LED Projekte

Der modulare Lampenkopf kann sowohl verschiedene Linsen, als auch LEDS unterschiedlicher Hersteller
tragen. Hier ist eine matierte Floodlinse montiert.



LEDTUBE Lampenkopf ausgelegt für LED Leistungen 3 - 10W. Länge 80mm Durchmesser 35mm CNC gedreht oder auch 3D Druck aus Alumide. Montagebolzen M8 Edelstahl, Stativkugel oder auch Helmkamera-adapter. Silikonverguss mit integrierter Elektronik und wasserdichter Bedienknopf. Lampenköpfe: IR-cluster, white spot, flood oder wie auch hier gezeigt elliptisch als Balkenstrahler für z.B. Bootsscheinwerfer.
Eingangsspannung: 6-32V
Thermische Überwachung der LED mit Leistungsrücknahme: Ja
Verpol: Ja
Remote: Ja
Batterie - Tiefentladeschutz: Ja
Status Blinksignal LED zur Batterieanzeige: Ja
DIMM-Frequenz: 350 Hz
MCU: PIC16F

LED stepper Platine, 28x28 mm, mit besonderen Merkmalen:
Diese Steuerung besitzt keinen speziellen LED IC, sondern erzeugt die PWM für den stromgeregelten Schaltregler mit einem PIC 16F1765 einer Opamp, Komparator und DAC Kombination, so dass verschiedene Stromstärken per Software gewählt werden können. Der Microcontroler überwacht die Temperatur der LED direkt. Der Spannungsabfall des Ladekondensators parallel zur LED liefert einen Wert, der umgekehrt proportionial zur Temperatur der LED ist. Vorteil der Widerstand der Kabelzuleitung zur LED kann vernachlässigt werden. Die Schaltung besitzt ausserdem eine spezielle geschützte aktive Abschaltung eines PNP Transistors. Es wird also kein MOSFET eingesetzt, sondern ein PBSS5560PA von NXP: 60V/5A bei 2.1x2.3 mm Größe. Bipolare Transistoren können noch in speziellen Anwendungen besser als MOSFETS sein, wenn nur sehr kleine Differenz-Spannungen vorliegen. Der Microcontroler kann natürlich Dimmen, sich den Dimmwert merken, als digitales Poti die Gesamtschaltung abgleichen, die LED Temperatur begrenzen, sowie den LED Typ bestimmen, er kann ausserdem mit einem PC verbunden werden, um die aktuelle LED Junction Temperatur in Echtzeit anzuzeigen.

Bei starker Dimmung wird es sichtbar: der Cree Chip hat 156 einzelne LEDs verschaltet zu 12 x 13.

LED Power driver PCB für CREE CXA3050 50W 6000 Lumen. Die Temperatur des LED Chips wird auch hier direkt überwacht. Der Treiber erzeugt eine 1kHz PWM zum Dimmen. Dadurch kann das Licht gut ohne Flickereffekte für Videoaufnahmen genutzt werden.

LEDs benötigen eine sehr gute thermische Anbindung an den Kühlkörper. Die CXA Plättchen sind aus besonders gut wärme leitfähiger Keramik gemacht. Die Plättchen sollten über federnde Klammern auf den Kühlkörper gedrückt werden. Zwischen Kühlkörper und LED braucht man einen sehr guten weichen thermischen Übergang. Zur Überprüfung der thermischen Anbindung befindet sich auf der LED selber ein Referenzpunkt auf dem ein thermischer Sensor gelötet werden kann. Ungeeignete thermische interface Materialien (TIM) können hier zu einer Differenztemperatur von zig Grad führen und es kann dadurch leicht zu einer Überhitzung der LED führen. Nur die thermische direkte Überwachung der LED während des Betriebs kann dies feststellen, wenn man nicht den Sensor auf dem Chip verwenden wollte.

Das Konzept und die thermische Kühlaufgabe ist völlig gleich der Prozessorkühlung innerhalb eines PCs, Auch hier wird über das Bios des Motherboards die Temperatur des Prozessors überwacht und der Lüfter gesteuert. Insbesondere Schmutz Alterung, bzw. Versprödung von Wärmeleitpaste kann stark die Kühlleistung mindern, so dass eine Überwachung des Chips oder Prozessors erforderlich ist.

Bei den Array LED Chips ist ein Tausch bzw. Montage der Chips ohne Lötung möglich. Die besten thermischen Anbindungen werden durch Folien aus Kohlenstoff erreicht, die ohne Klebstoff eine dauerhafte, gleitfähige, elastische Anbindung ermöglichen. Wichtig ist, dass eine Montage oder fehlende TIM optisch nicht überprüfbar ist. Die Qualität der thermischen Kopplung kann nur durch die Software der LED Steuerung oder des Fühlers auf dem Chip erfolgen.

Wird ein Tempertur Fühler auch nur wenig weit von der LED entfernt montiert, so ist bereits eine zeitliche Verzögerung und Trägheit vorhanden. Falls eine vernünftige thermische Abregelung erfolgen sollte, so kann es leicht zu einem Pumpvorgang kommen. Die Kühlung muss ausserdem überdimensioniert werden, da die Reaktionsträgheit eingerechnet werden muss.

Die Nucon Software erreicht eine hohe Genauigkeit von -30° bis 120° p/m 2°.

Da die Messung und Bestimmung der Temperatur der LED direkt erfolgt, kann eine Abregelung unverzüglich und schärfer erfolgen.

Durch die Nucon Software wird nicht nur ein zusätzlicher Temperaturfühler eingespart, es kann auch die Größe des Kühlkörpers reduziert werden, Dies ist insbesondere für mobile Anwendungen von Interesse, bei der die Temperaturen stark schwanken und zudem Gewicht hohe Kosten verursacht.

LED-TEMPERATURE-PROTECTION.COM

CXA 3050 mit Klammerhalterung und Graphit Folie als TIM Anbindung. Die Array Chips besitzen einen Tc Referenzpunkt zur Temperaturmessung.

Wissenschaftlich untersucht und in der Fachliteratur zu finden: Wärmestress verkürzt erheblich die Lebensdauer von LEDs. Grafik wurde nachgezeichnet aus der Publikation: "A Review on the Physical Mechanisms That Limit the Reliability of GaN-Based LEDs Matteo Meneghini, Augusto Tazzoli, Giovanna Mura, Gaudenzio Meneghesso and Enrico Zanoni"

Werden LEDs immer unterhalb einer junction Temperatur von 80° C betrieben, dann sind maximale Lebensdauern von 50.000 Stunden möglich.

Da die Umgebungstemperaturen für LEDs innerhalb von Frontscheinwerfern schnell bei 60-80° liegen, ist es klar, dass bei dieser Anwendung die Auslegung des Wärmemanagaments auf eine Lebensdauer von ca. 6000h ausgelegt ist.

Wichtig dabei ist, dass überhaupt eine Temperaturüberwachung innerhalb des Systems vorhanden ist.

Werbung für Lebensdauern für Leuchten und Leuchtmittel ohne jegliche Temperaturregelung sind also im wesentlichen Versprechungen auf Annahmen von gemittelten Werten.

LEDs sind in großer Variantenzahl mittlerweile auf dem Markt. Das heisst für den jeweiligen Zweck gilt es, die beste Kombination aus Linse und LED zu finden. LEDs sind monochromatisch. Für weisses Licht wird eine Mischung von verschiedenen LEDs benötigt oder man benötigt einen Leuchtstoff, der einen Teil von blauen Lichts in gelb umwandelt. Hier ein paar Beispiele von unterschiedlichen LEDs mit Leuchtstoff (weisse LEDs) und der daraus unterschiedlichen Resultate:

Diese LED liefert in einem Spot Reflektor einen Superspot, allerdings nur von dem blauen Licht. Das gelbe Licht wurde leider gestreut. Wieso das?
Antwort: Der blau leuchtende Chip befindet sich im optimalen Fokusabstand zur Linse und wird deswegen optimal gebündelt. Das gelbe Licht wird im gesamten Volumen der Halbkugel der LED erzeugt, so dass das meiste Licht nicht gebündelt werden kann. Achtung trotz der 3W erzielt man weniger Leuchtweite oder maximale Strahlintensität im Mittelpunkt als manche LED geringerer Leistung!

ASMT-Jx3x @ 3W

Dies ist der Spot einer besseren LED Taschenlampe. Dieser Spot besitzt keinen chromatischen Fehler, wieso? Antwort: Der Silikon Dom der Linse ist klar und der Farbstoff ist flach direkt auf der LED aufgetragen. Hokus Fokus gewinnt deswegen deutlich gegen den blauen Spot der Avago. Diesen negativen Effekt der Avago findet man leider öfter als man denkt und dieser Effekt hat nichts mit der Farbtemperatur der LED zu tun, sondern mit einer falschen optischen Anwendung. Wenn ein Fahrradfrontlicht einen ins Blaue fahren lässt, dann kann dies durch eine schlechte Auswahl des Leuchtmittels verursacht worden sein.

Da ja bekanntlich Hubraum nur durch noch mehr Hubraum ersetzt werden kann wurde jetzt eine CREE XMLBWT in den gleichen Reflektor verbaut und mit etwas mehr als 3W betrieben. Die XML hat ebenfalls den Leuchtstoff direkt auf dem Chip. Allerdings eine sehr viel größere Chip Oberfläche. Das Bild zeigt das spannende Ergebnis: links Taschenlampe, mittig die starke XML und rechts das schwächliche Blau der Avago.
Natürlich sind diese Bilder durch den Farbabgleich der Kamera nur relativ nutzbar und das menschliche Auge adaptiert ebenfalls in der Dunkelheit. Allerdings ist Messen Vergleichen und insofern sind diese Bilder schon eine Aussage mit Bestand.

Licht zur Fotografie und Film ?

Hier sieht man ein Bild einer elliptischen Linse stark abgedunkelt mit davor erkennbarem LEDTUBE. Dieses Licht dient z.B. als Positionsleuchte für ein Rennruderboot, damit man in einem großen Winkel von großer Entfernung gesehen werden kann !

Rowinglight.com

Dieses Bild zeigt eine fokussierbare Taschenlampe in der Weitwinkeleinstellung. Man erkennt, dass die Intensität von der Mitte in einen hellen Ring auswandert. Scharfe Abgrenzungen bleiben erhalten, in der Mitte ergibt sich ein dunkles Loch. Genau dort, wo ja das Objekt zentral zum Fotografieren positioniert wird. Schlechtes Ergebnis.

Hier sieht man jetzt den Vorteil der LED mit Leuchtstoff verteilt im LED Dom kombiniert mit einer matierten Weitwinkellinse: Weiche Übergänge mit einem Helligkeitsabfall vom Zentrum zum Randbereich. Auch Bereiche, die jetzt weit ausserhalb des Bildbereiches liegen, werden noch leicht beleuchtet. Gutes Ergebnis !

Extreme Spotscheinwerfer sind sehr schwer mit LEDs zu erreichen, schon gar nicht mit Cree XML, wenn sie in einer 32mm Linse verbaut wird. Links sieht man, wie sich eine OSTAR LED mit sehr kleiner Chipgröße sehr gut in einer 26mm Linse und 32mm Linse fokussieren lässt. Rechts ein Cluster OSTAR Prototyp, der sehr präzise ausgerichtet wurde. Produktentwicklung, die möglicherweise im MIL-Bereich eingesetzt werden wird. Große LED Emitter, womit die Chipfläche gemeint ist und nicht das Package, benötigen auch größere Optiken. Wird eine Optik benutzt ist die Linse auf der LED eher Unsinn als Nutzen.

Nachrüstung von Halogenscheinwerfern oder Lampen mit LEDs ist schwierig, weil die LED Halbleiter als Strahlungsquelle, die Abmessungen des Halogenleuchtmittels nicht oder kaum überschreiten dürfen. Das Verkaufen von LED Soffittenlampen als Leuchtmittel für zum Beispiel einer Bug oder Hecklaterne Serie 3562 ist somit schon eine Unverschämtheit und das Einsetzen einer solchen LED siehe unten eine ziemliche Dummheit. Ein relativ gutes Leuchtbild mit Hell Dunkelzonen erreicht man mit einer einzigen Osram Osslon auf einem Aluträger. Eine Punktquelle durch eine Soffitenlampe mit vier Punkten ersetzen zu wollen, ist eben schon eine ziemliche Dummheit, wird aber leider gemacht und diese dann am besten noch verdreht........

Modernes Frontlichtmodule für Ablend und Fernlicht. Muster zur Untersuchung der LED Temperaturmessmethode zum Einsatz im Automobil.

LED Reitlampe am Steigbügel: Die LED Treiberplatine nutzt einen PIC16F1765 zum direkten PWM treiben zweier LEDs. Beide LED Kanäle sind einzeln steuerbar, wobei Rot auch als Blinkmodus wählbar ist. Versorgt wird die Leuchte mit 4 AAA Zellen, so dass eine sehr lange Laufzeit ermöglicht wird von ca. 20 Stunden. Die LEDs sind mit Linsen ausgestattet, so dass eine optimale Lichtverteilung erreicht wird. Bei völliger Dunkelheit kann man den Bereich vor den Hufen gezielt ausleuchten, ohne andere - einschliesslich das Pferd - dabei zu blenden. Das Licht kann auch als universelle Taschenlampe eingesetzt werden. Da die Leistung hier im 250mW Bereich nur liegt, muss keine besondere Kühlung der LEDs erfolgen. Steuerung über Tastschalter.