Ringleuchte für Mikroskop

    Stemi DV4 mit Ringleuchte Das Stemi DV4 von Zeiss ist ein Stereomikroskop mit hervorragender Variooptik. Leider verursacht die serienmäßige Beleuchtung mit nur einer LED von hinten oft Abschattung beim Löten. Abhilfe schafft die hier vorgestellte Ringleuchte.

Eigenschaften

    Das Stemi hat einen Objektivdurchmesser von 53mm mit 8mm Überstand unten. Die mit 27 ultrahellen LEDs bestückte Ringleuchte wird am Objektivhals mit 3 Klemmstellen befestigt. Damit der Arbeitsbereich nicht eingeschränkt wird, ist die Leuchte sehr kompakt aufgebaut. Diese LEDs habe je 22000mcd Helligkeit, so dass sich in Summe etwa 600cd Helligkeit ergeben. Diese LEDs werden mit einen Atmel Attiny und einem TI LED-Controller mit einstellbarem Strom und zusätzlicher Pulsweitenmodulation angesteuert. Das erlaubt sowohl sehr geringe Verlustleistung und damit wenig Erwärmung als auch eine Beleuchtung, welche über gesamten Helligkeitsbereich flackerfrei einstellbar ist. Es gibt folgende Einstellmöglichkeiten:
  • Pulsweitensteuerung: (Kontroll-LED leuchtet blau)
    Die Pulsbreite der Ansteuerung wird in Schritten verändert. Es gibt 40 Helligkeitsstufen, deren Pulsweite nach einer exponentionellen Kennlinie ansteigt.
  • Konstantstrom: (Kontroll-LED leuchtet grün)
    In dieser Betriebsart erfolgt eine Veränderung des eingestellten Stromes. Die Helligkeit in der Pulsphase wird über den eingeprägten Strom eingestellt. Normalerweise stellt man über den Strom die maximale Helligkeit ein und regelt mittels der Pulsmodulation auf die gewünschte Helligkeit ein.
  • Beleuchtungsrichtung-Umschaltung: (Kontroll-LED leuchtet pink)
    Durch Drücken der UP - DOWN Tasten wird die Beleuchtungsrichtung umgeschaltet (7 verschiedene Modi). Dadurch kann je nach Betrachtungsobjekt die gewünschte räumliche Wirkung erzielt werden.
    • Im Ruhezustand werden die LED abgeschaltet und die rote Kontroll-LED leuchtet mit reduziertem Strom. Durch Drücken auf ON/OFF wird die Ringleuchte eingeschaltet, wobei die bisherige Helligkeit und Betriebsart wieder eingestellt werden.
    Durch Drücken auf UP oder DOWN wird die Helligkeit verändert, wenn der jeweilige Endanschlag erreicht ist, wird dies auf der Kontroll-LED mit einem mehrfachen ROT-ROT Blinken angezeigt.

    Fotobetrieb:
    Wenn man die Pulsweitenmodulation auf Maximum stellt, dann leuchten die LEDs permanent. Die bietet Vorteile z.B. bei Fotoaufnahmen.

    Stroboskopbetrieb:
    Wenn man bei den obigen Betriebsarten den Strom auf Maximum einstellt und die Pulsweitenmodulation sehr klein wählt, dann bekommt stroboskopartige Beleuchtung. Damit lassen sich bewegte Vorgänge (z.B. Zahnflankenspiel oder Motorunwuchten) unter dem Mikroskop beobachten. Um die Wiederholrate einstellbar zu machen, besteht die Möglichkeit, den Steuertakt extern von einem Funktionsgenerator einzuspeisen: Die Frequenz der Pulse läßt sich damit an das zu beobachtende Objekt anpassen.

Schaltungsbeschreibung

    Schaltplan Ringleuchte Mikroskop
    Die Steuerung wird von einem Attiny2313 übernommen. Dieser kontrolliert mittels des LED-Driverbausteins TLC5941 den Strom durch die LEDs. Die Stromversorgung erfolgt mit einem externen Netzteil, 12V, 300mA. (Wichtig: das Netzteil muß die 12V exakt einhalten.)

    Der Prozessor läuft mit 8MHz und internem RC-Takt. Zu beachten ist, dass beim attiny die SPI Datensignale an MISO ausgeben werden. Es ist eine 6-polige Standard-ISP (2,54 Raster) vorgesehen, hier wird zum Programmieren ein 6-fach Stiftblock (von unten) eingesteckt und leicht verkantet. Programmiert wird z.B. mit Ponyprog.

    Die Eingangsspannung wird über eine Diode (Verpolschutz) sowohl den LEDs als auch dem Prozessor zugeführt. Zur Spannungsregelung für Prozessor und LED-Controller wird ein MIC5205adj verwendet, die Sekundärspannung ist auf 4,6V einstellt. Durch die Vorwiderstände R1 und R2 wird ein Teil des Spannungsabfalles vom Regler genommen, was die Verlustleistungssituation auf dem kleinem Gehäuse entspannt. Der Regler muß ausgangsseitig mind. 1uF (C4) sehen, damit er stabil arbeitet.

    Der Strom durch die LED wird über den TLC5941 und dessen Referenzwiderstand eingestellt. Bei 12V Eingang und 3 LEDs in Reihe ergeben sich nur etwa 1V bis 2V Spannungshub für die Stromquelle, so dass die Verlustleistung am TLC5941 selbst bei maximaler Helligkeit nicht zu groß wird. Der TLC braucht neben den drei SPI-Signalen auch noch einen PWM-Takt samt Rahmen (GSCLK, BLANK), dieser Takt wird mittels des Timers 0 des Atmel erzeugt, Timer 1 erzeugt den Rahmen. Dabei wird Timer1 extern getaktet, d.h. der Ausgang von Timer0 ist extern über JP1 mit dem Eingang von Timer1 verbunden. Dadurch kann im Stroboskopbetrieb auch eine externe Frequenz an JP1 eingespeist werden und die Blitze können mit einen externen Generator synchronisiert werden. Auf der Datenschnittstelle benötigt der TLC auch noch eine Strobe-Leitung (XLAT), welche die Übernahme und Gültigkeit der Daten anzeigt, sowie eine Adressleitung (MODE), welche die verschiedenen SPI-Adressbereiche unterscheidet.

LED Auswahl

    Bei der Auswahl der LEDs habe ich von billigen e$ay Angeboten Abstand genommen, keiner der Anbieter wollte ein Datenblatt senden - es ist davon auszugehen, dass die Helligkeitsangaben gnadenlos geschönt sind.
    Verwendet habe ich dann die Nichia NSPL500DS, die laut Datenblatt 22000mcd bei 20mA liefert. Diese LED ist zwar etwas teurer als die Noname-Angebote, aber dafür ist Farbtemperatur und Helligkeit im Datenblatt angegeben. Und die LEDs sind wirklich gut.

Layout, Aufbau

    BestückungsseiteLötseite
    Um ein kompaktes Layout zu erreichen, sind aktuelle SMD-Bauformen verwendet: Atmel Attiny2313 und TI TLC5941 sind im QFN-Gehäuse mit kleinem Pitch 0.5mm verbaut. Entsprechende Lötausrüstung und Erfahrung ist also erforderlich. Die Taster sind von Schurter (LSH 1301.9316) im SMD-Gehäuse. Die LED sind bedrahtet mit 5mm Gehäuse, diese haben das beste Helligkeits-Baugrößenverhältnis, diese können oben oder unten bestückt werden. Außerdem lassen sich die bedrahteten LED leicht etwas nach innen biegen, so wird eine gute Fokussierung erreicht.


    Die Fuses des Attiny sind wie auf dem Bild zu setzen; es werden 8MHz interner Takt und schnelles Booten eingestellt.


    Bilder der bestückten Platine.

Besonderheiten zur Ansteuerung des TLC5941

  • Wertanpassungen:
    Die Helligkeit wird über die integrierte Stromqeulle bzw. den PWM-Wert linear vorgegeben. Das Auge hat aber eher eine logarithmische Empfindlichkeitskennlinie. Deshalb werden die per Taster definierten Werte mittel einer Tabelle in die Werte für Strom und PWM umgesetzt.
  • Update der GS-Werte:
    Der TLC5941 hat keine Bufferregister auf den PWM Einstellregistern (das ist in meinen Augen ein Designfehler!), deshalb kann es bei Veringern der Helligkeit passieren, dass bei einem Update der PWM-Register der GS-Counter gerade kurz vor einem PWM Wert war und durch den Update dieser PWM-Wert jetzt hinter dem Counter zu liegen kommt.
    Folge: in diesem aktuellen PWM-Zyklus wird keine Ende erkannt und der Ausgang bleibt für die volle Periode aktiv. Dadurch blitzt die angeschlossene LED kurz auf!
    Zur Abhilfe muß man den Update der PWM-Werte mit den aktuellen Zählerstand synchronisieren, am besten den Update in der Blank-Phase durchführen. Hierzu wird in der Software der Ringleuchte bei Erreichen des GS-Endwertes ein Interrupt ausgelöst, dieser führt dann das fallweise notwendige XLAT synchron durch.
  • Zusatzpuls beim GS-Update:
    In der App-Note zum TLC5941 findet sich im angehängten Sourcecode verschämt der Hinweis, dass der Controller nach dem XLAT bim GS-Update unter bestimmten Umständen noch einen nachgeschobenen seriellen Clock braucht. Und ja, muß man einbauen!
  • Reset:
    Der TLC5941 startet nach dem Einschalten mit zufälligen Werten für Strom und PWM. Es ist daher wichtig, möglichst früh das BLANK-Signal auf High zu legen, damit kein unangenehmer Lichtpuls beim Einschalten entsteht. Hierzu wird die Boot-Up-Zeit des Atmel auf 16CK ohne weitere Verzögerung eingestellt.

Mechanik

    Eingebaut ist die Platine in zwei ineinander greifende, gedrehte Ringe. Der innere Ring ist dabei mit schräg gefrästen Durchbrüchen für die LEDs ausgerüstet.

    Schnitt durch den Ring mit schräge gestellter LED. Der Lochkreis für die LEDs hat einen Durchmesser von 67mm.


    Montiert wird die Platine in mittels zweier gedrehter und gefräster Tragringe, welche ineinandergesteckt werden. Die Platine paßt dann dazwischen.
    Ringleuchte für Mikroskop
    Fertig montierte Leuchte. Die Schrauben drücken den inneren Ring punktuell gegen das Objektiv und fixieren dadurch bei der Montage am DV4 die Ringleuchte.

Unterlagen

    Folgende Unterlagen werden nur für den privaten Gebrauch bereitgestellt. Jegliche Weiterveröffentlichung oder kommerzielle Nutzung ist untersagt, es gibt auch keine Haftung für die Richtigkeit ;-)

    Schaltplan und Layout: Eagle: (bitte per mail anfragen)
    Software: AVR winavr gcc C-Code, bitte per mail anfragen