen-Simulators kann diese Farben tatsächlich auch alle erzeugen, die Software des Kerzen-Simulators benötigt jedoch nur einen Teil davon, da viele für diesen Zweck uninteressant sind. Möglichst viele Farben werden gebraucht, um langsame Verläufe von einer satten Farbe (z.B. Violett) in eine andere satte Farbe (z.B. Gelb) durchzuführen.
10 satte Farben oder 1000 Farben:
Was alle Betriebsarten gemeinsam haben ist, dass zyklisch eine Grundfarbe wechselt. Wenn diese Grundfarbe aus einer Tabelle mit nur 10 Farben ausgewählt wird, sind dieses sehr satte und eindeutige Farben wie Weiß, Rot, Grün, Blau, Gelb, Orange, Pink, Lila, Türkis und Grau. Diese Grundfarben können (je nach Betriebsart) etwas flackern, ändern also mit einem zufälligen Muster (Rauschen einer bestimmten Bandbreite) ihre Helligkeit und gehen dann fließend in die nächste Grundfarbe über.
Wenn die Grundfarben des Lichtspiels aus einer Tabelle mit 1000 Farben ausgewählt werden, stehen zwar mehr Farben zur Verfügung, diese sind aber nicht so satt. Da gibt es dann Farben wie Blass-Blau, Blass-Blau mit einem kleinen Rot-Stich, Blass-Blau mit etwas mehr Rot, Grünliches Gelb, Etwas Grüneres Gelb, Dunkel-Grau mit einem kleinen Blau-Stich, u.s.w.
Es sind auch sattere Farben darunter, jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine satte Farbe ausgewählt wird, recht klein und eine satte Farbe kommt daher nicht so oft vor.
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Bauanleitung E-Candle 504 Mignon:
Elektronik-Baugruppe
Die elektronischen Bauelemente werden in folgender Reihenfolge auf die Leiterplatte gelötet:
1. BOT-Seite: Transistoren, Widerstände, Kondensatoren
2. TOP-Seite: IC, Kondensatoren
3. BOT-Seite: Schalter, Stiftleiste
4. TOP-Seite: LED
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Lichtleiter
Der Lichtleiter besteht aus einem Stück Acryl Glas XT Rundstab mit 10 mm Durchmesser. Er wird in eine waagerecht befestigte Bohrmaschine gespannt und mit einer Feile in Form gebracht.
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1. Ein 60 mm langes Stück vom Rundstab absägen.
2. Das Stück in das Bohrfutter einspannen, 40 mm bleiben frei.
3. Mit einer groben Flachfeile die Flammenspitze, dann die Dünnstelle bearbeiten.
4. Die dünne Stelle ist 30 mm bis 35 mm von der Spitze entfernt.
5. Die Form mit einer feinen Feile nacharbeiten und mit 150er Sandpapier
fein schleifen.
6. Die Flamme in Schutzbacken in einen Schraubstock spannen und 12 mm,
von der dünnen Stelle aus gemessen, absägen.
7. Bohrung zur Aufnahme der LED einbringen, D = 5 mm, 8 mm tief.
8. Bohrung als Docht-Immitation einbringen, D = 1 mm bis 1,5 mm.
9. Mit einem Stück Schrumpfschlauch wird unsauberes Licht abgeschirmt.
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Akku
Es werden 4 Mignon-Zellen, Nickel-Metall-Hydrid,
in Reihe geschaltet.
1. Die Zellen mit Spiritus reinigen.
2. Jeweils zwei Zellen gegensinnig nebeneinander
legen und mit Sekundenkleber zusammen kleben.
3. Die beiden Paare rechtwinkelig zu einem 4er-Block
zusammen kleben.
4. Mit drei Drahtbrücken, wie im Bild, die
Reihenschaltung herstellen.
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Sockel
Der Sockel wird aus einer 12 mm dicken Hartfaserplatte hergestellt.
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1.
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Runde Scheibe mit 36 mm Durchmesser mit einer Lochsäge aussägen. Das Innenloch hat einen Durchmesser von 6 mm.
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2.
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Ausfräsung für den Schalter mit einem 6 mm-Fräser nach Zeichnung durchführen.
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3.
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Bohrung für die Buchse mit einem 8 mm-Bohrer einbringen.
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4.
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Die vier farbigen Litzen an Schalter und Buchse anlöten.
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5.
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Litzen in den Sockel einführen
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6.
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Gelbe Litze an Buchse anlöten.
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7.
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Schalter und Buchse in den Sockel einführen und mit Klebeband fixieren. Beim Schalter die gelben Litzen nach rechts, bei der Buchse die Litzen nach unten anordnen.
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8.
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Die Bohrung in der Unterseite des Sockels mit einem Streifen Klebeband abdichten und den Sockel durch die obere Bohrung mit Zweikomponentenkleber füllen. Nur so viel Kleber verwenden, dass Schalter und Buchse gut benetzt sind. Nicht soviel, dass der Schieber des Schalters verklebt. Mit einem kleinen Schraubendreher den Kleber im Innenraum des Sockels verteilen.
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Akku auf Sockel
Der Akku wird mit Heißkleber, mit den beiden freien Kontakten nach oben, auf den Sockel geklebt. Der Akku muss dabei genau mittig auf dem Sockel stehen und rechtwinklig nach oben ausgerichtet werden. Die schwarze und die rote Litze werden später mit der Elektronik verbunden und ragen daher seitlich heraus. Die gelbe und die blaue Litze werden später mit dem Akku verbunden und ragen nach oben heraus.
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Zwei starre Kupferleitungen mit
1,5 mm² Querschnitt und 60 mm Länge werden unten 5 mm und oben 12 mm abisoliert und am unteren Ende mit der roten und der schwarzen Litze verlötet.
Die beiden Leitungen werden seitlich an den Akkupack geklebt.
Die Elektronik-Leiterplatte wird an die oberen Enden der zuvor verzinnten Kupferleitungen angelötet.
Die Leitungen werden auf die TOP-Seite gelötet.
>>> Polung beachten!
Die Leitung, die mit der roten Litze verbunden ist, führt den Pluspol und wird mit der mit “+” markierten Fläche der Leiterplatte verlötet.
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Hülle
Als Hülle wird ein Stück Papier zu einer Röhre verklebt und am oberen Ende mit einer Papierscheibe als Abschluss versehen.
Die Papierscheibe erhält ein Loch mit einem Durchmesser von 10 mm.
Der Innendurchmesser der Röhre entspricht dem Außendurchmesser des Sockels.
Die Röhre ist so lang, dass die Papierscheibe oben bis zu der dünnen Stelle des Lichtleiters reicht, dies sind etwa 120 mm.
Siehe Bild ganz oben.
Für Schalter und Ladebuchse werden kleine Ausschnitte in die Röhre geschnitten.
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Zur Erstellung einer individuellen Hülle gibt es kaum Grenzen. Bedrucktes Photopapier eignet sich schon ganz gut.
Eine Hülle aus einem etwas kräftigeren Karton, der später in Wachs getaucht wird, ist auch eine gute Idee.
Im Bastelgeschäft stehen viele weitere Materialien wie Schmuck-Karton, Wellpappe und Moosgummi zur Verfügung. Lasst euch etwas einfallen!
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Programmieren:
Programmierschnittstelle
Der verwendete Micro Controller ATmega8L von ATMEL ist ein 8-bit Micro Controller mit einem 8 kByte großen In-System programmierbaren Flash Programmspeicher.
Über die 8-polige Stiftleiste auf der Candle-Leiterplatte kann der Controller neu programmiert werden.
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Um die Kerze an die serielle RS232-Schnittstelle eines PC anschließen zu können, wird noch ein einfacher RS232/CMOS Umsetzer benötigt (z.B. AVR-PG1B von Olimex). Hier wird die Hardware der asynchronen RS232-Schnittstelle verwendet, um die synchrone SPI-Programmierschnittstelle des Micro- Controllers zu betreiben. Das Protokoll erledigt die PC-Software.
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Tools
Um die Hardware des Kerzensimulators mit Leben zu füllen, ist auch eine Portion Software notwendig. Diese schreibt man zweckmäßigerweise in einer Hochsprache wie “C”.
Normalerweise verwende ich den CodeVision AVR C-Compiler in Verbindung mit dem Atmel AVR Studio 4 sowie ein Olimex JTAG-Interface.
In diesem Fall (der ATmega8L besitzt kein JTAG-Interface) verwende ich den CodeVision AVR C-Compiler in Verbindung mit dem Programmiertool PonyProg von Claudio Lanconelli, sowie ein AVR-PG1B ähnliches Programmier-Interface. Der Schaltplan zeigt das Programmier- Interface und dessen Anschluss an PC und Kerzen-Elektronik.
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Akku laden:
Ladebuchse
Im praktischen Gebrauch zeigt sich, dass die Ladebuchse in der etwas aufwendigeren Ausführung Candle 504 einen wesentlichen Gebrauchswert darstellt. Man kann die Kerze an ein Ladegerät anschließen ohne die Hülle abnehmen zu müssen.
Akkus
Eine gute Wahl sind Nickel-Metall-Hydrid-Akkus. Sie sind preiswert, bieten eine hohe Kapazität und sind einfach zu laden. Sie ermöglichen eine große Anzahl von Ladevorgängen und sind verträglicher zu entsorgen als andere Akkutypen.
Die aktuelle Nennkapazität liegt zur Zeit bei 2400 mAh bis 2800 mAh, wobei diese Angaben sehr großzügig bemessen sind. Erfahrungsgemäß sind die tatsächlich erreichbaren Kapazitäten etwas kleiner. Mit einem guten Ladegerät, das nicht nur den Ladevorgang selbstständig beendet, sondern auch in der Lage ist den Akku richtig voll zu laden, erreicht man bei neuen Zellen nach drei bis fünf Ladevorgängen etwa 70 % bis 80 % der Nennkapazität.
Randbedingungen beim Laden
Um eine lange Lebensdauer des Akkus, also eine hohe Anzahl von Ladezyklen mit großen Kapazitätswerten zu erzielen, sollten zwei Punkte besonders beachtet werden:
1. Den Akku nicht tiefentladen. Wenn die Spannung des Akkupacks auf 4,0 Volt abgesunken ist (also 1 Volt pro Zelle), gilt der Akku als leer. Der Microcontroller des Kerzensimulators schaltet dann die LED aus.
Wenn sich hiernach der Akku etwas erholt und seine Spannung steigt und 4,1 Volt erreicht, schaltet der Microcontroller die LED wieder ein, und bei absinken auf 4,0 Volt wieder aus, usw. Diesen Zustand erkennt man daran, dass immer wieder die Startanzeige läuft.
Um den Akku vor Tiefentladung zu schützen, sollte die Kerze jetzt ausgeschaltet werden, denn auch wenn der Microcontroller die LED ausgeschaltet hat, nimmt er noch einen kleinen Strom auf.
2. Den Akku nicht überladen. Dass der Akku voll ist, erkennt ein intelligenter Akkulader an der Strom-Spannungs-Charakteristik über der Zeit. Der Ladevorgang wird hier beendet.
Wird der Akku jetzt weitergeladen, kann er die zugeführte Energie nicht weiter speichern sondern setzt sie in Wärme um. Dadurch steigt die Temperatur der Akkuzelle, wodurch der Innendruck steigt und die Zelle beschädigt wird. Eine Beschädigung bedeutet im günstigsten Fall ein Verlust an Akku-Kapazität, also der Fähigkeit Energie zu speichern.
Der Ladevorgang ist zu beenden, sobald die Zellentemperatur auch nur leicht zunimmt.
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Ladeverfahren
Es gibt mehrere Möglichkeiten den Akku wieder zu füllen. Die beste ist ein intelligentes Ladegerät, bei dem die Kapazität und der Ladestrom eingestellt werden können. Dieses lädt dann den Akku mit einem hohen Ladestrom recht schnell, und beendet den Ladevorgang, wenn der Akku voll ist. Mit einem Ladestrom von 1 Ampere ist der Akku in ca. 2 Stunden wieder voll.
Eine preiswerte Lösung eines Ladegerätes ist ein Steckernetzteil, mit einstellbarer Spannung.
Ein 300 mA Typ liefert bei der Einstellung auf 4,5 Volt etwa 200 mA, wobei der Akku nach ca. 10 Stunden voll ist. Der Ladevorgang sollte nach dieser Zeit beendet werden um den Akku nicht zu überladen.
Die Einstellungen auf 6 Volt liefert etwa 400 mA und beinhaltet das Risiko, das manuelle Beenden des Ladevorgangs nach etwa 5 Stunden zu vergessen und den Akku zu überladen und dadurch zu beschädigen.
Die Einstellung von 7,5 Volt und mehr überlastet das Steckernetzteil und kann zu dessen Überhitzung und dauerhafter Beschädigung (Ausfall der Temperatursicherung) führen.
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Eine weitere Möglichkeit den Akku zu laden ist die Verwendung eines Labornetzteils mit einstellbarer Strombegrenzung in Verwendung mit einem Temperaturschalter, der bei einer sehr kleinen Erwärmung des Akkus den Ladestrom abschaltet.
Eine einfache Schaltung hierzu zeigt das nebenstehende Schaltbild.
Beim Laden wird der Temperatursensor termisch mit dem Akku verbunden, also z.B. zwischen die vier Zellen geschoben. Sobald die Zellentemperatur 30 °C erreicht hat, schaltet der Temperaturschalter den Ladestrom ab.
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Auch wenn nach Abkühlung des Akkus um einige Grad der Ladestrom wieder eingeschaltet wird, kann die Temperatur des Akkus nicht über 30 °C steigen. Es ist zu berücksichtigen, dass sich der Akku auch im normalen Ladevogang etwas erwärmt. Das liegt daran, dass der Ladestrom am Innenwiderstand des Akkus eine gewisse Verlustleistung erzeugt, wobei der Ladestrom mit seinem Quadrat in die Verlustleistung eingeht (Pv = I² * R).
Wenn also der Temperaturschalter den Ladestrom ausschaltet, ohne dass der Akku ganz voll ist (also weit vor dem berechneten Ladeende), muss die Temperaturschwelle etwas erhöht, oder der Ladestrom etwas verringert werden.
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