Experiment: 5 µs Blitze mit 80 W LED

[treinisch]

Hallo liebe Mitglieder des Forums,

in diesem Thread möchte ich gern einige vorläufige Ergebnisse meiner Experimente zum Thema LED-Blitzen vorstellen.

Das Problem mit LEDs ist, dass sie im Vergleich zu den mörderischen Blitzenergien die ein normaler Fotoblitz abgibt, einfach nur bescheidene Lichtmengen zur Verfügung stellen.

Der vielversprechendste Kandidat unter den LEDs ist nach meinem Dafürhalten die Lumix CBT-140. Sie hat aus meiner Sicht vier interessante Eigenschaften: Single-Chip, also insbesondere kein Array. Der Chip ist genau so groß wie die Glühwendel der 50 W Lampe im Axioskop-Lampenhaus, also insbesondere nicht größer. Auf dem Chip sitzt keine Linse, sondern man blickt durch ein plattes Sichtfenster direkt auf den platten Chip und der spezifizierte Dauerstrom beträgt 21 A.

Es kann durchaus Sinne ergeben, LEDs zu ,,übertackten":

Die folgende Abbildung zeigt Messergebnisse für die klassische Cree XM-L und die LUMINUS CBT-140 durch ein Mikroskop geblitzt bei verschiedenen Strömen.
Die Streuung in den Helligkeitswerten kommt zustande, weil das Netzteil mit der sehr geringen Impedanz der Blitzschaltung etwas gefordert ist (16 mΩ inkl. Zuleitungen):



Es handelt sich dabei um Pulse mit etwas über 5 µs Dauer, die extrem gut reproduzierbar sind: Die Abbildung zeigt eine Überlagerung von 337 Pulsen bei 40 A, (Zeitachse: 1 µs pro Einheit):




So sieht der Versuchsaufbau im Moment aus:
(Links im Bild die LED)


Und hier erste Ergebnisse: Ich habe einen Lüfter mit 9600 U/Min mit 5 facher Vergrößerung fotografiert:

1. Ruhezustand


2. In Bewegung mit klassischem Blitz (1/25 000 s, Meca )


3. In Bewegung mit LED-Blitz (5 µs, 15 Ampere)


4. LED als Stroboskop (5 µs im Abstand von 150 µs, 15 Ampere)


Ich finde die Ergebnisse sehr ermutigend. Von der Helligkeit her ist noch Luft drin, etwa Faktor 2 bei dann 60 A pro Puls, obwohl die Kurvenform des LED-Blitzes zwar für die LED ganz gut ist, ist sie aber für die Unschärfe natürlich beim normalen Blitz besser, dennoch ist die LED geblitzte Aufnahme noch mal schärfer als das schnellste, was der klassische Blitz hergibt. Stroboskopaufnahmen mit Abständen von 150 µs und darunter sind natürlich mit einem klassischen Blitz gar nicht machbar.

Die Blitz-LED kann bei 100 kHz per PWM gedimmt werden und kann so gleichzeitig als leistungsfähiges Pilotlicht dienen. 1 A, 4% duty ergeben die obige Aufnahme ohne Bewegung mit 1/1600s im Hellfeld.

To do:
Die LED muss noch direkt auf die Platine, das verbessert drastisch die Kurvenform und beim Nachbarn geht dann nicht mehr der Fernseher aus, wenn geblitzt wird und das Thema Kühlung muss angegangen werden. Die Treiberschaltung ist soweit in Ordnung, selbst bei 60 A tritt kaum Erwärmung auf.

Soweit mein Zwischenstand. Bin gespannt, was ihr dazu sagt!

Viele liebe Grüße
Timm

[kds315]

Gefäält mir sehr gut!

Wie sieht den die Treiberschaltung aus? Das würde mich interessieren (Schaltbild).

[reblaus]

Hallo Timm -

da ich theoretisch etwas unterbelichtet bin - könntest du mal eine Größenordnung geben, wie viel stärker denn der Kondensatorblitz bei 5 µsec im Vergleich zum 50 A-Blitz aus der Diode ist?

Viele Grüße

Rolf

[treinisch]

Hallo Rolf,

Hallo Timm -

da ich theoretisch etwas unterbelichtet bin - könntest du mal eine Größenordnung geben, wie viel stärker denn der Kondensatorblitz bei 5 µsec im Vergleich zum 50 A-Blitz aus der Diode ist?

das ist eine gute Frage! Ich glaube es gibt keine Antwort.

Ein Versuch: Ich meine mein Metz hätte rund 50 J bei 1/1 macht dann bei 1/128 ungefähr 400 mJ.

Die LED bekommt recht genau 50 A für 5 µs, bleibt die Frage, wie groß die Vorwärtsspannung bei dem Strom ist, dafür gibt es natürlich kein Modell. Wenn ich an Messpunkte meiner CBT-140 eine Arrhenius-Kurve fitte, komme ich auf 4.1 V, nachmessen möchte ich das nicht :-)

Macht also für die LED 1 mJ bei 5 µs.


Was genau das bedeutet, dürfte aber eine philosophische Frage sein, denn auch ein Blitz hat nicht 100% Wirkungsgrad. Die Abstrahlcharakteristik ist natürlich bei der LED besser, der Blitz hat eine röhrenförmige Geometrie.

Man sieht ja an den Fotos, dass der LED-Blitz mit der Luminus durchaus Potential hat, die Schaltung schafft Blitze mit maximal 50 µs Dauer, was ja dann bei Blitzdauern vergleichbar mit denen eines Analogblitzes immerhin 20 mal so viel Licht wäre, wie bei den Aufnahmen oben.

vlg

Timm

[treinisch]

Hallo,

Die gelb/grüne Linie zeigt die Ansteuerung, die blaue Linie die LED, gemessen mittels einer Fotodiode. Mir ging es dabei nur um so Dinge wie Flankensteilheit und Schaltverzögerung.

wie kommt es denn zu den enormen 10 µs Einschalt- und 15 µs Ausschaltverzögerung? Zumal die Flanken ja mit 2 µs Anstieg und 4 µs Abfall gar nicht soo lang sind.

Von was für Strömen reden wir denn bei der Schaltung. Gibt es ein Foto?

vlg
Timm

[treinisch]

Hallo Klaus,

Gefäält mir sehr gut!

Wie sieht den die Treiberschaltung aus? Das würde mich interessieren (Schaltbild).

die Schaltung bleibt kein Geheimnis! Ich würde nur gern warten, bis alles fertig ist.

• Es fehlt zumindest noch eine Möglichkeit die LED konventionell zu bestromen um sie als ultrahelle Standard-Leuchte zu benutzen. Bei meiner Schaltung geht das im Moment nicht, weil die LED praktisch kurzgeschlossen ist.

• Dann braucht es noch eine elegante Steuerung

• Es bleibt die Frage nach der Blitzsynchronisation
Eigentlich wollte ich den Blitz den Fotoapparat steuern lassen (Bulb Modus) aber die aktuelle Schaltung ist so schnell, dass man es auch umgekehrt machen können müsste, das wäre irgendwie noch eleganter! Aus dem PWM-Modus kann die Schaltung übergangslos blitzen, aus dem Analog-Modus wird das nicht gehen, wenn er mal vorhanden sein sollte.

• LED samt Kühlung muss auf die Platine

Wenn das alles fertig ist, zeige ich natürlich auch die fertige Schaltung.


Wobei da kein großes Geheimnis drin liegt: Die Kern-Idee ist es eine Drossel statt eines Kondensators zu benutzen, das wars schon. Man kann dann mit einem Steller anstelle eines Reglers arbeiten.

Vlg
Timm

[Johannes Kropiunig]

Hallo Timm,

ich verstehe auch nach mehren Jahren nicht, weshalb manche Beiträge endloslange Lobeshymnen ernten und andere wiederum kaum Resonanz erzeugen. Das Geschlecht des Beitragerstellers spielt jedenfalls eine Rolle, soviel ist mir klar, aber der Rest ist mir schleierhaft. Eventuell liegt es in diesem Fall daran, dass die Menschen erst einmal noch mit dem Wechsel von Halogen auf LED Beleuchtung beschäftigt sind und noch nichts von einer möglichen Ablösung ihres Blitzes wissen wollen? Persönlich finde ich dein Experiment mehr als interessant und freue mich auf das was da noch kommen wird.

Viele Grüße,
Johannes

[reblaus]

Hallo Johannes -

das sollte dich aber nicht wundern, denn unter den vielen Interessengruppen ist die der Bastler doch recht klein. Die Ästhetik einer gelungenen Mikroaufnahme erschließt sich z.B. jedem, auch wenn er wenig davon versteht, während Begeisterung über eine Problemlösung (hier Timms Drossel!) halt eine einschlägige Vorbildung erfordert.
Neulich gab es hier eine Diskussion im Zusammenhang mit der Systematik und Bildaussagen, die das gleiche Problem auf anderer Ebene behandelte und eigentlich auch nichts weiter brachte. Mathemathiker beklagen sich auch immer, dass es so Wenige gibt, welche die Schönheit ihres neuen Beweises nachvollziehen können - diese Fähigkeit ist mir leider auch immer abgegangen.

Auf alle Fälle erwarte ich Timms Fortsetzungsberichte mit der gleichen Spannung, mit der ich als Jugendlicher eine Comicserie in einem Wochenblatt verfolgt habe und bemühe mich in der Zwischenzeit eine brauchbare Lösung für das Kühlproblem bei Normalbetrieb zu finden!

Viele Grüße

Rolf

[Johannes Kropiunig]

Hallo Rolf,

ist diese Bastelei dann aber marktreif, durchdesignt und wegen eines Markenlogos auch teuer genug, haben es die die es sich leisten können plötzlich alle und die andern warten bis sie ein Schnäppchen bei Ebay machen können. Sieh dir doch mal dein Mikroskop an, würdest du heute noch mit einem alten Hufeisenmikroskop arbeiten wollen? All die Möglichkeiten die seit den Anfängen dazugekommen sind, waren zu Beginn nichts weiter als eine Idee und eine Bastelei. Selbst das Ur-Mikroskp, wer auch immer es erfunden hat, war nichts weiter als eine Bastelei. Vielleicht ist es aber auch besser so. Wer weiß wo die Mensch heute sonst technologisch stehen würden ohne reif dafür zu sein gebe es diese abwehrende Haltung der Menschen ringsum nicht?

@Timm
Gibt es bei dir auch den großen Farbtemperatur unterschied der LED im Vergleich zum Dauerbetrieb?

Viele Grüße,
Johannes

[treinisch]

Hallo,

@Rolf

Hast Du Dich mittlerweile für eine Kühlmethode entschieden? Ich bin immer noch etwas unschlüssig. So ein rein passiver Kühler ist ja sehr verführerisch, aber die erreichen auch eine ganz nette Größe und sind mit rund 700 bis 1000 g auch keine echten Leichtgewichte und was passiert, wenn man einen Lüfter verwenden müsste? Die Vibrationen dürften schon ganz schön störend sein, andererseits würde der ja auch nur bei starken Strömen eingeschaltet werden. Oder doch Wasser? Da könnte man versuchshalber auch mal schauen, was passiert, wenn man die LED bei tiefen Temperaturen betreibt und eine große Gefahr durch das bisschen Wasser sehe ich eigentlich nicht.

Die lächerlichen 80 W wären jedenfalls für eine aktive Wasserkühlung nur eine Fingerübung, egal wie schlecht der Wärmetauscher konstruiert ist.

@Johannes

schwer zu sagen! Einen echten Analogbetrieb hatte ich bisher nicht, nur einen ,,Einzelblitz"-Betrieb und einen PWM-Multiblitz-Betrieb da unterschied sich die Farbtemperatur kaum. Ich hatte den Eindruck, dass die Farbe um so schlechter wird, je steiler die Flanken werden (deswegen habe ich auch die steigende Flanke langsamer als die fallende gemacht).

Insgesamt scheint mir das Thema Farbtemperatur aber reproduzierbar zu sein, auch wenn die LED doch sehr deutlich ins blaue tendiert, eine etwas wärmere könnte besser sein, andererseits haben die wieder weniger Licht.


vlg

  Timm

[Johannes Kropiunig]

Hallo Timm,

würdest du irgendwelche Vorteile sehen können, wenn man die LED vor dem Blitzen schon mit einer geringen Spannung unterhalb, oder leicht über der Zündspannung sozusagen vorglühen würde?

Dann gibt es noch ein Detail welches ich nicht verstehe. Ich dachte immer ein Verbraucher nimmt sich die Ampere die er benötigt, bei dieser LED sind es 21 Ampere. Wie kommt es , dass es bei dir 50 und sogar 60 werden?


Viele Grüße,
Johannes

[reblaus]

Hallo Timm -

letzter Stand der Kühlung:

Bei dieser Anordnung in der HBO50-Leuchte, die ich früher schon mal gezeigt hatte, bekomme ich mit knapp 13 A (mehr gibt mein Netzgerät nicht her) bei Dauerbetrieb eine Thermistortemperatur von etwa 42 °C, wenn ich oben einen 80 mm Lüfter auflege, der mit 9 V betrieben wird und so leise ist, dass man ihn gar nicht hört.



Ich kriege nun einen Alublock, der für die Halogon 100-Leuchte bestimmt ist und dort die Wärme von der LED zum Kühlkörper leiten soll. Dieser hat zwar nicht so viele dünne Kühlrippen, dafür aber dickere, die vielleicht eine bessere Belüftung erlauben. Natürlich gibt es dann eine Übergangsstelle mit Leitpaste mehr ...

Deine Bedenken wegen der Erschütterung teile ich allerdings auch und glaube, dass es im Endeffekt doch eine Wasserkühlung sein wird, wenn man die Möglichkeit zum 21 A Dauerbetrieb haben will.

Johannes hat für ein früheres Projekt ein Pärchen Kühlkörper, die er großzügigerweise dafür angeboten hat und bei denen die Anschlussstutzen (im Gegensatz zu den üblichen CPU-Kühlkörpern) auf einer Seite abgehen, sodass man sie problemlos im Gehäuse platzieren könnte - vielleicht sogar mit Fokussiermöglichkeit  . Ich bin dabei, den Wasserkühler dafür zusammenzustellen.

Viele Grüße

und Frohe Ostern!

Rolf

[treinisch]

Hallo Johannes,

würdest du irgendwelche Vorteile sehen können, wenn man die LED vor dem Blitzen schon mit einer geringen Spannung unterhalb, oder leicht über der Zündspannung sozusagen vorglühen würde?

ich denke, die Farbtemperatur Thematik resultiert aus zwei Problemen:

Gerade die Hochleistung-LED haben eine große räumliche Ausdehnung und sind über diese Ausdehnung nicht homogen. Die Stromdichte variiert über die Emittier-Fläche. Ich vermute, dass dieses Problem um so gravierender Auftritt, je kürzer die Pulse sind.

Die Farbtemperatur hängt um so stärker von zeitabhängigen Effekten ab, je höher deren Anteil am gesamten Lichtoutput ist. Gerade bei Blitzen kommt also prinzipiell schlecht reproduzierten Komponenten großes prozentuales Geweicht zu (den Flanken).

Beides würde durch vorglühen vermutlich nicht beeinflusst. Ist aber nur eine Einschätzung.

Dann gibt es noch ein Detail welches ich nicht verstehe. Ich dachte immer ein Verbraucher nimmt sich die Ampere die er benötigt, bei dieser LED sind es 21 Ampere. Wie kommt es , dass es bei dir 50 und sogar 60 werden?

das ist eine sehr spannende Frage!

Jedes Bauteil hat ein Spannung/Strom-Verhalten, dass sich manchmal durch eine so genannte Kennlinie beschreiben lässt.

Ein idealer ohmscher Widerstand hat zum Beispiel eine gerade Kennlinie mit der Steigung ,,R", dem ohmschen Widerstand, gemessen in Ω.

Aus irgend einem Grund, der sich mir nicht näher erschließt, sind wir es gewohnt in Spannungen zu denken: ich kann dann die Spannung auf der Kennlinie eintragen und den Strom ablesen, fertig. Der umgekehrte Weg ginge natürlich auch: Ich suche mir einen Strom aus und lese die entsprechende Spannung ab.

Ich vermute, die normale Denkweise hat etwas mit dem Physik-Unterricht zu tun, wo man ja über elektrische Felder einsteigt, die eben durch die Spannung bestimmt sind und nicht durch den Strom. Oder dadurch, dass einfache Versorgungsschaltungen normalerweise eben Spannungsquellen sind. Es gibt 12 V Steckernetzteile, die Stromangabe ist dann ein Maximalwert. es gibt aber keine ,,5 A"-Steckernetzteile, wo dann eine maximal Spannung angegeben wäre.

Genau so gut könnte man aber auch eine Stromquelle verwenden, man stellt den Strom ein und die Stromquelle wählt automatisch die Spannung so, dass der gewünschte Strom fließt.

Kondensatoren speichern ihre Energie in einem elektrischen Feld, auch hier ist es richtig Spannung-geleitet zu denken und zu rechnen.

Die ersten Probleme kommen dann schon bei Bipolartransistoren, die haben ja eine Stromverstärkung, ich muss plötzlich in Strömen rechnen.

Bei LEDs ist es auch in vielen Fällen ,,richtiger" in Strömen zu denken, die entscheidende Größe Lichtmenge hängt im Wesentlichen vom Strom ab und die kritische Zerstörung tritt auch durch den Strom auf, egal ob ohmsche Zerstörung der Bonddrähte, Elektromigration, thermische Zerstörung des Substrats. Im Gegensatz zu einem idealen ohmschen Widerstand haben Dioden allerdings geradezu widerwärtige Kennlinien, bei einer Cree-XM L bringt eine Spannungsänderung von 4.0 V auf 4.1 V schon eine Stromänderung von über 10 A mit sich (von 28 auf 39).

Zusätzlich ist bei Dioden die Kennlinie extrem temperaturabhängig, man kann sich also nicht darauf verlassen, dass bei 4.0 V ein Strom von 28 A fließt, es können durch die Erwärmung dann auch schnell 35 A oder 40 A werden. Das spricht dafür, bei LEDs eher in Strömen zu denken, als in Spannungen. Bei 30 A fließen immer 30 A, ganz egal, welche Spannung dazu nun im Detail notwendig ist. Im einfachsten Fall macht man dazu aus dem spannungskontrollierten Netzteil eine Stromquelle in dem man die LED mit einem Vorwiderstand versieht, dadurch ist der Strom begrenzt und aus die Maus.

Die großen LEDs haben zusätzlich auch noch eine recht große Kapazität und eine sehr langsame Einschaltkinetik, die das Ganze zusätzlich erschweren.

Vlg
Timm

[treinisch]

Hallo Rolf,

ja, dann sind auch für mich die Würfel gefallen! Es wird Wasser.

Ich hänge auch der Vorstellung nach, die LED evtl. justierbar machen zu können und wer kann sich da vorstellen einen 1 kg Kühler im Format eines Ziegelsteines an die LED zu hängen.

Berichte mal, wenn du was geeignetes aus Kupfer ,,gefrickelt" hast. Ich will mal versuchen, ob ich jemanden überreden kann, mir was aus Kupfer zu fräsen.

Vlg

Timm

[the_playstation]

Hallo Timm.
Dir ist aber klar, daß Du, ob mit oder ohne Wasserkühlung, nicht an dem 1kg Kühlkörper oder ein 1kg Wasserbecken herumkommst. Die Wasserkühlung transportiert in der Regel die Wärme nur zu einem Kühlkörper ähnlich wie die Heatpipes. Vorteil der Wasserkühlung wären nur die flexiblen Schläuche z.B. aus dem Lampenhaus.

Liebe Grüße Jorrit.