December 2018

Het plannetje met de Sencys filament ledlamp die ik vorige blogpost uit elkaar heb gehaald, was om deze draadloos te laten oplichten. Er bestaan namelijk gadgets waarbij een zwevende ledlamp licht geeft. In theorie kan daar stiekem een batterijtje in verstopt zitten, maar dat is stukken minder leuk om na te maken. Een magneet laten zweven heb ik al eerder gedaan, dus deze blogpost richt zich op het draadloos voeden van de ledlamp.

Resultaat (klik voor groter, “hoover” voor bijschrift):

Daar is natuurlijk het een en ander aan vooraf gegaan, want niks werkt ooit in 1 keer. (En we staan allemaal op schouders van reuzen).

De simpele samenvatting  van het proces dat tot bovenstaande foto’s geleid heeft is:

  1. Zie “zwevende lamp gadget”.
  2. Bedenk dat dat wel eens met Highly Resonant Wireless Power Transfer kan werken, waar je eerder mee gespeeld hebt.
  3. Merk bij demontage van een goedkope ledlamp met seriecondensatorvoeding, dat zo’n seriecondensatorvoeding zich eigenlijk prima leent om een spoel aan te hangen om zo een resonantiekring te maken.
  4. Hang er een spoel aan, meet de resonantiefrequentie, maak nog een 2e kring die op dezelfde frequentie resoneert, voed die met een functiegenerator, en probeer de spanning aan de ledlampkant op te jakkeren tot het ding licht geeft.
  5. Kom er vervolgens achter dat het knap lastig is die spanning te halen. Bedenk: “Goh, wellicht werkt het beter met méér wikkelingen aan de ledlampkant, dan heb ik minder fluxverandering nodig voor dezelfde spanning aldaar, en wordt het dus aan de generatorkant makkelijker.” Pak er bovendien de labvoeding en een fet bij, om niet beperkt te worden door de uitgangsstroom van de functiegenerator.
  6. Herhaal stap 4 met de nieuwe spoel.
  7. Succes!

Hieronder een paar foto’s van stap 2, want “spelen met wireless power transfer” is best lollig. Zo kun je bijvoorbeeld een LED laten oplichten op je inductiefornuis. Ook als de resonantiefrequentie van wat je gemaakt hebt flink afwijkt van de frequentie waarop het fornuis werkt, de LED heeft immers maar een paar milliwatt nodig om licht te geven, terwijl koken kilowatts nodig heeft… Er is dus ruime marge voor slechte koppeling (Dan blijft de LED tenminste ook heel…)

Led op inductiefornuis 😉

Een rode LED heeft een drempelspanning van rond de 2V, maar de filamenten in zo’n ledlamp bestaan uit een heleboel Leds in serie, en hebben een drempelspanning van zo’n 60V. In de sencsys ledlamp staan er 2 in serie, dus ergens rond de 120V zal ik toch wel nodig hebben om die te laten oplichten. Dat is andere koek dan fietslampjes…

Gelukkig, omdat de kring resoneert, kan de spanning flink opslingeren. Ik heb dus geen 120V voeding nodig.

Eerst maar eens oefenen met een neonlampje:

wireless power transfer to a neon bulb
WPT naar een neonlampje

Dat werkt, al wordt de spoel erg warm. De efficiëntie zal dus vrij beroerd zijn. Maar, prima proof of concept. (Ik wist al dát het kon, maar het zelf voor elkaar krijgen is toch de eerstvolgende stap). (In het lasergesneden MDF kastje zit de andere spoel en een oscillator, ingesteld op ongeveer 68Khz – overeenkomstig met de resonantiefrequentie van de spoel bij het neonlampje met de gele 68 nF condensator – dat de getallen overeenkomen is puur toeval).

Daarna maar eens proberen met de ledlamp. Met 23 windingen werkt het niet, dan krijg ik de spanning (op het resonantiepunt) maar tot ongeveer 60V.

Dus dan maar “zo veel mogelijk, mik op minimaal 200” wikkelingen proberen, onder het mom van “met dezelfde fluxverandering, meer spanning”, en opnieuw bepaald wat daar de resonantiefrequentie van is.

Een printstift leek wel ongeveer een bruikbare diameter te hebben, een accuboor kan wel als aandrijving dienen van een geïmproviseerde wikkelaar (Omwentelingen tellen, maar er een beetje naast zitten is niet erg), en met plakband – of “een flexibele koppeling” volgens marketing –  zijn die 2 aan elkaar te zetten:

geïmproviseerde spoelenwikkelaar
Geïmproviseerde spoelenwikkelaar.

Zo’n 270 omwentelingen later… (Nuja, een deel van de foto’s is met de spoel van 23 wikkelingen. Daarbij zijn wel de aansluitingen duidelijker zichtbaar, omdat het dikker draad is).

Daarna opnieuw de resonantiefrequentie bepaald. Dat gaat als volgt: Sluit een functiegenerator aan over de LC (parallel)kring, stel ‘m in op een sinus, amplitude niet heel belangrijk maar ongeveer 1 Vpp oid. Meet met de oscilloscoop (of AC voltmeter), varieer de frequentie, en zoek naar de maximum uitgangsspanning (exacte waarde niet belangrijk). Noteer de frequentie waarbij de spanning maximaal is. (Bij serie-resonantie: waarbij de spanning minimaal is).

Dat is met déze spoel en déze ledlamp toevallig 29 kHz. (Er is een bandbreedte van enkele kHz, 29 kHz is een onthoudbaar getal wat daarbinnen valt, niet het exacte midden.) Mocht je het nabouwen zul je zelf moeten meten, ook als je dezelfde ledlamp zou hebben, want je spoel is gegarandeerd anders. Al zit het waarschijnlijk in de buurt als je dezelfde diameter prittstift gebruikt en exact even veel omwentelingen mist met tot 270 tellen. (Het exact aantal wikkelingen is niet belangrijk, omdat de resonantiefrequentie de stap erna gemeten wordt. Het moeten er alleen niet te weinig zijn. En het is fijn boven de 20 kHz uit te komen omdat het anders hoorbaar wordt voor de jongeren onder ons)

er valt natuurlijk aan te rekenen

Voor wie exacte getallen wil: Spoel 1 aan de generatorkant staat parallel met 520 nF foliecondensators, is ongeveer 48.6uH, binnendiameter 42 mm, weerstand 0.3 Ohm, Q van die kring is 29.5 Spoel 2 aan de ledlampkant staat in serie met ceramische condensators volgens het schema van de ledlamp, resulterend in 4.6nF omdat ze in serie staan. De spoel aan de ledlampkant heeft 270 wikkelingen (of iets meer dus), een binnendiameter van 26 mm, en een weerstand van 9.4 Ohm. Ondanks de hogere weerstand (langer en dunner draad dan de andere spoel) én de grotere verlieshoek van ceramische condensators, is de Q van deze kring beduidend hoger, namelijk 127. Dat is te danken aan de hogere inductiviteit van deze spoel: maar liefst 6.55 milliHenry. Zie ook bovenstaande foto.

Wie uit de Q de bandbreedte wil berekenen, moet er rekening mee houden dat de 29 kHz niet exact is, en bovendien niet in het midden ligt.

De voeding levert 12V, de Fet is een STP16NF06L (maar vooral omdat ik die had liggen, elke goede schakelfet zal voldoen), de opgenomen stroom is ongeveer 200mA als de ledlampspoel níet in de buurt is van de generatorspoel, en loopt op van 400mA tot  ongeveer 1A als de ledlampspoel wél in de buurt is. (beiden afgelezen metertje van de voeding, en het is geen nette DC stroom, zie scopebeeld, dus neem dat met een korreltje zout).

gemeten over de voedingsspanning. Dunne lange draden en pulsvormige belasting, zie foto van opstelling bovenaan.
Sfeerbeeld. Gebroken glazen staafje is hier ook goed zichtbaar. (Lamp per ongeluk laten vallen, buitenkant en filament gelukkig nog heel)

Ook valt te experimenteren met de koppelfactor door een ferrietstaaf in de buurt van de spoelen te houden, of door beide spoelen te steken voor een betere koppeling. Daar heb ik een filmpje van gemaakt: https://www.youtube.com/watch?v=YMGsd-n59TY

Ik heb gebruik gemaakt van de informatie uit dit whitepaper voor dit project. Of eigenlijk de versie uit 2013 (De link verwijst naar de versie uit 2017, die liet zich anno bijna 2019 makkelijker vinden).

Vragen, opmerkingen, aanvullingen, gedachten, spelfouten en dergelijke zijn welkom als reactie!

Dit is een ietwat stream-of-consiousness (Maar dan leesbaarder (hoop ik)) blogpost over een… Ledlamp! Enjoy!

Sencys SCL C35C 5393181

Ik ergerde me er aan dat mijn sencys™ filament kaarslamp knipperde.  Vanaf dat ‘ie nieuw was zat er een 100Hz flikkering in het licht, wat te zien is als “stroboscopisch effect” bij alles wat beweegt in het licht van zo’n lamp. Met je handen wapperen geeft hetzelfde “10-vingers-per-hand” effect als dat het bij oude beeldbuimonitoren gaf. (Jaja, dat heeft opa nog meegemaakt kinders!)

Dus dan maar uit elkaar gehaald om te zien of daar wat aan te doen is. Zit er überhaupt wel afvlakking in het ding? (Voor wie het exacte typenummer wil: SCL C35C 5393181. Ik beveel ‘m niet aan, vanwege dat irritante geknipper.)

Aangezien de “lampenlijm” niet loslaat, heb ik de zaag in de rand van de fitting gezet. Dat werkt, maar is een lastig omkeerbare vorm van demontage.

de zaag er in

(hoewel een ledlamp niet heet wordt, is toch dezelfde lijmsoort toegepast als bij gloeilampen. En die laat alleen los, als je het juist niet wilt, b.v. als je een lamp indraait. Op andere momenten hecht het uitstekend en is het bovendien hittebestendig en watervast.)

In de fotogalerij hieronder is elke stap van demontage te zien, en ook “remontage” en het schema. (Klik op de foto voor groter, “hoover” om het onderschrift te lezen).

Op de eerste foto is ook te zien, dat in de filamenten aan 1 kant een klein gaatje zit als polariteitsaanduiding. Deze kant is verbonden met de + van de afvlakcondensator, dus het is de anode.

De elektronica zit in kunststof. Veel elektronica is het trouwens niet, zie het schema op de laatste foto. Het is hetzelfde als veel andere goedkope ledlampen, alleen de 4.7 nF rechtstreeks over de gelijkrichter heb ik niet eerder gezien. Ook niet in de documentatie van anderen. (Al heb ik niet álle filmpjes van bigclive bekeken. Blijkbaar hebben sommige mensen het demonteren van ledlampen als hobby ?!?!?…. Zegt degene die een uitgebreide en gedetailleerde blogpost schrijft over het demonteren van een ledlamp 😉 )

De afvlakelco is 2.2uF, blijkbaar is dat te weinig om het stroboscopisch effect tegen te gaan. Er is in theorie plek voor een grotere elco (zowel capaciteit als afmetingen), maar zonder de lamp helemaal te demonteren kun je er niet bij om te vervangen, en de lamp daarna weer in elkaar zetten is “nogal een uitdaging”.

Als ander voorbeeld van een andere goedkope ledlamp met dit schema (maar zonder de 4.7 nF): VT-7126 ledspotjes gebruiken ook 2.2uF als afvlakking, maar die kunnen worden geopend op een manier dat ze ook weer heelhuids dicht kunnen, en met 10uF knipperen ze niet meer. (Die raad ik dus ook niet aan, tenzij je geen last hebt van stroboscopisch effect, of houd van het zelf modificeren van ledlampen.)

De gemiddelde stroom door de led’s neemt wel toe bij een grotere afvlakcondensator (En de rest van die discussie is ook interessant). Ze geven dan dus meer licht maar worden ook warmer.

Zonder de lamp verder te demonteren is het wel gelukt het afgezaagde stuk weer vast te solderen, waarbij de elco opnieuw in kunststof is ingepakt (krimpkous).

De lamp werkt daarna weer net zo goed (of slecht) als eerst, maar omdat het er niet netjes uit ziet, niet stevig is én ik eigenlijk de filamenten anders wil aansturen, heb ik alsnog de hele lamp weer uit elkaar gehaald en het schema opgetekend. (En de lamp vervangen door een ander type waarbij ik minder/geen last heb van geknipper).

schema. Overigens, de condensator gelabeld 47 nF is 4.7 nF

Netspanning komt via 33R en 330nF binnen bij de gelijkrichter. Secundair staan de 2u2 afvlakcondensator, een 1M bleeder, en de LED’s. Tot zover het klassieke “goedkopeledlampenschema”. Alleen de 4.7 nF rechtstreeks over de gelijkrichter aan de wisselspanningskant wijkt daar van af. Om de rol hiervan te achterhalen zou het interessant kunnen zijn het schema eens in een simulatiepakket in te voeren… Er is over nagedacht, maar wat is de achterliggende gedachte? Het is een goedkope lamp, dus als ‘ie weg kon zou ‘ie er niet zitten.

Moet ‘ie een inschakelpiek opvangen? Of stoorpieken als op dezelfde groep inductieve lasten worden uitgeschakeld? Maar op DC geredeneerd: De seriecondensator van 330nF is significant groter dan de 4.7 nF, dus als beide condensatoren opladen zal de laadspanning vooral over de 4.7 nF komen te staan, die is als eerste “vol”. De elco aan de dc-zijde van de gelijkrichter is dus ook noodzakelijk (en nuttiger) om de (inschakel)piek op te vangen. Evenals uiteraard de 33R weerstand om de piekstroom te begrenzen.

Al hoeft, uitgaande van de netfrequentie f van 50Hz (T = 20ms), en een worst-case inschakelmoment op de top van de sinus, de 4.7 nF maar lading op te nemen tot de eerstvolgende nuldoorgang, dus 5 milliseconden. De RC tijd van 33R*4.7 nF is echter slechts 0.2 microseconde. Weliswaar is daarna de condensator nog niet vol (63%), maar het is dusdanig veel te weinig dat het duidelijk is dat een verklaring in een andere richting gezocht moet worden.

Op AC zullen de 330nF en 4.7 nF zich als een spanningsdeler gedragen, waarbij de 4.7 nF alsnog de grootste spanning voor z’n rekening neemt omdat diens impedantie groter is. Zou het bedoeld zijn zodat een 330nF met een lagere maximum spanningsrating gebruikt kan worden? Wellicht wat vergezocht. Het blijft speculatie natuurlijk, op deze ceramische condensatoren staat geen opdruk waaruit de specificaties herleid kunnen worden.

Maar er is over nagedacht. Iets met EMI dan? Maar is het erg als de LED’s net wat korte piekstromen krijgen door netvervuiling? Of zouden ze zelf (door hun geknipper en niet-lineariteit) netvervuiling opleveren? Wie gedachten heeft over de 4.7 nF:  laat een reactie achter! (Hoi Aart, mocht je dit lezen. Het was inderdaad jouw idee toen we erover brainstormden in de makerspace)

Wat ook netjes is, is dat secundair een 400V elco is toegepast. Die blijft dus heel, ook als de led’s stuk zouden gaan en onderbreken. Een elco met een rating nét iets hoger dan de brandspanning van de LED’s zou ook werken, maar als de led’s dan stuk gaan en daarbij onderbreken komt er een veel hogere spanning over de elco te staan. Dan kan het elektrolyt gaan koken waarna door de druk de elco openbarst. Omdat de ontwerper hier rekening mee gehouden heeft en een hogere werkspanning heeft gekozen zal dat hier dus niet gebeuren.  Er is dus duidelijk wél op gelet een goede, veilige ledlamp te ontwerpen, maar desondanks knippert ‘ie. Hoe lang zou er over vergaderd zijn?

Terzijde: De sla groeit nog prima.

Ander terzijde: Ik vind het soms ietwat lastig een verhaal te schrijven dat zowel voor de techneut áls de niet-techneut prettig leesbaar is. Niet teveel jargon, maar ook niet te jip-en-janneke. Met wat pech dus zowel teveel jargon áls te simpel. Het is natuurlijk een blog, dus alles kan, en mijn schrijfstijl wisselt dan ook af en toe. Maar laat een reactie achter als je ondanks alles tot hier doorgelezen hebt en er toch wat over wilt zeggen :). Of als ik, ondanks de lengte van deze post, nog iets vergeten ben te vertellen wat je altijd al wilde weten over (filament) ledlampen :P.

EDIT: het is 4.7 nF, geen 47… Dat maakt de “spanningsdeler” theorie absurd en filtering waarschijnlijker.