„The Mobile Cinema“ - hs-ulm.de · Fakultät Mechatronik und Medizintechnik Studiengang Mechatronik „The Mobile Cinema“ Projektarbeit im Rahmen der Lehrveranstaltung „Solare

Fakultät Mechatronik und Medizintechnik

Studiengang Mechatronik

„The Mobile Cinema“

Projektarbeit im Rahmen der Lehrveranstaltung

„Solare Inselsysteme“

bei Prof. Peter Adelmann

Vorgelegt von Heinrich Kern, Matr.Nr. 3104710

Ulm, Juli 2013

Projektbericht „The Mobile Cinema“

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Inhaltsverzeichnis

1. Einführung .................................................................................................................................................2

2. Zielsetzung .................................................................................................................................................3

3. Entwicklung des Koffers ............................................................................................................................4

3.1 Konzeptentwicklung ...........................................................................................................................4

3.2 Elektrische Komponenten ...................................................................................................................5

3.2.1 Auswahl des Projektors ................................................................................................................5

3.2.2 Die Spannungsversorgung ............................................................................................................7

3.3 Mechanischer Aufbau .........................................................................................................................8

3.3.1 Der Koffer .....................................................................................................................................8

3.3.2 Die Rückprojektionsfläche ............................................................................................................9

4. Montage und Inbetriebnahme ............................................................................................................... 11

5. Rückblick & Aussicht ............................................................................................................................... 12

6. Anhang.................................................................................................................................................... 14

6.1 Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................................... 14

6.2 Kostenauflistung ............................................................................................................................... 14

6.3 Datenblatt Philips PicoPix 2055 ........................................................................................................ 15

6.4 Vergleich der LED-Projektoren ......................................................................................................... 16


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1. Einführung

Die vorliegende Projektarbeit entstand im Rahmen der Vorlesung „Solare Inselsysteme“ bei

Herrn Professor Adelmann. In diesem Wahlfach geht es darum, Erfahrung bei der Entwicklung

von Schaltungen und Geräten im Solarbereich zu sammeln. Entstanden sind dabei schon

Handyladegeräte, Wasserentsalzer und ein hocheffizienter Audioverstärker.

Herr Professor Adelmann engagiert sich für die ländliche Elektrifizierung in verschiedenen

Ländern Afrikas und Asiens, die nicht über ein flächendeckendes öffentliches Stromnetz

verfügen. Eine schnelle und einfache Möglichkeit, den Bedarf an Elektrizität zu decken sind

„Solare Inselsysteme“ für einzelne Häuser, Schulen oder Krankenstationen. Benötigt wird dazu

ein Solarmodul mit Batteriespeicher und Ladeelektronik. Viele Geräte lassen sich dann direkt

oder mit einem Spannungswandler betreiben. Erste Priorität bei den verwendeten Geräten

sollte immer die Effizienz haben. Statt einer Glühbirne wird man also lieber LED´s verwenden,

da diese pro Watt elektrischer Leistung einen vielfach höheren Lichtstrom erzeugen. Bedarf

besteht in Afrika vor allem an Licht, Fernsehen und einer Möglichkeit das Handy zu laden.

Bei unserem Projekt geht es um die Frage: Wie kann man ein solarversorgtes Klassenzimmer in

Afrika möglichst effizient mit einer Raumbeleuchtung und einem Projektor für Präsentationen

ausrüsten? Unsere Aufgabe war es , dafür ein Konzept zu erarbeiten, allen notwendigen Teile

zu besorgen und zu testen. Die Arbeit wurde in einer Zweiergruppe durchgeführt und

aufgeteilt. Der Kommilitone Reinhold Straub kümmerte sich um die Beleuchtung, der Projektor

war Aufgabe der vorliegenden Projektarbeit.


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2. Zielsetzung

Das Pflichtenheft wird gemeinsam mit Professor Adelmann in der Vorlesung erstellt. Viele

praktische Tipps steuert der äthiopische Kommilitone Laelem bei.

Die Stromversorgung soll über ein „PSHS“ (Pico

Solar Home System) von Fosera erfolgen. Dies ist

ein Lithium-Eisenphosphat-Akku, der mit

Ladeelektronik in einem ABS-Gehäuse

untergebracht ist. Solarmodul und Verbraucher

werden mit einem Hohlstecker angeschlossen.

Die Nennspannung des Akkus beträgt 3,25 V.

Der Projektor muss via USB am Laptop

anschließbar sein.

Das projizierte Bild muss für eine ganze Schulklasse in einem nicht verdunkelten Raum

sichtbar sein.

Die ganze Konstruktion muss robust sein.

.

Der Projektor sollte mobil einsetzbar und abschließbar sein.

Aufgrund der beiden zuletzt genannten Punkte entsteht die Idee, den Projektor in einem Koffer

unterzubringen. Im Koffer kann auch das PSHS problemlos untergebracht werden. In den

nachfolgenden Kapiteln wird die Entstehung des Koffers beschrieben.

Abbildung 1: Fosera PSHS (Quelle: Fosera)


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3. Entwicklung des Koffers

3.1 Konzeptentwicklung

Zuerst wird überlegt, wie der Koffer generell aufgebaut werden könnte und wie die

Stromversorgung erfolgen soll. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Ideen:

1.

Projektion durch Öffnung im Koffer: Der Projektor wird fest in einen Koffer montiert. Über eine verschließbare Öffnung wird auf eine (Lein-)Wand projiziert. Die Öffnung kann zum Schutz mit einer Klappe verschlossen werden. Vorteil:

Sehr robust und einfach

Kompakt

Nachteil:

Weiße Wand oder Leinwand nötig

2.

Direkte Rückprojektion: Der Kofferdeckel wird -bis auf den Rahmen- ausgeschnitten und durch eine Mattscheibe ersetzt. Das Bild wird dann von hinten auf die Mattscheibe projiziert. Vorteil:

Überall einsetzbar

Nachteil:

Projektor muss eine Funktion „Rückprojektion“ besitzen, da das Bild sonst seitenverkehrt ist

Projektor braucht einen relativ großen Abstand zum Kofferdeckel, damit das Bild leinwandfüllend ist

3.

Indirekte Rückprojektion Wie bei Lösung Nr. 2 wird der Kofferdeckel durch eine Mattscheibe ersetzt. Der Projektor wird allerdings fest im Koffer montiert. Das Bild wird dann über einen Umlenkspiegel auf die Mattscheibe geworfen. Vorteil:

Da das Bild sowohl an der Leinwand als auch am Umlenkspiegel gespiegelt wird, ist es auf der Mattscheibe nicht mehr seitenverkehrt

Nachteil:

Komplizierter Aufbau

Relativ kleines Bild


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Nach einer Besprechung in der Vorlesung fällt die Entscheidung auf Konzept Nr.3. Mit dieser

Lösung ist man wirklich mobil und unabhängig von einer Leinwand. Das projizierte Bild ist zwar

relativ klein, allerdings erreicht man dadurch eine höhere Leuchtdichte und kann eventuell

noch bei Tageslicht das Bild gut erkennen. Zudem ist es ein Hingucker, da es einen „Rückpro-

LED-Fernseher“ noch nicht auf dem Markt gibt.

3.2 Elektrische Komponenten

3.2.1 Auswahl des Projektors

Welche Helligkeit bzw. welcher Lichtstrom [lm] wird benötigt?

Laut Norm1 muss der Projektor bei einer Hellraumprojektion eine 5x höhere Leuchtdichte auf

die Leinwand bringen, als die vorhandene Leuchtdichte durch das Umgebungslicht. Geht man

davon aus, das in einem Klassenzimmer die Beleuchtungsstärke 200 lux beträgt (200 lm/m2) so

müsste der Projektor 1000 lm/m2 schaffen. Da unser Koffer eine Projektionsfläche von ca. 0,25

m2 hat, wären immer noch 250 lm nötig. Es gibt allerdings keinen 5 V DC-Projektor, der diesen

Lichtstrom schafft.

Deshalb wird mit Hilfe eines älteren Aiptek „V10-Projektors“ der Hochschule ausprobiert,

welche Helligkeit noch als ausreichend empfunden wird. Ergebnis: Hochgerechnet auf die

Projektionsfläche des Koffers sind etwa 50 lm das Minimum.

1 DIN 19045-1 „Projektion von Steh- und Laufbild“ Seite 10

Abbildung 2: Taschenprojektor „Aiptek V10“ Abbildung 3: Test des Taschenprojektors bei Tageslicht


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Nach welchen Kriterien wird der Projektor ausgesucht?

Um das für unseren Zweck bestmögliche Gerät zu finden, werden per Internetrecherche 29

LED-Projektoren erfasst und die Leistungsmerkmale aus den Datenblättern herausgesucht:

Effizienz [lm/W]

Lichtstrom [lm]

Versorgungsspannung (möglichst 5 V DC)

Mache Hersteller geben aber die Leistung überhaupt nicht an, sondern nur die Leistung des

Netzteils oder bei akkubetriebenen Geräten die Laufzeit in Stunden. Somit müssen manche

Werte ausgerechnet oder abgeschätzt werden.

Die nachfolgende Tabelle zeigt nur die engste Auswahl, der ausführliche Vergleich befindet sich

im Anhang. Es hat sich gezeigt, dass Aiptek und Philips die innovativsten Geräte haben.

Modell [Pixel] [lm] [V] [W] Preis Bemerkung [lm/W]

AIPTEK Mobile Cinema A50P

640 x 480

35 5,0 7 209 €

Für Android Gerätäe oder HDMI-fähige Geräte da NUR Mini-HDMI Anschluss. Mit Akku.

5,0

AIPTEK Mobile Cinema V100

854 x 480

100 12,0 15 276 € Datenwiedergabe über eingebauten SD-Slot oder USB

6,6

Philips PicoPix PPX2055

854 x 480

55 5,0 ? 198 €

NUR Mini-USB / k.A. zum Stromverbrauch, aber: USB liefert max. 2,5 Watt. Versorgung über Y-Kabel: Theoretisch max. 5 W

55 Lumen / 5 Watt = 11 (Wäre Rekord)

Philips PicoPix PPX2230

640 x 360

30 5,0 6,4 209 € Mit Akku. Liest Daten vom USB-Stick oder MicroSD ohne PC.

4,7

Die Wahl fällt schließlich auf den Philips „PicoPix 2055“, da dieser rechnerisch die höchste

Effizienz besitzt und mit 55 lm einen gerade noch ausreichenden Lichtstrom bringt.


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Abbildung 6: Anlöten der DC/DC Converter an die Platine des Fosera PSHS

3.2.2 Die Spannungsversorgung

Die Skizze zeigt den elektrischen Aufbau des Koffers. Die Verstärkerschaltung wurde bereits von

einer früheren Projektgruppe entwickelt und wird aus Zeitgründen nicht mehr in den Koffer

integriert. Um die benötigte 5 Volt Spannung für den Projektor zu erzeugen, werden in das

PSHS zwei DC/DC-Wandler mit USB-Buchse eingebaut. Mit einem Schalter können die DC/DC-

Wandler elektrisch getrennt werden. Dies ist nötig, weil die Wandler auch im Leerlauf eine

geringe Verlustleistung haben.

(1) Projektor

(2) Lautsprecher

(3) Verstärker

(4) Fosera PSHS

(5) DC/DC Wandler mit

Trennschalter

(6) USB-Buchse für Laptop

(7) USB-Buchse für

Projektor

Abbildung 4: Elektrischer Aufbau des Koffers (schematisch)

Abbildung 5: DC/DC Converter 3,3 V 5,0 V


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3.3 Mechanischer Aufbau

3.3.1 Der Koffer

Bei der Auswahl des Koffers kommt es vorallem darauf an, dass die Maße zum Seitenverhältnis

der Projektion passen (16:9). Dies passt am besten bei einem Alu-Rahmenkoffer der Firma

Faisst. Die helle Fläche stellt die Grundmaße des Koffers dar, die dunkle Fläche hat genau das

Seitenverhältnis des Philips Projektors.

Abbildung 7: Veranschaulichung Seitenverhältnis Abbildung 8: Alu-Koffer (Quelle: Faisst GmbH)


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3.3.2 Die Rückprojektionsfläche

Ein sehr interessantes Thema ist das Material für die Rückprojektionsfläche. Die erste Idee,

einfach eine sandgestrahlte Plexiglasscheibe oder eine Milchglasscheibe zu nehmen erweist

sich als unbrauchbar. Die sandgestrahlte Platte streut das Licht zu wenig, man sieht deutlich

einen „Hot-Spot“ an der Stelle, an der sich der Projektor befindet (siehe Abbildung 9). Bei einer

simplen Scheibe aus Acryl-Milchglas besteht das Problem, dass bei einer Dicke der Scheibe von

5mm das Licht so stark gestreut wird, dass man kein scharfes Bild bekommt. Eventuell würde es

mit einer hauchdünnen Platte funktionieren, was allerdings aus Stabilitätsgründen nicht in

Frage kommt.

Hochwertige Rückprojektionsfolien sind auch bei Kinoausstattern zu bekommen, diese sind

jedoch mit ca. 150 €/m2 recht teuer. Anfragen nach Reststücken bei mehreren Anbietern

bleiben erfolglos. Auch möchte niemand eine kleinere Menge als 1 Quadratmeter verkaufen.

Abbildung 10: Die Linke Bildhälfte zeigt die Projektion auf ein Acryl-Milchglas

Abbildung 9: Sandgestrahlte Plexiglasplatte. Hot-Spot als weißer Fleck erkennbar


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Eine Internetrecherche ergibt, dass es in den 90ger Jahren einen kurzen Boom von sogenannten

„Rückprojektionsfernsehern“ gab. Der Vorteil war damals, dass man große

Bildschirmdiagonalen erreichte, die mit einem Röhrenfernseher nicht möglich gewesen wären.

Im unteren Teil des Fernsehers befinden sich 3 Röhren mit Optik zum fokussieren, die das Bild

über ein Spiegel auf die Scheibe werfen.

Mit Aufkommen der Flachbildfernseher verschwanden die Rückprojektionsfernseher allerdings

wieder schnell. Heute werden diese Geräte oft bei Ebay für einen geringen Betrag verkauft oder

sogar verschenkt. Wie es der Zufall will, findet sich in Ermingen bei Ulm eine Familie, die ihr

Gerät verschenkt. Beim Zerlegen des Geräts zeigt sich, dass sich hinter der Mattscheibe eine

riesige Fresnel-Linse aus Kunststoff befindet, die für eine gleichmäßige Ausleuchtung des Bildes

sorgt. Die Projektionsscheibe ist ebenfalls aus Kunststoff und besitzt eine feine Rippenstruktur.

Die Scheibe des Rückprojektionsfernsehers ist also erste Wahl für „The Mobile Cinema“ und

wird deshalb mit dem Cutter-Messer zurechtgeschnitten und eingebaut. Wie sich später zeigt,

erreicht man mit dieser Scheibe ein äußerst brillantes Bild.

Abbildung 12: Rückpro-TV ohne Scheibe, man sieht deutlich den Spiegel

Abbildung 13: Rippenstruktur der Projektionsscheibe

Abbildung 11: Rückpro-TV mit Scheibe

Abbildung 14: Fresnel-Linse mit Projektionsscheibe


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Abbildung 17: Einklappbarer Spiegel

4. Montage und Inbetriebnahme

Zum Anbringen des Spiegels werden Alu-Vierkantrohre aus dem Baumarkt mit beweglichen

Winkelverbindern verwendet. Der Projektor wird auf einer Platte mit einer Flügelmutter

verschraubt, er kann somit leicht abgenommen werden. Der Anstellwinkel der Platte ist

veränderbar, damit man den Projektor optimal ausrichten kann. Der Spiegel wird vom Glaser

auf das richtige Maß geschnitten und mit Gewebeband auf einem Alublech fixiert.

Abbildung 15: Einzelteile

Abbildung 16: Schwenkbare Halterung für den Projektor

Abbildung 18: Gesamtansicht fertig montierter Koffer


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5. Rückblick & Aussicht

Zur Rückprojektionstechnik:

Die Idee, einen Fernseher mit LED-Projektor und Rückprojektionstechnik zu bauen stellt eine

echte Alternative zu Flachbildfernsehern/Bildschirmen dar. Es ist möglich, mit einer sehr

geringen Leistung von 5 Watt einen Bildschirm mit einer Diagonale von 26“ zu bauen. Wenn der

Fernseher an einem Solaren Inselsystem betrieben wird, ist dies ein großer Vorteil. Ein

Standard-Flachbildschirm dieser Größe benötigt etwa das 5-fache an Leistung. Im Gegensatz zu

den Rückprojektionsfernsehern der 90ger Jahre haben LED-Projektoren auch keine Aufheizzeit.

Der Nachteil ist allerdings die sperrige Bauform, die durch den Projektionsabstand und den

Umlenkspiegel gegeben ist. Zudem arbeitet der Projektor wegen des Lüfters nicht geräuschlos.

Zum LED-Projektor:

Der Philips PicoPix 2055 ist erstaunlich kompakt,

hell und effizient. Leider hat er bei der Handhabung

viele Defizite. Um mit ihm arbeiten zu können, muss

auf dem Notebook/PC zuerst eine Software

installiert werden. Die Helligkeit kann nur per

Software eingestellt werden, die

Bildschirmauflösung muss immer auf 800x600 Pixel

angepasst werden. Der Projektor hat keinen

einzigen Knopf. Es gibt keine elementaren

Einstellmöglichkeiten, wie z.B. „Spiegelung des

Bilds“, was für eine Rückprojektion nötig wäre. Auf

allen 4 Rechnern, an denen der Projektor bisher

angeschlossen war, ruckelt das Bild. Manchmal

kaum bemerkbar, manchmal aber auch so stark,

dass es unmöglich ist, ein Video anzuschauen. Der Projektor wird von keinem PC mehr erkannt,

wenn man eine USB-Verlängerung von nur 1 m Länge verwendet. Diese Defizite sind ärgerlich,

sprechen aber nicht grundsätzlich gegen LED-Projektoren . Es gibt auch schon viele andere

Geräte, die über integrierte SD-Slots, Mediaplayer und HDMI-Anschlüsse verfügen.

Abbildung 19: Benutzeroberfläche "PicoPix Viewer"


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Ausblick und Verbesserungen:

Die Projektionsfläche des Koffers sollte noch mit einer transparenten Plexiglasscheibe gegen

Kratzer geschützt werden. Der Spiegel muss jedesmal neu ausgerichtet werden. Man könnte

eine Mechanik entwickeln, dass der ausklappbare Arm in einer bestimmten Position einrastet.

Abbildung 20: Aufklappen des Koffers

Bei der Projektionsfläche könnten noch verschiedene Rückprojektionsfolien ausprobiert

werden. Eventuell lässt sich damit die Bildqualität vebessern. Es gibt hier eine Vielzahl von High-

Tech Folien mit den verschiedensten Abstrahlwinkeln und Verstärkungsfaktoren. Beispielsweise

gibt es vom Freiburger Kinoausstatter Gerriets die Rückpro-Folie „Revue“ mit einem Spitzen-

Gainfaktor von mehr als 6, d.h. die Folie transmittiert 6 mal mehr Licht, als eine weiße

Referenzfläche2. Die Firma Gerriets hat von allen Folien kostenlose Muster zur Verfügung

gestellt, allerdings können diese aus Zeitmangel nicht mehr ausführlich getestet werden. Der

helle Alu-Rahmen des Koffers könnte schwarz lackiert werden, um die subjektiv empfundene

Helligkeit des Bildes noch zu steigern.

Abbildung 21: Verschiedene Rückprojektions-Folien der Firma Gerriets GmbH

2 Die Bedingungen zur Ermittlung des Gains sind in der DIN 19045 beschrieben


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6. Anhang

6.1 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Fosera PSHS (Quelle: Fosera) ...................................................................................................3

Abbildung 2: Taschenprojektor „Aiptek V10“ ...............................................................................................5

Abbildung 3: Test des Taschenprojektors bei Tageslicht ..............................................................................5

Abbildung 4: Elektrischer Aufbau des Koffers (schematisch)........................................................................7

Abbildung 5: DC/DC Converter 3,3 V 5,0 V ..............................................................................................7

Abbildung 6: Anlöten der DC/DC Converter an die Platine des Fosera PSHS ...............................................7

Abbildung 7: Veranschaulichung Seitenverhältnis ........................................................................................8

Abbildung 8: Alu-Koffer (Quelle: Faisst GmbH) .............................................................................................8

Abbildung 9: Sandgestrahlte Plexiglasplatte. Hot-Spot als weißer Fleck erkennbar ....................................9

Abbildung 10: Die Linke Bildhälfte zeigt die Projektion auf ein Acryl-Milchglas ...........................................9

Abbildung 11: Rückpro-TV mit Scheibe ...................................................................................................... 10

Abbildung 12: Rückpro-TV ohne Scheibe, man sieht deutlich den Spiegel ................................................ 10

Abbildung 13: Rippenstruktur der Projektionsscheibe .............................................................................. 10

Abbildung 14: Fresnel-Linse mit Projektionsscheibe ................................................................................. 10

Abbildung 15: Einzelteile ............................................................................................................................ 11

Abbildung 16: Schwenkbare Halterung für den Projektor ......................................................................... 11

Abbildung 17: Einklappbarer Spiegel ......................................................................................................... 11

Abbildung 18: Gesamtansicht fertig montierter Koffer ............................................................................. 11

Abbildung 19: Benutzeroberfläche "PicoPix Viewer" ................................................................................. 12

Abbildung 20: Aufklappen des Koffers ....................................................................................................... 13

Abbildung 21: Verschiedene Rückprojektions-Folien der Firma Gerriets GmbH ....................................... 13

6.2 Kostenauflistung

Pos. Nr. Bezeichnung Preis in €

1 Philips Pico Pix 2055 (Beamershop24.net) 198,00

2 Alu Light Koffer (Fa. Faisst) 108,34

3 Aluprofile, Blech, Schrauben + Kleinteile (Bauhaus, Ulm) 22,95

4 Gelenkverbinder für Aluprofile (Bauhaus, Ulm) 9,79

5 Zuschnitt Spiegel (Glasbau Steglich, Ulm-Söflingen) 7,20

6 USB-Buchse (Ebay-Store) 3,92

SUMME 350,20


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6.3 Datenblatt Philips PicoPix 2055


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6.4 Vergleich der LED-Projektoren


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Documents

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