Zeiss Lampenhäuser, Axioskop: was passt?

[reblaus]

Hallo Timm -

für mich musst du deiner Erklärung doch noch eine Bildungsetage tiefer ansiedeln.
Wenn ich das recht verstanden habe, möchtest du einen kurzen 40 A -Puls an die LED anlegen. Es ist mir klar, dass du einen Kondensator nicht ohne weiteres über die LED entladen kannst. Aber würde es da nicht reichen, einen Ohmschen Widerstand in Serie zur LED zu schalten? Wenn du den Kondensator z.B. auf 40 V auflädst und dann über diese Strecke entlädst würde der Strom doch auch auf ca 40 A begrenzt. Die Entladekurve ist dann zwar exponentiell, aber an der LED parallel zur Drossel würde beim Abschalten doch auch kein rechteckiger Strompuls entstehen?

Wo ist mein Denkfehler?

Viele Grüße

Rolf

[Werner]

Hallo Timm!

Für steile Flanken und definierte Pulsbreite braucht man schon einen Laufzeitspeicher. Die Energie wird in Kondensatoren gespeichert, nicht im Magnetfeld.
Messe mal den Innenwiderstand der Led bei 20 A, dann Kannst Du die Ladespannung ausrechnen.
Bei einer Speicherdrossel hast Du kein abruptes Stromende.

Link:
http://www.radartutorial.eu/druck/Buch4.pdf

Gruß   -   Werner

[treinisch]

Hallo Rolf,

für mich musst du deiner Erklärung doch noch eine Bildungsetage tiefer ansiedeln.
Wenn ich das recht verstanden habe, möchtest du einen kurzen 40 A -Puls an die LED anlegen. Es ist mir klar, dass du einen Kondensator nicht ohne weiteres über die LED entladen kannst. Aber würde es da nicht reichen, einen Ohmschen Widerstand in Serie zur LED zu schalten? Wenn du den Kondensator z.B. auf 40 V auflädst und dann über diese Strecke entlädst würde der Strom doch auch auf ca 40 A begrenzt. Die Entladekurve ist dann zwar exponentiell, aber an der LED parallel zur Drossel würde beim Abschalten doch auch kein rechteckiger Strompuls entstehen-

naja, ein rechteckiger Stromimpuls entsteht so oder so nicht, man muss ihn schon abschalten.

Durch das in der Drossel herrschende magnetische Feld kann der Strom durch die Drossel ja nicht ohne weiteres abreißen, sie wird also genau den Strom, der sie im Moment des Abschaltens der Ladespannung durchfließt durch die Freilaufdiode pumpen. Natürlich nimmt dieser umgehend ab, genau wie bei ihrem Bruder, dem Kondensator, auch. Über die Induktivität kann man leicht ausrechnen, wie schnell der Strom abnimmt, eben so wie beim Kondensator über die Kapazität die Spannungsabnahme.
Wählt man die Induktivität hoch genug, kann man hinsichtlich des Pulses den Begriff "konstant" definieren.

Praktischer Weise stellt sich die erforderliche Spannung für diesen Stromfluss von ganz allein auf den richtigen Wert ein. Selbst wenn die Drossel nur mit 0.3 V "aufgeladen" wird (irgendwo in der Region wird es wohl liegen) wird beim Abschalten der Ladespannung dennoch die erforderliche Spannung an der Diode anliegen.

Beenden lässt sich der Puls schlagartig durch einfaches Einschalten der Ladespannung / des Ladestroms. Wegen Uf>>Ui ist der Strom durch die Diode dann praktisch augenblicklich wieder weg.

Gefährdet werden kann der Plan aber natürlich durch parasitäre Effekte wie Leitungsbeläge etc. Denn zur Not würde die Drossel natürlich auch einige hundert oder sogar tausend Volt an der Diode erzeugen um nur den Strom schnell genug durchprügeln zu können. Das kann man (ich) aber nicht simulieren, sondern muss es messen.


Dein Vorschlag mit dem Vorwiderstand ist absolut gangbar! Das geht! Das ist auch der Weg, den ich gehen will, wenn nichts anderes klappt. Dieser ,,Regler" hätte auch nur ein moderat zeitkritisches Verhalten, weil er vermutlich nicht sehr groß sein müsste und dem entsprechend auch eine geringe parasitäre Induktivität / Kapazität hätte. An dieser Variante stören mich ein paar Dinge: Ich kann ja den Widerstand der Diode bei der gewünschten Stromstärke gar nicht messen, weil dieser massiv von der Temperatur, dem Alter der Diode, ganz besonders, wenn ich sie massiv überlaste, und der Steilheit der Flanken abhängt. Außerdem müsste man die Spannung am Kondensator sehr genau einstellen, weil wegen der extrem steilen Kennlinie der Diode eine kleine Spannungsänderung eine große Stromänderung bewirken würde. Das genau einstellen ist aber nicht so lustig, weil der Kondensator ja asymptotisch geladen wird, die Spannung also nie konstant wird, was besonders bei einem großen Kondensator ja sehr stört. Er müsste sogar größer sein als eigentlich nötig, da ich ja durch den Widerstand eine zusätzliche Dissipation einführe.

Bei diesem Weg wäre natürlich die Regelung ein Problem, statt des Widerstandes müsste man dann einen Transistor verwenden, so besonders stark braucht der zwar nicht  sein, aber er wird ja bewusst zur Dissipation eingesetzt, sollte also schon ein paar W abkönnen. Regelung: Ich würde natürlich den Pulsstrom gern einstellen können!

Schließlich gelten für diesen Weg genau die selben Argumente, wie bei normalen LEDs: Beim nächsten Exemplar kann die Kennlinie durchaus sehr anders aussehen, am normalen Betriebspunkt ist das nicht so dramatisch, wird aber natürlich um so interessanter, je weiter man vom spezifizierten Wert weggeht. Jeder Fehler kostet Lebensdauer und bei einer 90 € LED ist viel Lebensdauer auch viel Geld. Ich hatte schon Exemplare der Cree XM-L die bei der selben Spannung einen 30 % höheren Vorwärtsstrom hatten.

Das sind meine Überlegungen.

Herzliche Grüße

Timm

[treinisch]

Hallo,

hier eine aktuelle Messung aus der Versuchsanordnung. Bestückt mit einer Cree XM-L (um mit Fehlern nicht die teure Luminus zu ruinieren).
Beachtenswert ist, dass wir hier eine Überlagerung von 76 Messungen im Abstand von 5 Minuten sehen, also fast 6 Stunden.

Achtung: Die Messung zeigt die Messung der Helligkeit der Cree LED mit einer Photodiode, also ohne elektrische Einkopplung in die Versuchsanordnung. Die blaue Kurve zeigt den Triggerimpuls.
Die Flankensteilheit habe ich über einen Gatewiderstand eingestellt, schneller möchte ich nicht, weil zu steile Flanken die Lebensdauer der Diode verkürzen. Der Strom beträgt hier allerdings auch erst 5 A, mehr möchte ich der LED im Moment noch nicht zumuten. Das kommt später :-)

Ich bin mit der Pulsform, den Flanken und der Präzision soweit erstmal zufrieden.


Herzliche Grüße

Timm







Edit: Ich hänge noch ein Bild von der Speicherdrossel (man beachte das helical = quer gewundene Kupferband :-)) und von der trivialen Schaltung an (die Platine hat einige Revisionen durchgemacht, deswegen sieht sie jetzt etwas wie ein Beweisstück in einer Brandermittlung aus :-):

[wilfried48]

Hallo Timm,

phantastisch gute Pulsform und das bei diesem "fliegenden" Aufbau !
Für die Blitzbelichtung reicht dieser Zeitverlauf dicke aus. Ein konventieneller
Blitz zeigt bei 1/20000 sec einen viel schlechteren Zeitverlauf. Mit dem jetzigen Aufbau könntest du ja schon bei 1/100000 sec noch eine einigermassen vernünftige Pulsform erzeugen.
Ich würde jetzt mal auf die 1/100000 sec gehen und eine Strom/Helligkeitskurve an der billigen Cree XLM durchführen bis sie durchknallt. Entscheidend für einen LED Blitz ist ja, ob die Helligkeit einigermassen proportional ansteigt oder ob sie irgendwann in eine Sättigung geht und man nur noch die LED "durchheizt".

Und bitte mach hierzu einen neuen thread mit angepasstem Thema auf, die Ergebnisse sind jetzt schon zu interessant um in einem Lampenhaus Thema unterzugehen.

viele Grüsse
Wilfried

[treinisch]

Hallo Wilfried,

ich denke, wenn alles fertig ist, mache ich mal einen Thread auf um alles in der Gesamtschau zu zeigen, da hast Du sicherlich recht.

Ich habe das mit der Helligkeit mal ausprobiert, mit 10 µs Pulsen mit der Cree XM-L. Man merkt schon, dass Blitze eine ganz andere Energie haben als LEDs, das wird ein extrem spannendes Projekt.

10 A bringen im Vergleich zum absoluten Maximum von 3 A einen Gewinn von 60 %. Ich finde, das ist schon mehr als nichts, aber klar, man sieht schon, dass der Wirkungsgrad deutlich abnimmt:

Gemessen: Cree XM-L, Pulse von 0.2 bis 10 A, Pulsdauer 10 µs

Herzliche Grüße

Timm

p.d.u. = prozedure defined unit, s.u.


Messverfahren: Ich habe eine weiße Pappe angeblitzt und fotografiert, die Belichtungszeit betrug 8s und ich habe 10 Blitze a 10 µs innerhalb von 5 s auf die Pappe geworfen. Die angegebenen Zahlen geben den Mittelwert aller Pixel indexiert auf den Wert bei 3 A an.

[reblaus]

Hallo Timm -

sehr nützlich! Man ahnt aber schon, dass irgendwo in der Gegend von 5 x I max der wirtschaftliche Endpunkt erreicht sein wird. Aber da man bei Mikroaufnahmen lebendiger Objekte auch ruhig mal mit der Kameraempfindlichkeit ins leichte Rauschen gehen kann, denke ich, das die 1/20.000 Blitzdauer erreicht werden können - und wenn das mit einer LED klappt, die man auch für Normalbetrieb verwenden kann wäre das hervorragend, zumal dann auch keine Verluste im Strahlenteiler Blitz/LED auftreten.

Ich drücke mal heftig die Daumen!

Rolf

[wilfried48]

Hallo Timm,

das deckt sich mit Messungen die ich auch schon an einer Cree XL-M gemacht hatte, allerdings mit einer Kondensatorentladung und deutlich unsauber definierten Pulsformen und Pulslänge und einem Taster als Schalter. Weniger als 200 µsec (Fussbreite des Pulses) konnte ich wegen des Tastenrprellens nicht sauber einhalten und der Helligkeitsgewinn im Puls war dann etwa der Faktor 2 gegenüber der Helligkeit bei Normstrom 3A, bevor die Cree XM-L ihr Leben aushauchte.
Aber jetzt kann man mal hochrechnen im Vergleich zu meinen im Jahr 2010 an einer 3W LED gewonnenen praktischen Ergebniss von 2010:
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=2308.msg13145#msg13145

Die damalige LED hatte einen Lichtstrom von ca. 200 lumen bei Nennstrom 1A und man hatte beim 10 x Objektiv im Hellfeld ca. 1/20000sec
Belichtungszeit. Die Cree XM-L ist bei Nennstrom mit 1000 lumen 5x heller und die Luminus CBT  140 mit ca. 3000 lumen ca. 15 mal heller und wenn man im Puls ca. den Faktor 2 gewinnt, dann wäre man im Vergleich zu den damaligen Ergebnissen 30 x heller und auch für Verfahren wie PH oder DIC
ausreichend gerüstet. Zumal man ja gegenüber meinen damaligen Versuchen auch noch die Isozahl etwas erhöhen könnte, wie Rolf richtig bemerkt.

Wichtig hierzu ist jedoch die von dir entwickelte Ansteuerschaltung mit stabil kontrollierter Pulsform, sodass man nahe und trotzdem sicher an die Belastungsgrenze der teuren LED gehen kann.

Ich freue mich schon auf deine ersten Ergebnisse mit dem neuen Lampenhaus am Mikroskop. Falls du da Untersützung bei der Anpassung durch Dreh- bzw. Fräsarbeiten brauchst so lass es mich wissen.

viele Grüsse
Wilfried

[treinisch]

Hallo ihr beiden,

prima, dass euch mein Projekt interessiert, das motiviert natürlich! Wobei ich auch selbst sagen muss, dass die bisherigen Ergebnisse durchaus nicht un-vielversprechend sind.

Vielen Dank für das Angebot, bei Dreh- oder Fräsarbeiten behilflich zu sein, solche müssten sicherlich anfallen.


Der Gedanke die Originalmechanik zu verwenden erscheint mir im Moment etwas heikel, weil die ganze Konstruktion doch etwas schwer wird für die etwas schwachbrüstige Mechanik. Diese ist ja nur für eine Halogenbirne ausgelegt. Selbst die reine LED ist mit 30 g schon ein ganz schönes Schwergewicht (sie sitzt auf einer massiven Messingplatine).

Da sie einen eingebauten Temperatursensor hat, ist das Thema Kühlung nicht so extrem kritisch, aber ein bisschen Wärmeabfuhr müsste doch  noch vorgesehen werden, gerade wenn der minimale Betriebsstrom bei 1 A liegt.


Ein bisschen frage ich mich im Moment, ob ich nicht einfach eine passive Wasserkühlung verwenden sollte, dann würde die Original-Mechanik unter Umständen noch funktionieren und ich könnte die Induktivität und die Leistungselektronik für die Ansteuerung mit in das Lampenhaus packen, das wäre natürlich optimal. wegen der kurzen Leitungen.

Viele Grüße

Timm

[reblaus]

Hallo Timm -

nach einer Schonfrist wollte ich mich mal nach deinen Fortschritten erkundigen!

Nachdem eine stärkere Lampe an meinem Axioskop für mich so notwendig ist wie das bekannte Fahrrad für den Fisch, juckt es mich doch gewaltig mal zu sehen was aus dieser mächtigen LED rauszuholen ist.

Wenn man auf die Verstellmöglichkeit verzichtet, bietet sich der Kühlkörper der Axiohalogenleuchte dazu an einen Aluklotz von etwa 50 x 20 mm x 30 mm darauf zu montieren, der die LED trägt. Der Einsatz mit dem Kollektor wird dann darüber geschoben. Oben könnte man auf die Leuchte einen Prozessorkühler setzen - die Luft hätte durch das Plastikgehäuse um den Kühlkörper sogar eine Zwangsführung, sodass sicher keine Wasserkühlung notwendig wäre und das Teil sogar noch ansehnlich bleibt.

Vielleicht fange ich erst mal klein an - mit einer SST-90, die CBT-90 scheint ja nicht wesentlich billiger zu sein als die CBT-140. 

An Blitzen würde ich allerdings erst dann denken, wenn deine Stromversorgung dafür lieferbar sein wird 

Viele Grüße

Rolf

[treinisch]

Hallo Rolf,

wie immer, ein Projekt mit Tücken und ich bin beruflich im Moment sehr viel unterwegs.

Ich musste für die Ansteuerung erstmal einen stärkeren FET finden, der geeignet ist, der hat dann natürlich wieder eine höhere Gatekapazität, aber da habe ich jetzt einen prima Baustein, der auch zu wirklich moderaten Verlustleistungen im Ruhebetrieb führt.

Zwischendurch konnte man mit der Schaltung einen Fotoapparat (Panasonic Lumix GH2) im Nebenraum im Bulb-Modus ,,belichten", allein durch die Störimpulse :-)

Der Stand der Dinge ist jetzt, dass ich die Ansteuerung soweit fertig habe, dass ich 60 A Impulse erzeugen kann, wobei bei 60 A die Flanken nur noch eine Steilheit von 1.5 µs haben, aber das sollte reichen und die elektromagnetischen Störpulse sind schwach genug, dass man in der Nähe einen Fotoapparat betreiben kann, meines Erachtens ist das Thema Ansteuerung damit erstmal wieder erledigt.

Das Ausnutzen der bestehenden Mechanik fällt damit allerdings flach, denn die LED muss direkt an der Drossel montiert werden, so dass das zu justierende Gesamtgewicht immerhin in der Region von 1kg liegt.

Das Thema Kühlung wollte ich erstmal vergessen, denn für die Blitze spielt Kühlung ja überhaupt keine Rolle, ich habe aber schon ein paar Experimente mit normalen Kühlern gemacht, Wasserkühlung ist wohl nicht notwendig.

Der nächste Schritt ist, dass ich morgen das Mikroskop in den ,,Hobbyraum Elektronik" tragen und probieren wollte, ob ich nicht eine provisorische Adaption durch Unterlegen von dünnen Blechen und vorsichtiges Schieben und Schubsen machen kann, damit ich erstmal ein Gefühl dafür kriege, wie viel Licht da überhaupt im Spiel ist, vielleicht braucht man ja auch gar nicht so extreme Strompulse.

Vlg

Timm

[reblaus]

Hallo Timm -

betr. Flankensteilheit meine ich mich zu erinnern in einem Datenblatt die Anmerkung gelesen zu haben, dass bei Pulsbetrieb der Anstieg von 10% auf 90% der Grenzlast die 1,5 µsec nicht übersteigen solle. Aber wahrscheinlich ist Pulsbetrieb im Normalbereich ja was anderes als ein gelegentlicher Blitz bei 60 A.

Eine gute Nacht noch!

Rolf

[treinisch]

Hallo Rolf,

ich denke, dass ist ein sehr wichtiger Punkt, vor allem weil LEDs ja keine ordinären ohmschen Leiter sind und wenn ich versuche schneller zu schalten, als die Einschalttransienten sind, wird die Drossel ein Massaker anrichten. Die würde ja zur Not auch auf 500 oder 1000 V hochgehen um den Strom durch die Diode zu prügeln.

Ich habe die Schaltung jetzt so geändert, dass ich das Einschalt- und Ausschaltverhalten separat konfigurieren kann, bin jetzt aber mit dem Thema durch und will jetzt endlich mal versuchen, eine Diode ans Mikroskop zu bekommen :-)

Hier noch mal zwei Bilder von der aktuellen Version





Und so sehen rund 300 Blitze mit 5 µs / 40 A aus. Nicht mehr so schön, aber immer noch ganz ordentlich.





Vlg
Timm


P.S.: Das Zinnmassaker dient natürlich dazu die Leiterbahnen zu verstärken, damit sie nicht so warm werden.

[treinisch]

Hallo,

so, ein erstes Ergebnis:

Die folgenden Bilder zeigen die Helligkeitswerte bei verschiedenen Stromstärken für die Luminus und die Cree durch das Mikroskop geblitzt.

Ich denke, die Ergebnisse sind so mittel: Die Luminus bringt zwar sehr viel mehr Licht, als die Cree und ich denke, für Hellfeld reicht es absolut, aber so viel, wie man hätte hoffen können ist es dann doch nicht. Wobei 5 µs Blitzdauer natürlich auch schon ein sehr sehr ordentlicher Wert sind. Welche Kurve die Luminus zeigt, und welche die Cree XM-L erklärt sich von selbst :-)



vlg
Timm


P.S. Ich halte die Chance ein echtes ordentliches Bild zu erhalten ab einem Wert von 0.25 in dieser Abbildung für gegeben.