Beleuchtung für den GBA

[This text in english]

Sohnemann hat zum Geburtstag einen Gameboy Advance bekommen. Eigentlich eine tolle Sache dieses Teil, aber der Bildschirm ist wohl dazu designed worden, in praller Sonne bestaunt zu werden :-((
Das ist nämlich der einzige Zustand, in dem man mit dem GBA super spielen kann. Sobald man in einem Raum ist, sind viele Spiele nicht mehr gut zu erkennen, weil der Bildschirm viel zu dunkel ist (mein Sohn behauptet zwar das Gegenteil, aber seit ich ihm eine Beleuchtung besorgt habe, nimmt er sie gerne, wenn es mal wieder etwas düster im Zimmer ist :-)
Die genaue Bezeichnung der "professionellen" GBA-Beleuchtung ist "Power Shield Advance", Typ SV-5821, und wird von InterAct hergestellt. Hier in Deutschland kann man das Teil bei Toys-R-Us kaufen.
Das Power Shield wird über den Link-Stecker mit Strom versorgt, es ist ein Einschalter sowie ein Dimmer eingebaut und der Link-Port wird durchgeschleift. Alles in allem also ein recht brauchbares Gerät.

Der Nachteil der Beleuchtung im Original-Zustand sei aber nicht verschwiegen: Das eingebaute Minilämpchen zieht ca. 100 mA aus dem Link-Port, wenn der Dimmer voll aufgedreht ist :-((
Wenn man bedenkt, dass der Rest des GBA auch nur 120-130 mA verbraucht, dann sieht man schnell ein, dass diese Lösung eigentlich keine ist, jedenfalls nicht wirklich.

Natürlich habe ich das so nicht lassen können...

Als Alternative kommt eine weiße LED in Frage. Diese LEDs vertragen um die 20 mA und machen dabei schon verflixt hell. Die 5 mm-Typen sind z.B. so hell, dass es nicht empfehlenswert ist, direkt in den "Strahl" (besser Lichtkegel) zu schauen. "Blaue Punkte" bei geschlossenen Augen sind hinterher gewiss :-( also Achtung !

Vor einiger Zeit schon habe ich eine kleine Stift-Taschenlampe, gedacht für den Betrieb mit einer AAA-Zelle, auf weiße 5 mm-LED umgebaut und als Spannungsquelle eine verbrauchte (!!) 12 V-Batterie aus meiner Garagentor-Fernbedienung verwendet. Dazu kommt nur noch ein Vorwiderstand. Kurz gerechnet, 12 V Batteriespannung - 3,6 V Durchlassspannung der LED bei 5 mA, das macht 1,68 kΩ. Der nächste Wert in der Bastelkiste war 1,6 kΩ. Ich habe die "Schaltung" auf 5 mA ausgelegt, weil ich der Batterie nicht die möglichen 20 mA zumuten wollte. Mit 5 mA macht die LED aber auch schon ordentlich hell. Das funktioniert so seit mehr als 2 Jahren, wobei ich die Lampe nicht allzuoft brauche.

In einer Fachzeitschrift bin ich dann irgendwann in diesem Sommer auf eine Anzeige der Firma Zetex gestoßen. Zetex stellte da einen Step-Up-Schaltregler im 5-poligen SMD-Gehäuse vor, der mit einem Transistor, einer Diode, einem Widerstand, einem Kondensator und einer Spule zusammen eine High performance LED-Taschenlampe zu bauen erlaubt. IC, Transistor und Diode sind Zetex-Bauteile, Spule, Kondensator und Widerstand sind (im weiteren Sinne) handelsüblich. Im weiteren Sinne deshalb, weil Widerstände im Sub-Ω-Bereich meist von der kräftigeren Sorte sind, also ab 5 Watt aufwärts. Vorteilhaft wären aber solche in SMD-Ausführung. Die von Zetex in der Applikationsschrift empfohlene Spule (ebenfalls in SMD) soll optimaler Weise eine Impedanz von 100 µH bei ca. 500 mΩ Serienwiderstand haben ... ebenfalls eine Herausforderung.

Ich nahm Kontakt mit Zetex auf, um mir einen Händler hier in Deutschland nennen zu lassen, der dieses IC verkauft. Das hat leider nicht geklappt, aber Zetex war sehr kooperativ, nachdem ich erklärt hatte, wofür ich die Bauteile verwenden wollte (nämlich die Gameboy-Beleuchtung). Einige Wochen nach der ersten Kontaktaufnahme lagen ein Evaluation Board mit LED und Halterung für eine AA-Zelle sowie die Zetex-Bauteile für die GBA-Beleuchtung im Briefkasten.

Herzlichen Dank an dieser Stelle an die freundlichen Mitarbeiter von Zetex !

Vorher noch habe ich zuerst mal einige Experimente mit verschiedenen LEDs gemacht. Gute Tipps dazu sind auf der Seite www.gbalight.com zu finden. Der Untertitel der Seite trifft die Sache im Kern: “Devoted to the quest for the perfect light” :-)) Der Autor hat viele Experimente und Untersuchungen hinsichtlich weißer LEDs und deren Brauchbarkeit für die Gameboy-Beleuchtung durchgeführt.
Allerdings sind alle Experimente auf dieser Seite (und Angaben in News zum Thema) auf die 5 mm-Typen der weißen LEDs fixiert. Die hier in Deutschland z.B. bei Conrad oder Reichelt erhältlichen 5 mm-Typen haben aber einen Abstrahlwinkel von nur maximal 22°, was eine Ausleuchtung des GBA-Displays bei dem geringen durch das Power Shield vorgegebenen Abstand nur unvollständig ermöglicht. Deshalb habe ich mich für die nicht ganz so hellen, aber dafür mit 45° Abstrahlwinkel versehenen, 3 mm-Typen entschieden. Ich setze dafür 2 Stück ein und sollte dadurch theoretisch den Bildschirm des GBA recht gut ausleuchten können.

Als "Versuchsträger" habe ich einen Drahtrahmen gebogen und gelötet, den ich mit modifizierten (mit dem Seitenschneider auf Passung gebracht :) Motherboard-Abstandhaltern aus Kunststoff in die am GBA vorgesehenen Befestigungslöcher einklipsen kann.

Das Ganze ist natürlich viel zu labil, als dass es als praktikable Dauerlösung hätte gebraucht werden können.

 

Zum Üben habe ich die beiden LEDs erst mal parallel verdrahtet und direkt an den Akkus angeschlosssen, weil ich zu diesem Zeitpunkt noch nicht wusste, ob der Ausgang des Link Port den benötigten Strom von ca. 40 mA liefern kann. Mittlerweile weiß ich, er kann :-)
Bedingt durch die zu geringe Spannung von maximal ca. 2,6 Volt bei vollen Akkus, haben die LEDs keine Glanzleistung in Sachen Displaybeleuchtung erbracht, aber ich konnte meine Theorie belegen, dass 2 nicht ganz so helle LEDs auch ausreichen, um das Display zu beleuchten.

Der nächste Schritt war, eine Versuchsschaltung mit den Bauteilen von Zetex aufzubauen um ein paar Messungen mit verschiedenen Widerständen und Induktivitäten durchzuführen. Ich habe zu diesem Zweck einseitig Kupferkaschiertes Basismaterial verwendet und versucht, mit einem Trennschleifer (ähnlich Dremel Multi) alles das wegzuschleifen, was die Kupferfläche davon abhält, die passenden Verbindungen zwischen den Bauteilen darzustellen :-) Der Erfolg war mäßig, denn die Trennscheibe hatte einen zu großen Durchmesser, ich habe freihändig gearbeitet und die Strukturen für SMD-Bauteile sind einfach winzig ... aber: Der Versuch hat funktioniert, ich konnte die 4 Bauteile auf der Platine befestigen und meine Experimente starten.

Mit einem Sense-Widerstand von 0,22 Ω und einer Spule 10 µH / 1,8 Ω Serienwiderstand zieht die Schaltung bei 3,3 V (also bei einem GBA-Spiel) ca. 40 mA, bei 5 V (also einem GBC-Spiel) ca. 60 mA. Die angepeilten 20 mA habe ich bisher leider nicht erreicht. Außerdem waren dabei zwei 5 mm LEDs im Einsatz, so dass die Ergebnisse noch einer Verifikation mit den richtigen 3 mm LEDs harren.
Ich habe inzwischen den Sense-Widerstand schrittweise auf 1,3 Ω erhöht und als Spule einen 100 µH Typ verwendet. In dieser Kombination komme ich meinen Vorgaben schon recht nahe: ca. 15 mA bei 3,3 V, ca. 22 mA bei 5 V :-))
Damit kann ich leben. Mit den beiden 3 mm LEDs ergaben sich keine Änderungen bei den Werten.

Als nächstes versuche ich, die Platine soweit zu verkleinern, dass sie zusätzlich in das Gehäuse des Power Shield reinpasst, denn ich möchte die Originalplatine drin lassen. Diese Originalplatine trägt nämlich den durchgeschleiften Linkport und den Ein-Aus-Schalter für das Licht. Beides soll funktionsfähig bleiben. Der Dimmer wird wohl nicht mehr funktionieren, aber auch dass kann ich akzeptieren :-)

Um mir die Sache mit dem Layout soweit wie möglich zu vereinfachen, habe ich EAGLE bemüht. Es war nicht ganz einfach, den Router davon zu überzeugen, die SMD-Pads korrekt miteinander zu verbinden, aber das kann auch an meiner Unfähigkeit liegen :-) Man darf sich also nicht über einige sehr kurze Leiter innerhalb von Kupferflächen wundern. Diese dienen lediglich dazu, den SMD-Anschlusspunkt auch logisch an die Verbindung anzuschließen. Die Unterlagen im EAGLE-Format stehen selbstverständlich für den Nachbau zur Verfügung.

Bei der Herstellung der Platine habe ich diesmal eine Ständerbohrmaschine mit Kegelfräser und einen X-Y-Schlitten verwendet.

Alternativ hätte ich die Platine auch bei einem Leiterplattenhersteller herstellen lassen können, aber der Aufwand für die nicht ganz 100 mm² Platine erschien mir dann doch zu hoch.

 

... ich denke, der Erfolg gibt mir recht ;-))

 

Im Bild (von links nach rechts) zu sehen:

• SMD-Widerstand 1,3 Ω (Reichelt, Chip-Widerstand Bauform 1206, Bestellbezeichnung SMD 1/4W 1R3)
• Spule 100 µH / 3,8 Ω (Reichelt, muRata Chip Coil, Bestellbezeichnung LQH3C 100µ)
• Transistor FMMT617 (Zetex)
• IC ZXSC300 (Zetex)
• 2 LEDs (Reichelt, Kingbright LEDs 3 mm ultrahell, Bestellbezeichnung LED 3-2000WS)

 

Die fertige Platine ist 8 mm x 12 mm groß und passt an die vorgesehene Stelle im Gehäuse des Power Shield. Sie wird mit doppelseitigem Klebeband direkt auf den Link Port Stecker geklebt. Dabei muss man aufpassen, dass auf allen Seiten genug Platz für die im Gehäusedeckel angebrachten Führungen für die Originalplatinen und den Schalter bleibt.

So müssen z.B. die Kabel zum Schalter (Plusleitung) und zur Masse auf der Hauptplatine über die Oberseite der Schaltregler-Platine, um die Bauteile herum, zuerst nach hinten im Gehäuse und dann nach unten verlegt werden (siehe Pfeile). Außerdem habe ich 0,5 mm dickes, einseitig mit Kupfer beschichtetes Epoximaterial verwendet, denn 1,5 mm dickes Material hätte nicht mehr ins Gehäuse gepasst. Die SMD-Spule trägt wirklich etwas auf ;-)

Der richtige Kontakt des Schalters für die Versorgungsspannung muss gegebenenfalls mit dem Multimeter herausgemessen werden, bei mir war es der mittlere Pin. Ich habe den Draht an der Originalplatine ab- und an die Schaltreglerplatine angelötet. Ein zusätzlicher isolierter Draht verbindet die Massepunkte der beiden Platinen.

Ursprünglich wollte ich die originalen Lampendrähte verwenden, um die LEDs anzuschließen, deshalb habe ich die Lampe kurz hinter dem Glaskörper abgezwickt, später stellte sich aber heraus, dass ich mit dieser Lösung zu viele "fliegende" Lötverbindungen im ehemaligen Lampengehäuse hätte unterbringen müssen. Deshalb habe ich die Drähte zwischen Platine und LEDs komplett neu und in der richtigen Länge eingezogen.

Als nächstes mussten die Befestigungspunkte für die beiden LEDs festgelegt und deren Strahlrichtung bestimmt, sowie die LEDs befestigt und die Anschlussdrähte geschickt in das vorgegebene Gehäuse verlegt werden. Ich habe die Anschlussdrähte der LEDs in Originallänge belassen und die Drähte an deren Ende angelötet. Um die Drähte in das ehemalige Lampengehäuse führen zu können, musste ich kleine Kerben in die transparente Abdeckung schnitzen, die gleichzeitig als Abstandshalter für die nicht isolierten LED-Beinchen dienen.

Nach Zuschrauben der transparenten Abdeckung wackeln die LEDs noch, deshalb habe ich die LED-Beinchen mit jeweils einem Klecks Heißkleber direkt hinter den Schrauben fixiert. Das Gehäuse mit der Elektronik war zu diesem Zeitpunkt schon wieder geschlossen, die LEDs wurden also mit angeschlossenem GBA ausgerichtet (macht durchaus Sinn ;-))

Hier nochmal ein Blick von vorne auf den betriebsbereiten GBA mit modifiziertem Power Shield Advance.

Die direkt am LED-Körper abgeknickten Beinchen sind gut zu erkennen. Beim Abknicken muss mit Vorsicht verfahren werden, damit das LED-Gehäuse nicht platzt. Wer eine spitze Telefonzange besitzt und damit umgehen kann ist deutlich im Vorteil :-)

 

 

Die Helligkeit ist vollkommen ausreichend um in kompletter Dunkelheit (und natürlich auch bei schlechter Außenbeleuchtung) spielen zu können. Lediglich die unteren Ecken sind nicht so gut ausgeleuchtet.

 

 

 

 

 

Auch mit Umgebungslicht ist der Effekt der Beleuchtung deutlich sichtbar.

 

 

 

 

 

 

Was auffällt:

Die verwendeten 3 mm LEDs von Reichelt haben einen ausgeprägten Blaustich und projizieren einen rechteckigen, fast quadratischen "Schatten" in der Mitte des Lichtkegels auf das Display (im Foto nicht zu erkennen). Das fällt mit einem bunten Spiel nicht sonderlich auf, kann aber einen Puristen durchaus stören.

Die Trennung in zwei auseinanderliegende Lichtquellen hat auch nicht den erhofften Effekt gehabt. Zwar ist die Helligkeitsverteilung besser als mit einer stark gebündelten 5 mm LED, dafür ist nicht nur eine störende Lichtreflektion oben in der Mitte zu sehen, sondern deren zwei am linken und rechten Bildrand :-(
Bleibt zu hoffen, dass die Action immer in Bildschirmmitte stattfindet ;-)

Von Tom Lang habe ich den Tipp bekommen, die LEDs vorne vorsichtig mit feinem Schleifpapier zu mattieren, um die etwas ungleichmäßige Beleuchtung zu verbessern.
Diesen Tipp habe ich bisher nicht umgesetzt, denn ich befürchte, wenn ich die LEDs mit was auch immer bearbeite, dann reiße ich sie los und bekomme sie nie wieder so fest, wie sie jetzt gerade sind... ihr wisst ja, never touch a running system :-))

 

Nachtrag

Ich habe von Paul, dem Betreiber von www.gbalight.com den Hinweis bekommen, dass seiner Einschätzung nach sehr wenige von euch willens wären, diese Schaltung nachzubauen, da die Wenigsten sich mit Platinen ätzen und dergleichen auskennen.

Um den Unentschlossenen unter euch einen kleinen Eindruck der “Komplexität” der Schaltung zu geben, ohne gleich vorher noch EAGLE installieren zu müssen, lege ich Schaltbild und Platine hier mal zum Anschauen ab:

Hier das Schaltbild...

(und hier in voller Auflösung)

 

 

 

 

 

...und das Layout.

(hier in voller Auflösung)

 

Nicht wirklich unmöglich oder ? ;-))

 

 

 

 

Für die Herstellung der Platine mittels Fräser und X-Y-Koordinatentisch habe ich das Layout in Originalgröße auf Papier gedruckt, ausgeschnitten und auf die Platine gelegt. An den Eckpunkten der Kupferflächen habe ich mit einer Graviernadel das Papier durchstochen und die Zeichnung so auf das Kupfer übertragen. Diese Markierungen dienten mir beim Fräsen als Anhaltspunkte, von wo nach wo die Trennung der Kupferschicht zu erfolgen hat. Das war nicht ganz einfach, man sieht ja oben auf dem Foto, dass ich beim “Verfahren” das eine oder andere Mal über das Ziel hinausgeschossen bin, aber letztlich hat es ganz gut hingehauen.

Ein Problem gab es beim Aufbau der Schaltung noch mit der SMD-Spule. Der Abstand zwischen den Lötflächen auf der Unterseite der Spule war zu klein, als dass ich mit der Fräsmethode die beiden Leiterbahnen vom IC zum Transistor hätte herstellen können. Deshalb musste ich die Spule sozusagen auf “Stelzen” aus Lötzinn, etwas von der Platine abgehoben, montieren, was aber auch problemlos und gleich beim ersten Versuch funktioniert hat.

 

Nachtrag

Ich habe mich nochmal hingesetzt und eine weiter optimierte Platine entworfen, die die korrekten Abmessungen der mir zur Verfügung stehenden SMD-Spule berücksichtigt. Da der Abstand der beiden Spulen-Pads nur 1,3 mm beträgt, hat sich eine maximale Breite der beiden darunter hindurch führenden Leiterbahnen von je nur 0,4 mm ergeben. Da diese Leiterbahngeometrien ohnehin nicht mehr mit dem oben beschriebenen Fräs-Verfahren herstellbar sind, habe ich die Optimierung auf die Spitze getrieben um die Abmessungen noch etwas zu verkleinern. Die fertige Platine ist jetzt nur noch 6,8 x 12,1 mm groß (gegenüber 8,6 x 13,9 mm bei der fräsfähigen Version). Das Schaltbild hat sich nicht verändert (von der geänderten Bauform der Spule abgesehen), deshalb hier nur das neue Layout.

Die kompletten EAGLE-Unterlagen dafür können natürlich ebenfall hier abgeholt werden.

Ich habe die Platine übrigens (zusammen mit der Platine für den Gameboy-Programmer) fertigen lassen.

 

 

 

 

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Nachtrag

Die oben vorgestellte Schaltung ist auf möglichst geringe Stromaufnahme ausgelegt. Durch den Einsatz von zwei weiteren Bauelementen kann die Lichtausbeute erhöht werden, der Preis dafür ist eine etwas höhere Stromaufnahme.

Die prinzipielle Schaltungsänderung ist bei meiner USB-Stromversorgung für den Robbe Terra Top Fernsteuersender als Eingabegerät für den FMS Flugsimulator zu sehen.

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Wer sich übrigens ganz allgemein mit weißen LEDs beschäftigen will und vor einer Hightech-Lösung, wie hier beschrieben, erst mal zurück schreckt, dem sei die Lektüre der Bastelecke von Burkhard Kainka empfohlen. Im Beitrag Der LED-Spannungswandler sind Hintergründe zum Thema und Bauanleitungen für Schaltregler mit Standardbauteilen beschrieben. Mit etwas Sorgfalt und ruhiger Hand lassen sich durchaus auch in diskreter Schaltungstechnik echte Miniaturlösungen erstellen, wie dort zu sehen ist.