# Hardware-Konzept

## 1. Systemübersicht

Das Lasertag-System besteht aus einer hierarchischen Architektur, bei der ein Leader-Element mehrere Westeneinheiten mit zugeordneten Waffensystemen steuert.

```mermaid
graph TD
    Leader((Leader))
    
    Leader --> Weste1[Weste 1]
    Leader --> Weste2[Weste 2]
    
    Weste1 --> WaffeA(Waffe A)
    Weste1 --> WaffeB(Waffe B)
    
    Weste2 --> WaffeC(Waffe C)

    %% Styling (Optional)
    %% style Leader fill:#f96,stroke:#333,stroke-width:2px
    %% style Weste1 fill:#bbf,stroke:#333
    %%       style Weste2 fill:#bbf,stroke:#333 -->
```
## 2. Schaltungskomponenten

### 2.1 LED-Treiber

#### Grundkonzept

Der LED-Treiber realisiert eine präzise Konstantstromquelle als Hybridschaltung aus PNP- und NPN-Transistoren. Diese Architektur ermöglicht eine stabile und effiziente Ansteuerung von Infrarot-Leuchtdioden mit definierten Stromwerten.

![LED DRIVER](img/concept_hardware_led_driver.svg)

#### Stromeinstelling

Der Zielstrom wird über den Messwiderstand $R_{set}$ eingestellt. Die Berechnung folgt der Formel:

$$R_{set} = \frac{0,65V}{I_{LED}}$$

Die folgenden Tabelle zeigt typische Stromwerte, die erforderlichen Widerstände und die entsprechenden Anwendungsfälle:

| Stromstärke ($I_{LED}$) | Widerstand ($R_{set}$) | Ausgangsleistung ($P_{min}$) | Einsatzbereich |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| 0,5 A | 1,30 $\Omega$ | 0,5 W | Standard / Nahkampf |
| 1,0 A | 0,65 $\Omega$ | 1,0 W | Hohe Reichweite (SFH 4550) |
| 2,0 A | 0,33 $\Omega$ | 2,0 W | Extrem hohe Leistung (Pulsbetrieb) |
| 3,0 A | 0,22 $\Omega$ | 3,0 W | Scharfschützen-Modus (Oslon Black) |

#### Thermische Betrachtung

Im Lasertag-Betrieb werden die Infrarot-Signale hochfrequent moduliert (beispielsweise mit 38 kHz). Dies führt zu einem signifikant geringeren mittleren Wärmeeintrag in den Messwiderstand als eine kontinuierliche Strombelastung suggeriert:

$$P_{avg} = (R_{set} \cdot I_{LED}^2) \cdot \text{Duty Cycle}$$

!!! info "Bedeutung der Widerstandsspezifikation"
    Obwohl die Duty-Cycle-Modulation die durchschnittliche Verlustleistung reduziert, müssen Widerstände für $R_{set}$ für die auftretenden Stromspitzen ausgelegt sein. Wir empfehlen impulsfeste Typen (Metallschicht- oder Drahtwiderständen), um die Stromspitzen bis zu 3 A ohne Materialermüdung zu verkraften.

#### Spannungsversorgung und Headroom-Anforderungen

Die Konstantstromquelle benötigt eine Mindestverspannung zwischen Versorgung und Ausgang, um präzise die Sollstromstärke zu halten. Diese sogenannte Headroom-Spannung errechnet sich aus:

$$V_{CC} > V_{f(\text{LED})} + 0,65V + 1,0V_{\text{Headroom}}$$

**Kritischer Aspekt bei Lithium-Ionen-Akkus:** Die Akkuspannung sinkt während der Entladung kontinuierlich. Unterschreitet $V_{CC}$ den erforderlichen Schwellwert, bricht die Regelung zusammen und der LED-Strom kann die Sollvorgabe nicht mehr erreichen. Dies führt zu einer drastischen Reduktion der Reichweite des Senders.

Die Minimalspannung für stabilen Betrieb wird bestimmt durch:

$$V_{CC,\text{min}} = V_{f(\text{LED})} + V_{R_{set}} + V_{\text{Headroom}}$$

Die folgende Tabelle zeigt die erforderlichen Minimalspannungen für verschiedene Stromvorgaben und die Eignung unterschiedlicher Akkusysteme:

| Stromstärke ($I_{LED}$) | Typ. LED-Spannung ($V_{f}$) | Erforderliche Spannung ($V_{CC,\text{min}}$) | Akku-Empfehlung |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| 0,5 A | ~2,0 V | 3,65 V | 1S (nur bei voller Ladung) |
| 1,0 A | ~2,4 V | 4,05 V | 2S empfohlen |
| 2,0 A | ~2,8 V | 4,45 V | 2S erforderlich |
| 3,0 A | ~3,2 V | 4,85 V | 2S erforderlich |

!!! warning "1S-System: Einschränkungen unter Last"
    Ein einzelner 1S Li-Po Akku sinkt unter hohen Stromlasten schnell auf 3,4 V bis 3,6 V ab. Für konstante Reichweite bei Strömen ab 1 A ist ein 2S-System daher technisch überlegen.

#### 2S-Akkusystem: Komplexität und Lösungsansätze

Ein 2S-Akkusystem bietet zwar Spannungsstabilität, erfordert jedoch anspruchsvollere Schutz- und Überwachungsfunktionen:

- **Laden:** Moderne 2S-Ladechips mit integriertem Balancing (beispielsweise der IP2326) ermöglichen vereinfachte Ladevorgänge.
- **Zellenschutz:** Ein Zellenschutz-IC wie der HY2120-CB in Kombination mit einem Dual-Channel MOSFET (beispielsweise FS8205A) verhindert Über- und Unterspannungszustände.
- **Fuel Gauge:** Spezielle Fuel-Gauge-ICs für 2S-Systeme sind selten oder komplex. Als praktische Alternative wird eine Spannungsteiler-ADC-Messung zur Ladezustandsabschätzung eingesetzt. Der Spannungsteiler muss durch ein Schaltgattersystem steuerbar sein.

### 2.2 Akku-Überwachung (Fuel Gauge)

#### Spannungsmessung bei 2S-Akkus

Für 2S-Akkusysteme mit Spannungen bis 8,4 V wird die Akkuspannung über einen Spannungsteiler auf den ADC-Eingangspegel reduziert. Dieser Messwert dient zur Ladezustandsabschätzung und Fehlerdiagnose.

#### Schaltungskomponenten

| Komponente | Wert | Funktion |
| :--- | :--- | :--- |
| $R_1$ | 100 k$\Omega$ | Spannungsteiler – oberer Zweig |
| $R_2$ | 47 k$\Omega$ | Spannungsteiler – unterer Zweig |
| $C_1$ | 100 nF | Glättungskondensator am ADC-Eingang |

#### Softwarelogik

Die Ladezustandsbestimmung erfolgt in drei Schritten:

1. **ADC-Konvertierung:** Der Rohwert des ADC-Eingangs wird eingelesen.

2. **Spannungsrückrechnung:** Die Realspannung wird aus dem ADC-Wert berechnet:
   $V_{\text{bat}} = V_{\text{adc}} \cdot \frac{R_1 + R_2}{R_2}$

3. **Ladezustand-Mapping:** Die Batteriespannung wird auf einen prozentualen Ladezustand abgebildet:

   - **6,0 V** → 0 % (Entladungsschutz aktiv)
   - **8,4 V** → 100 % (vollständig geladen)

   Für höhere Genauigkeit können mehrere Messpunkte verwendet und linear interpoliert werden.
