Lichtblitze zu Weihnachten

Es blitzt und blinkt auf dem Campus der Hochschule Karlsruhe. „LED-Blitzer“ der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik (EIT) schmücken weihnachtlich einen großen Baum vor dem E-Gebäude. Manche davon hängen absichtlich so tief, dass man sie pflücken und mit nach Hause nehmen kann. Die Prototypen für die fingerlangen Platinen mit roter LED-Leuchte haben Studierende aus dem fünften Semester unter Anleitung von Professor Marc Ihle wetterfest verlötet und Strom sparend programmiert. Während der Praxissemesterwoche haben sich dabei über die Schulter schauen lassen.

Laptops und Lötkolben stehen griffbereit, der Schaltplan der Platine liegt ausgedruckt in der Mitte. Studierende tauschen sich aus, diskutieren. An den Gruppentischen herrscht gute Stimmung. Lange haben sich die Studierenden nicht gesehen, da alle jetzt im Praxissemester in unterschiedlichen Betrieben arbeiten. Ihre Aufgaben für die Projektwoche rufen sie auf der E-Learning Plattform „Ilias“ auf: Eine Schaltung soll eine LED wiederkehrend nach jeweils längerer Pause kurz aufblitzen lassen. Sie soll möglichst lange mit einer einzigen Knopfzelle betrieben werden können, muss also sehr energiesparend sein. Zudem soll sie auch im Freien und bei Nässe, funktionieren. „Die sparsamste Lösung bekommt einen kleinen Preis“, verspricht Professor Marc Ihle.

Dicke Lötspitzen und perlendes Zinn

Auf einem Rollwagen liegen die Bauteile bereit. In kleinen Kästchen sind sie säuberlich sortiert. Daneben liegen Zangen, Lupen und digitale Spannungsmessgeräte. Immer wieder kommen Studierende und suchen sich passendes Material. Sie überprüfen die kleinsten Bauteile, um sie richtig auf der Platine zu platzieren und zu verlöten. Dabei ist Fingerspitzengefühl gefragt. „Die Schottky-Diode ist widerspenstig“, erzählt Sadullah Zeyrek. Die Diode ist so groß wie ein schwarzes Mohnkorn, ihre Beschriftung nur mit der Lupe zu erkennen. Doch die feine Linie gibt an, in welcher Richtung sie eingebaut werden soll. „In einer Richtung sperrt sie, in der anderen Richtung fließt Strom“, so Zeyrek.

Ist die Polung geklärt, kann gelötet werden. „Die Lötspitzen sind zu groß, das Lötzinn zu dick, aber sonst ist es machbar“, spaßt Dominik Back, der seine Platine bereits erfolgreich bestückt hat. Die Beschaffenheit der Platine kommt den Studierenden zur Hilfe. „Im Prinzip sind diese Leiterplatten leicht zu löten, denn sie haben eine Beschichtung aus Lötstopplack. Ich kann das Lötzinn gar nicht danebentropfen. Es perlt ab, wie Wasser auf Wachs. Selbst bei der winzigsten Lötstelle, brauche ich mit dem Lötkolben nur in die Nähe kommen“, erklärt Professor Marc Ihle.

Über den Platinenrand geschaut

Es folgt kreative Denkarbeit: das Programmieren des Mikrocontrollers. „Wir hängen alle an der gleichen Stelle fest“, sagte Moritz Klein. Wir wissen noch nicht wie wir die Frequenzen einstellen sollen.“ Ein Handbuch mit 600 Seiten beschreibt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Mikrocontrollers. „Ich möchte den Studierenden die Scheu nehmen, selber etwas zu entwickeln“, erklärt Ihle. Die Studierenden sollen nicht nur das umsetzen, was er vorgibt, sondern eigene Ideen entwickeln. „Ich mag Schaltungen, bei den man etwas verändern kann“, so Ihle. Beim LED-Blitzer lässt sich zum Beispiel anpassen, ob die LED mal länger oder heller leuchtet.

„Nach außen wirkt das Projekt auf den ersten Blick trivial. Da wird einfach eine LED zum Blinken gebracht. Das kann man einfacher lösen. Bei diesem Projekt ist die Herausforderung das Ganze energiesparend zu programmieren. Es kommen Prinzipien zum Einsatz, die auch in anderen Fällen Verwendung finden, wie in einem Blitzgerät oder einem Handyladegerät. Die Mikrocontroller werden auch in elektrischen Zahnbürsten benutzt. Sie sind preiswert, brauchen wenig Strom und sind sehr flexibel.“

Alternative Leuchtrakete

Das „LED-Blitzer“-Projekt ist für Professor Ihle erst der Anfang. Seine Vision: „Ich möchte eine alternative Leuchtraketen für Sylvester entwickeln. Leuchtraketen verschmutzen die Umwelt und einmal abgefeuert ist das Zeug weg. Was ich mir vorstelle sind wiederverwendbare Raketen. Auch da nimmt man wieder LEDs. Die können heute sehr hell sein.“ Die Rakete will er mit einer Railgun elektromagnetisch beschleunigen und hochschießen. „Die Rakete wird mit einem Fallschirm ausgestattet und die LEDs mit Fäden befestigt“, skizziert Ihle und schmunzelt: „In diesem Sinne habe ich gedacht: Erst einmal klein anfangen.“

Informationen für Technikinteressierte, Stromlaufplan und Layout

Der LED-Blitzer nutzt die Energie der Batterie sehr effizient. Dabei wird aus der Batteriespannung von 3 Volt mit einem winzigen digitalen Schaltnetzteil (genauer: einem Hochsetzsteller) eine Spannung von bis zu 6 Volt erzeugt und mit dieser ein Kondensator befüllt.

Die im Kondensator gespeicherte Energie wird anschließend der Leuchtdiode zugeführt. Dazu verwenden wir ein zweites Schaltnetzteil (einen Tiefsetzsteller), mit der die Stromstärke der Leuchtdiode genau eingestellt wird.

Gesteuert wird das Ganze von einem sehr kleinen, stromsparenden Mikrocontroller von Texas Instruments. Dieser „schläft“ die meiste Zeit und benötigt dabei weniger als ein halbes Mikroampere Strom. Von Zeit zu Zeit lässt sich der Mikrocontroller von einem integrierten Wecker (Timer) aufwecken und steuert dann für kurze Zeit die beiden Schaltnetzteile an. Dann blitzt es kurz hell auf und der Mikrocontroller kann sich wieder schlafen legen.

Mitnehmen erlaubt

Die Platinen-Anhänger dürfen vom weihnachtlichen Baum ihren Weg ans nächste Schlüsselbund finden oder weiterverschenkt werden. „Wenn Sie auf die Pirsch gehen, um sich einen LED-Blitzer zu sichern, dann bitte nur ein Stück mitnehmen damit für die Anderen auch noch welche übrig bleiben. Dass Sie nicht auf die Bäume klettern oder die Äste abbrechen, versteht sich ja von selbst, oder?“, sagt Marc Ihle.

Hinweis zur Entsorgung

Wenn die Batterie im Frühjahr oder Sommer langsam schlapp macht, bitte diese als Sondermüll fachgerecht entsorgen. Leere Batterien gehören nicht in den Hausmüll.

Kontakt

Weitere Informationen zum „LED-Blitzer“ erhalten Sie von Prof. Dr. Marc Ihle, der das Projekt initiiert und betreut hat. Er ist Professor für Rapid-Prototyping für Eingebettete Systeme im Studiengang Elektrotechnik – Informationstechnik an der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik.

Gebäude: LI - Raum: LI-032

Sprechzeiten:
Mo. 14:30 - 15:30
und nach Vereinbarung

Tel. (0721) 925-1571
Fax (0721) 925-513

E-Mail: marc.ihle[a]hs-karlsruhe.de.

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Fotos aus der Platinen-Werkstatt: