Title:
Leselampe
Kind Code:
U1


Abstract:

Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe, mit
einer Lichtquelle,
einer Stromquelle,
einer Lagesensoreinrichtung, und
einem Stirnband, in dem die Lichtquelle, die Stromquelle und die Lagesensoreinrichtung befestigt sind.




Application Number:
DE202015100888U
Publication Date:
03/04/2015
Filing Date:
02/25/2015
Assignee:
Schmiedl, Konstantin, 93413 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Winter, Brandl, Fürniss, Hübner, Röss, Kaiser, Polte Partnerschaft mbB, 85354, Freising, DE
Claims:
1. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe, mit
einer Lichtquelle,
einer Stromquelle,
einer Lagesensoreinrichtung, und
einem Stirnband, in dem die Lichtquelle, die Stromquelle und die Lagesensoreinrichtung befestigt sind.

2. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesensoreinrichtung wenigstens einen Rollkugelschalter umfasst.

3. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesensoreinrichtung einen Mikrocontroller und einen Beschleunigungssensor umfasst.

4. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle LEDs sind.

5. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle ein Kondensator ist.

6. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle ein Akku ist.

7. Als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Fokussiereinrichtung umfasst.

Description:

Die Erfindung betrifft eine als Stirnlampe ausgebildete Leselampe nach Anspruch 1.

Oft ist die Beleuchtung fürs Lesen nicht ideal, sei es im Bett oder im Lieblingssessel. Wir verwenden Glühbirnen (230 V, > 40 W), Energiesparlampen (230 V, ca. 10 W) oder LED-Leuchten (230 V, ca. 4 W), die ihre hohe Leistung in viel Wärme und Licht umwandeln. Drehen wir uns um, ist das Buch trotzdem im Schatten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Leselampe anzugeben, die auf die zu lesende Buchseite gerichtet bleibt und die selbsttätig ausschaltet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Es wird eine energiesparende Punktbeleuchtung bereitgestellt, die als Stirnlampe getragen werden kann und damit immer in die passende Richtung leuchtet. Durch den Lagesensor wird die Leselampe automatisch ausgeschaltet, wenn man zum Beispiel beim Einschlafen den Kopf zur Seite dreht oder auch einfach nur die Stirnlampe beiseitelegt.

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung.

Es zeigt

1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Rollkugelschalter als Lagesensor;

2 eine schematische Darstellung eines Rollkugelschalters in geschlossenem Zustand;

3 eine schematische Darstellung eines Rollkugelschalters in geöffnetem Zustand; und

4 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Mikrocontroller und Beschleunigungssensor.

Für eine Leselampe brauchen wir eine Lichtquelle mit Stromversorgung und einen Schalter.

LEDs bieten sich hier an, da sie mit harmlosen Spannungen betrieben werden können und nur wenig Verlustleistung haben.

Als Stromquelle kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage:

  • • Batterie: einfach zu verwenden, aber Wegwerfartikel
  • • Akku: mehrfach aufladbar, aber zunehmender Leistungsverlust, Ladegerät notwendig
  • • Kondensator: mehrfach aufladbar, höhere Lebensdauer als Akku, Ladegerät notwendig

Die interessantesten Varianten gibt es beim Schalter:

  • • Wippschalter: preiswert (ca. 0,30 €), keine Automatik
  • • Rollkugelschalter: deutlich teurer (ca. 2 €), automatisches Abschalten bei Lageänderung, aber Leuchte bleibt nicht aus.
  • • Mikrocontrollersteuerung: vergleichbar mit Rollkugelschalter (ca. 3 €), aber dafür flexibel programmierbar

1 zeigt das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Rollkugelschaltern als Lagesensor. Nachfolgend ist die Material- und Stückliste für die Schaltung in 1 aufgeführt:

  • • 1 Kippschalter
  • • 1 Kondensator, 2,7 V, 10 F
  • • 3 LEDs, 5 mm, weiß
  • • 1 Widerstand, 10 Ω
  • • 2 Rollkugelschalter RKS1. RKS2

2 und 3 zeigen einen Rollkugelschalter in geschlossenem und geöffnetem Zustand. Der Rollkugelschalter (engl. tilt ball switch) ist ein einfacher Lagesensor, ein ungiftiger Verwandter des Quecksilberschalters. Er besteht aus einem Metallzylinder in dem sich eine Metallkugel bewegen kann. Um den Schalter zu schließen, muss die Kugel sowohl die Innenwand als auch den unteren Leitungsdraht berühren. Kippt man den Schalter, rollt die Kugel vom Bodenkontakt weg und der Schalter öffnet sich.

Ich lade den Kondensator der ersten Ausführungsform mit einer 3 V Batterie, da so kein extra Ladegerät benötigt wird. Zum Schutz der Leuchtdioden wird beim Laden der Kippschalter S1 geöffnet. Nach dem Aufladen wird S1 geschlossen und die Leuchte ist aktiv.

In aufrechter Position sind beide Rollkugelschalter (RKS1 und RKS2) geschlossen und die LEDs leuchten. Wird die gekippt, so dass einer der beiden Rollkugelschalter „nach unten“ zeigt, öffnet sich dieser und das Licht geht aus. Eine volle Kondensatorladung gibt brauchbares Leselicht für rund 2 Stunden, danach sind die LEDs nicht mehr hell genug.

Der große Vorteil dieses Modells liegt in der Einfachheit der Schaltung. Aber es gibt verschiedene Probleme:
Zum einen schaltet sich das Licht wieder ein, wenn das Modell aufgerichtet wird. Obwohl also das Licht wie gewünscht ausgeht, wenn sich der Kopf beim Einschlafen zur Seite neigt, würde es beim „richtigen“ Umdrehen wieder angehen. Auch wenn man noch wach ist, und die Leuchte beiseite legt, müsste man kontrollieren, ob das Licht wirklich aus ist. Das Ziel „automatisches Abschalten“ ist also nicht vollständig erreicht.

Dazu kommt, dass die Rollkugelschalter relativ fest montiert sind, so dass sich das Gerät nicht an verschiedene Lesepositionen anpassen lässt.

Eine weitere Unschönheit ist der Kondensator. Für eine lange Leuchtdauer muss hier eine große Kapazität vorhanden sein, die wiederum ein großes Bauteil zur Folge hat. Da entsprechende Akkus auch nicht viel kleiner sind, werden als Stromquelle wohl nur Batterien in Frage kommen.

Dies Problem warden bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung nach 4 vermieden. Die zweite Ausführungsform verwendet zur Lagemessung den Beschleunigungssensor ADXL335, der hier auf einem Adapter zur Montage auf Europlatinen montiert ist. Das Bauteil liefert bei 3,3 V Eingangsspannung folgende analoge Ausgangsspannungen, die dann im Mikrocontroller von einem Analog-Digitalwandler in verwertbare Zahlen umgesetzt werden:

Beschleunigung –3g –2g –1g 0 1g 2g 3gSpannung 0V 0,55V 1,10V 1,65V 2,20V 2,75V 3,30VWert nach A/D-Wandler 0 171 341 511 682 853 1023

Der ADXL335 liefert diese Spannungen für drei Richtungen (x-, y- und z-Achse), so dass durch Auswertung der Spannungen die Lage des Sensors im Raum bestimmt werden kann.

Nachfolgend ist die Material- und Stückliste für die Schaltung in 1 aufgeführt:

  • • 1 Knopfzelle CR2032 mit Fassung
  • • 1 Lagesensor ADXL335
  • • 1 Mikrocontroller MSP430G2553
  • • 2 LEDs, 3 mm, weiß
  • • 1 Widerstand R1, 1 kΩ
  • • 1 Widerstand R2, 68 Ω
  • • 1 Taster

Nach dem Einlegen der Batterie oder dem Einschalten mit dem Taster leuchten die Dioden. Wird die Leuchte weit genug gekippt, geht das Licht aus – und diesmal bleibt es aus, auch wenn die Leuchte in die Ausgangsposition zurückgebracht wird.

Im Detail passiert folgendes:
Zunächst konfigurieren wir die im Mikrocontroller integrierten Geräte so, dass der Lagesensor ausgewertet werden kann und dabei aber möglichst wenig Strom benötigt wird. Pin 1.0 wird als digitale Ausgabe zur Ansteuerung der LEDs eingestellt, alle übrigen Pins werden als Eingänge behandelt. P1.2, P1.3 und P1.4 sind mit z-, y- und x-Ausgang des Lagesensors verbunden und werden vom A/D-Wandler beobachtet. Ein interner Zähler wird als Zeitgeber genutzt, indem er beim Erreichen eines Zielwerts dem Rechenkern des Mikrocontrollers ein Signal schickt.

Nach diesen Vorbereitungen wird der Lagesensor ausgelesen und die aktuellen Werte werden als Bezugspunkt gespeichert. Schließlich schalten wir die LEDs an und versetzen den Mikrocontroller in einen Ruhezustand. Der Zeitgeber weckt nach etwa einer Sekunde den Rechenkern auf, der die aktuellen Werte des Lagesensors ausliest und mit den gespeicherten Daten vergleicht. Ist die Summe der Abweichungen unter einer festgelegten Schranke, geht der Mikrocontroller wieder in den Ruhezustand bis zum nächsten Signal vom Zeitgeber.

Ist die Gesamtabweichung zu groß, werden LEDs und Zeitgeber abgeschaltet. Wenn der Mikrocontroller nun wieder in den Ruhezustand geht, ist nichts mehr aktiv, das ihn wecken könnte: das Licht ist aus und bleibt aus bis das Programm durch einen Reset neu gestartet wird.

Dieser Reset wird durch den Taster ausgelöst. Im Normalbetrieb ist der RST-Pin über den Widerstand R1 auf 3 V hochgezogen (Pull-Up-Widerstand). Wird der Taster gedrückt, entsteht eine direkte Verbindung zum Minuspol der Batterie. Die ganze Spannung fällt nun über dem Widerstand R1 ab, so dass RST nun auf 0 V liegt. Wird der Taster wieder losgelassen, beginnt der Mikrocontroller wieder vorne im Programm.

Nachfolgend ist der Quelltext des Steuerprogramms des Mikrocontrollers aufgelistet:

Die Leuchtdauer der zweiten Ausführungsform liegt mit einer handelsüblichen Knopfzelle (CR2032) weit über der des ersten Modells: nach 24 Stunden konnte ich noch keine Verringerung der Helligkeit feststellen. Der Strombedarf des MCs im Ruhezustand ist mit weniger als 1 µA (laut Datenblatt des Herstellers) nur ein winziger Bruchteil des Stromflusses der ganzen Leuchte im aktiven Betrieb (ca. 40 mA) und spielt damit keine Rolle. Die Empfindlichkeit der Schaltung (erlaubte Gesamtabweichung von der Ausgangslage) wird beim Programmieren des Mikrocontrollers eingestellt und kann im laufenden Betrieb dann nicht mehr geändert werden. Sollte das Licht „zu früh“ ausgehen, kann es durch den Taster wieder eingeschaltet werden.

Natürlich gibt es noch Verbesserungsmöglichkeiten. Zum einen könnten kleinere Bauteile verwendet werden. Mit SMD-Bauteilen (Oberflächenmontage) würde die Mikrocontroller-Schaltung nicht viel größer als die verwendete Knopfzelle werden, da statt des hier verwendeten DIP-Gehäuses auch viel kleinere Formate zur Verfügung stehen. Allerdings sind so kleine Teile von Hand nicht mehr verarbeitbar, so dass ich diese Richtung nicht weiter verfolgen werde.

Die Helligkeit lässt sich auf verschiedene Arten verbessern. Es gibt „superhelle LEDs“, die in Stirnlampen für den Freizeitbereich schon eingesetzt werden. Der Strombedarf ist hier natürlich viel höher als bei meinem Modell.

Interessant wäre auch der Einsatz einer einstellbaren Sammellinse, um das von den LEDs erzeugte Licht besser zu fokussieren.