LED-Ring-Blitz:

Altes LED RinglichtHome

Ringlicht

Vorwort:


Das vor 3 Jahren entwickelte und gebaute LED_Ringlicht hat sich in der Makro-Fotografie sehr gut bewährt.
Folgende Überlegungen haben nun zum Entwurf eines neuen, verbesserten Ringlichtes geführt:


Nicht alle Überlegungen wurden in dem Entwurf umgesetzt, z.B. sind die speziellen Flash-LED's derzeit noch nicht im Angebot der LED-Shops.
 

Betriebsarten:

Dauerlichtmodus :

Der Dauerlichtmodus ist identisch der Funktionalität des alten LED Ringlichtes.
Hier soll jedoch bei gleicher Leistung durch bessere LED's ein helleres Licht erzielt werden.
Als Stromquelle dienen weiterhin 4 Akkus Typ AA, daher steht eine Spannung von 4V ... 4,8V zur Verfügung.
Diese wird durch einen regelbaren Spannungswandler auf eine entsprechend hohe Spannung konvertiert um die LED's effizient in Serie betreiben zu können:
Im Dauerlichtmodus wird der induktive Spannungswandler als Konstantstromquelle betrieben, der den erforderlichen LED-Strom zur Verfügung stellt.

Blitzmodus :

Der Blitzmodus ermöglicht es mit speziellen oder auch normalen LED's mehr Licht zu erzeugen als im Dauerlichtmodus.
Die LED's dürfen kurzzeitig mit bis zu 5-fachem Strom betrieben werden, und liefern dann etwa 3,5 Mal soviel Licht.
Im Vergleich zu üblichen Blitzgeräten mit Xenon-Blitzröhren ist das zwar immer noch vergleichsweise wenig, man kann das aber nicht direkt vergleichen.
Xenon-Röhren leuchten zwar sehr hell, aber nur für ca. 1/10000 sec, LED's sind zwar bei weitem nicht so hell, können aber dafür solange leuchten wie der Kameraverschluß geöffnet ist.
Hier ist durch die Verwackelungsgefahr eine Grenze bei ca. 1/30 sec gesetzt, aber das ist immerhin schon ca. 300 Mal solange als ein Xenon-Blitz.
Ob neben dem Einsatz im Makrobereich auch mit kleineren Blitzgeräten mit Xenon-Röhre (Leitzahl 20) konkurriert werden kann soll die Untersuchung zeigen, siehe Überlegungen zur Blitzleistung.
Sowohl die Akkus als auch der Spannungswandler können die Blitzleistung nicht direkt erzeugen, da der Blitzmodus wesentlich höhere LED-Ströme (1000 mA) erfordert,
allerdings nur für kurze Zeit (max. 1/30 sec), daher wird die für den Blitz nötige Leistung durch einen Kondensator bereitgestellt,
der über den Spannungswandler auf die erforderliche Blitzspannung (z.B. 40 V) aufgeladen wird.
Spannung und Kondensator müssen so ausgelegt sein, daß der Kondensator den gewünschten Blitz-Strom (1000 mA) für die gewünschte Blitzdauer (1/30 sec) liefern kann.
Früher war der Blitz mit der Kamera über ein spezielles Kabel verbunden über das der Blitz ausgelöst wurde.
Später ist die Verbindung über einen Kontakt in Blitzschuhmitte hergestellt worden, den X-Kontakt, es wurde jedoch stets mit voller Leistung geblitzt.
Die Belichtungssteuerung erfolgte manuell über die Formel Blende = Blitzleitzahl / Entfernung * Wurzel (ASA / 100).
Vorübergehend gabs dann Blitzgeräte die per Sensor das reflektierte Licht ausgewertet haben und den Blitz entsprechend verkürzt haben.
Nächste Verbesserung und heute immer noch aktuell ist die sog. TTL-Belichtungsmessung (Through The Lens),
wobei die Kamera die Belichtungsmessung macht und dem Blitz über ein zusätzliches Signal (Q-Signal) mitteilt wann der Blitz beendet werden soll.
Weitere Signale sind dazugekommen, wie z.B. RDY und SP bei Nikon, leider will jeder Kamerahersteller auch seine Blitzgeräte verkaufen und hat daher einen proprietären Blitzschuh ;-)
Bei der neuesten Kamerageneration ist die Kommunikation Kamera-Blitz weiter verkompliziert worden (digital),
ohne daß der Fotograf einen Nutzen davon hat, aber man kann zum Glück noch den TTL-Modus einstellen !
Kameraunabhängige Blitzgerätehersteller sind gezwungen einen Nikon-, Canon-, Olympus-Adapter mitzuliefern und trotzdem billiger und besser zu sein.
Falls jemand meinen Adapter nachbauen will muß er selber rausfinden wie er an das Q-Signal des Blitzschuhes rankommt, mehr als X und Q braucht man nicht !!!
Glück haben alle die Nikon haben, da hab ich mir die Mühe schon gemacht :-)
Wichtig ist noch der Ausleuchtwinkel der LED's. Im Tele-Makrobereich ist das einfach, da kommt man mit 15°-20° LED's gut hin.
Als Universalblitz braucht man für Weitwinkel ca. 60°-LED's, und je nach Brennweite möglichst passende Ausleuchtwinkel.
Vielleicht sind die LED's ja irgendwann so preiswert daß man verschiedene Typen (Ausleuchtwinkel) auf dem Ring montiert hat und die passenden ansteuert.
Zusammenfassung:
Das neue Ringlicht soll blitzen können, muß also für die Blitzdauer höhere Leistung bereitstellen und Start / Stop des Blitzes mit der Kamera synchronisieren können.

Blitzmodus 1: Laden, Warten auf Blitz :

Der Kondensator wird mit der verfügbaren Leistung des Spannungswandlers über einen Strombegrenzer (200 mA) aufgeladen (z.B. 40 V).
Der Strombegrenzer dient zum Schutz der Akkus und des Spannungswandlers, da der leere Kondensator anfangs sehr hohe Ladeströme verursachen würde.
Wahlweise (Schalter) leuchten die LED's in diesem Modus gar nicht oder liefern ein Focus-Hilfslicht (z.B. 50 mA).
Sobald der Kondensator ausreichend geladen ist wird das per RDY-Signal im Blitzschuh an die Kamera gemeldet.

Blitzmodus 2: Kamera-Auslöser halb betätigt, Focushilfslicht :

Viele Kameras signalisieren über den Blitzschuh durch das SP-Signal, daß der Auslöser halb betätigt wurde, um das Focus-Hilfslicht zu aktivieren.
Dies wird durch einen LED-Strom von z.B. 50 mA realisiert, es bleiben also immer noch 150 mA für evtl. Nachladen des Kondensators.
Wenn kein passendes Blitzschuhsignal zur Verfügung steht kann man das Focus-Hilfslicht auch immer eingeschaltet lassen.

Blitzmodus 3: Kamera-Auslöser betätigt, Blitz :

Die Kamera signalisiert über den Blitzschuh durch das X-Signal, daß der Auslöser betätigt wurde, und das Bild durch einen Blitz aufgehellt werden soll.
Der geladenen Kondensator gibt seine Energie über einen Strombegrenzer (1000 mA) an die LED's ab, und zwar für max. 1/30 sec.
Die Kamera mißt das Licht im TTL-Modus und signalisiert über den Blitzschuh durch das Q-Signal, wann der Blitz beendet werden soll.
Nun sind wir wieder im Blitzmodus 1, der Kondensator wird wieder nachgeladen (max. 256 ms).
Manche Kameras senden 1 bzw. mehrere kurze Vorblitze, z.B. um den "rote Augen Effekt" zu vermeiden, daher muß das Gerät sehr schnell wieder blitzbereit sein.

Blockschaltbild:

Ringblitz Blockschaltbild

Stromversorgung :

Der Stromversorgung erfolgt wie beim Vorgängermodell über 4 Akku's zu je 1,2 V, die Akku's sind jedoch leistungsfähiger geworden, z.B. 3000 mAh.

Spannungswandler :

Der Spannungswandler wird aus dem Vorgängermodell unverändert übernommen, da die neueren Modelle mit höherem Wirkungsgrad auch mit höheren Frequenzen arbeiten (bis zu 2 MHz),
die nicht mehr problemlos aufzubauen sind.
Daher bleibt auch die Leistungsfähigkeit auf ca. 40 V und 200 mA begrenzt, dies reicht für den Dauerlichtmodus und das Laden des Speicherkondensators aus.

Speicherkondensator :

Der Speicherkondensator wird über einen Ladestrombegrenzer (200 mA) aufgeladen, welcher sicherstellt daß Spannungswandler und Akku's nicht überlastet werden.
Der Kondensator wird im Blitzmodus auf ca. 40 V aufgeladen. Die Spannung sinkt dann während des Blitzes auf bis zu ca. 30 V ab.
Der Kondensator ist so dimensioniert daß der Blitzstrom von 1000 mA max. 1/30 sec lang entnommen werden kann .

Hilfsspannungen :

Die integrierten Schaltkreise brauchen sowohl eine stabile Betriebsspannung als auch eine Referenzspannung.
Da die Akkuspannung auf 4 V absinken kann wurde eine Betriebsspannung von 3,3 V gewählt.
Geeignete LowPower-SingleSupply-RailToRail-Operationsverstärker stehen zur Verfügung, ebenfalls sind LogicLevel-MOSFET's mit niedrigem V_GS erforderlich.
Eine passende Referenzspannung wurde mit 1,225 V gewählt, die z.B. der Baustein LM4041 liefert.

LED-Torch-Stromregler 200 mA :

Im Dauerlichtmodus wird der LED-Strom (200 mA) über einen kleinen Widerstand gemessen und über den Spannungswandler direkt geregelt, das gibt den besten Wirkungsgrad.

Spannungsregler 40 V :

Im Blitzmodus wird der Kondensator praktisch immer auf 40 V aufgeladen, wobei der Ladestrom auf max. 200 mA begrenzt wird.

LED-Flash-Stromregler 1 A :

Beim Auslösen eines Blitzes wird der LED-Strom (1 A) über einen kleinen Widerstand gemessen und über einen MOSFET auf 1 A begrenzt.
Entsprechend niedrigere LED_Ströme zur Erzeugung des Focus-Hilfslichtes werden durch Taktung des LED-Stromes erzeugt.

Blitzschuhadapter :

Mir steht nur eine Nikon-Digicam Coolpix 5700 mit entsprechendem Blitzschuh zur Verfügung.
Das TTL-Blitz-Interface anderer Hersteller ist zwar sicher ähnlich, aber nicht voll kompatibel.
Wenn man den Blitzschuh einer Canon-Digicam ansieht sieht der schon Mal anders aus.
Trotzdem sollte folgendes Vorgehen bei allen Kameras funktionieren:
Mit den Signalen X und Q kriegt man jede Kamera zum Blitzen im TTL-Modus, notfalls nur mit X im manuellen Modus.

Steuerlogik :

Umschaltung Blitzmodus-Dauerlichtmodus.
Generieren des RDY-Signales im Blitzmodus sobald der Kondensator aufgeladen ist.
Generieren des Focus-Hilfslicht-Taktes.

Schaltbild:

Schaltbild

Die Schaltung ist zwar schon komplett durchgerechnet - aber noch nicht aufgebaut und nicht getestet.
Daher sind die Bauteile noch anonym, trotzdem sollte anhand der Beschreibung der Funktionsblöcke oben die Funktionsweise verständlich sein.
Weitere Beschreibung und Erfahrungsbericht folgen sobald Aufbau und Test erfolgt sind.

Überlegungen zur Blitzleistung:


Beleuchtung:

Immer wenn das natürliche Licht (Sonne, Mond) nicht ausreicht setzen wir künstliche Beleuchtung ein.
Es wird uns aber nicht leicht gemacht das Licht zu bewerten und zu vergleichen.
Wie hell ist denn eine Kerze, eine Glühlampe, Halogenlampe, ein Blitzgerät, eine LED ?
Wer weiß denn schon welche Einheiten für die Helligkeit heute verwendet werden und wie diese definiert sind ?


Einheiten für Helligkeit:

Blitzformeln:

Es wird versucht die erzielbare Blitzleistung (Leitzahl) aus LED-Kennzahlen (Candela) zu ermitteln.
Die Leistung von Blitzgeräten wird üblicherweise als Leitzahl angegeben, definiert als Produkt aus Objektiv-Blende und Entfernung bei 100 ASA (und 35mm Objektiv).
Durch entsprechende Vorsatzscheiben kann eine Fokussierung für Telebrennweiten erreicht werden, wobei sich die wirksame Leitzahl entsprechend erhöht.
Leitzahl = Blende * Entfernung / Wurzel (ASA / 100)
Blende = Leitzahl / Entfernung * Wurzel (ASA / 100)
Blende = Leitzahl / Entfernung          (Vereinfachung bei 100 ASA)
Mit dieser Formel kann man im manuellen Blitzmodus die erforderliche Blende bei gegebener Entfernung ermitteln.
Für die Blitzleistung haben wir also eine Leitzahl, für die LED-Leistung haben wir Candela bzw. Lumen, wie kriegen wie die nun zusammen ;-)
Fangen wir Mal ganz hinten an, also beim Filmen bzw. Sensor ....
Die Filmempfindlichkeit wird normalerweise in DIN bzw. ASA-Werten angegeben, die müssen doch irgendwo genormt sein ! Sind sie auch: Filmempfindlichkeit
Die DIN - Filmempfindlichkeit ist der zehnfache Wert
des negativen dekadischen Logarithmus der Belichtung H_min in LuxSekunden,
die zu einer Dichte von 0.1 D über Schleier führt,
wenn der Film zu einem Betawert von 0.62 entwickelt wird, wobei Beta aus
(Dichte_Weiss minus Dichte_Schwarz) geteilt durch 1,6 definiert ist.
ASA Definition gibt’s natürlich auch! Damit ist alles klar :-)
Jedenfalls können wir darauf aufsetzen und weitertüfteln, zunächst Mal wandeln wir den Richtlinien-Text in Formeln:
DIN = 10 * -log (H_min [LuxSec]) = 10 * log (1 / H_min [LuxSec])
ASA = 0,8 / H_min [LuxSec]
Jetzt wissen wir wieviele LuxSec wir zur Ermittlung der Empfindlichkeitsangabe von Filmen brauchen.
H_min ist etwa der Beginn des Belichtungsspielraumes, also kein brauchbarer Belichtungswert  (mittleres Grau).
Bei H_min beginnt der Belichtungsspielraum und geht über H_B bis H_max, wobei die Kurve flach oder steil verlaufen kann.
Filme bzw. Sensoren haben etwa folgenden Belichtungsumfang (Blendenstufen):
 Belichtungsumfang
SW-Film:bis 13
Farbfilm:bis 10
DIA-Film:5 - 7
Digicam RAWca. 5
Digicam JPEGca. 2    !!!
 
Belichtungsmesser sollen mittleres Grau in der Mitte des Belichtungsumfanges ergeben,
und dabei den Belichtungsumfang üblicher Materialien berücksichtigen, das ist ein Kompromiß:
Die Belichtung H_B ist für Belichtungsmessung
definiert als H_B = H_min + 3 2/3 Blendenstufen.
Das Bild rechts zeigt daß dies eine sinnvolle Definition ist.
Es zeigt aber auch, daß die oft geäußerte Aussage, korrekte Belichtung sei bei Digicams nicht mehr so wichtig,
das kann man ja nachträglich, z.B. mit Photoshop, korrigieren, falsch ist !
Selbst wenn man Bilder im RAW-Modus abspeichert ist der Belichtungsumfang etwa identisch einem DIA-Film.
Bei JPEG's liegt man viel schlechter ! (Was lernen wir daraus ?)
Fehlbelichtungen führen also sofort zu Beschneidungen in den Lichtern bzw. Tiefen,
wenn der Motivkontrast die Möglichkeiten des Sensors ausreizt, ohnehin geringe 5 Stufen bei RAW !!!
Ja was lernen wir daraus: Wenn schon JPEG, dann erst nach allen Korrekturen, nicht in der Kamera !
Diese Richtlinie schreiben wir wieder als Formel:
H_B [LuxSec] = H_min [LuxSec] * Potenz (2; 3+2/3)
H_min = 0,8 / ASA
H_B [LuxSec] = 0,8 / ASA * Potenz (2; 3+2/3) = 10,16 / ASA
H_B [LuxSec] ~ 10 / ASA
Die letzte Formel hab ich auch im WWW irgendwo gefunden (Plausikontrolle),
aber ist doch viel schöner wenn man durch eigene Ableitung zum gleichen Ergebnis kommt.
H_B ist allerdings die Belichtung des Films, also hinter dem Objektiv.
Als nächsten Schritt wollen wir die Belichtung des Objektes, also vor dem Objektiv, ermitteln.
Jedes Objektiv läßt je nach eingestellter Blende nur einen Teil des Lichts durch. 
Die Objektiv-Blende ist definiert als Quotient
aus wirksamer Öffnung (Durchmesser) und Brennweite des Objektives. Lichtmessung
Die durchgelassene Lichtmenge ist von der Fläche abhängig, vermindert sich also mit dem Quadrat des Blendenwertes.
Die Blende selbst ist nur eine relative Größe, sagt also aus daß
alle Objektive bei der gleichen Blendenstufe (z.B. 2,8)
gleich viel Licht durchlassen,
die Lichtmenge mit dem Quadrat des Blendenwertes abnimmt,
also 2,8 ergibt die halbe Belichtung von 2.0
Der Blendenwert sagt nichts darüber aus, wieviel Licht, z.B. bei Blende 1, tatsächlich den Film bzw. Sensor erreicht.
Möglicherweise gibt es eine Norm bzw. Festlegung, ich habe im WWW nichts gefunden, mit einer Ausnahme,
da wurde ohne Begründung berichtet daß bei Blende 1 nur ca. 20 % des einfallenden Lichtes den Sensor erreichen.
Ich will Mal meine eigene Erklärung versuchen:
An diversen Stellen hab ich gefunden, daß es eine physikalische Grenze für normale Objektive (Glas-Luft) bei Blende 0,5 gibt.
Begründet wird dies damit, daß dann die letzte Linse den Sensor bzw. Film bereits berühren würde.
Wenn man nun definiert, daß an der physikalische Grenze (Blende 0,5) 100%  Licht durchgelassen werden,
ergibt dies bei Blende 1 einen Faktor von 25 %, und das ist eine sehr gute Übereinstimmung mit den berichteten 20 %,
es gibt ja auch noch Verluste an den Glas-Luft Übergängen.
Ich habe den Faktor nachträglich auf 23 % festgelegt, da die Plausikontrolle weiter unten dann so schön paßt :-)
H_B1 [LuxSec] ~ 10 / ASA * Blende2 / 0,23
H_B1 [LuxSec] ~ 43 / ASA * Blende2     (Objektmessung)
Jetzt haben wir eine Belichtung ermittelt die der Objektmessung eines Belichtungsmessers
(Messung Kamera Richtung Motiv) entspricht, denn H_B1 ist das Licht,
das vom abzubildenden Motiv reflektiert und vom Objektiv aufgenommen wird,
Dabei unterscheidet man die Integralmessung bzw. die Spotmessung mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen.
Die Integralmessung geht von gleichmäßiger Verteilung von Hell-/Dunkelwerten aus,
wofür sich ein Reflexionsgrad von 18 % für mittleres Grau (Graukarte !) ergibt,
das entspricht dem logarithmischen Mittel des abbildbaren Kontrastumfangs.
Die Spotmessung soll den bildwichtigen Teil des Motivs entsprechend höher bewerten.
Neben der Objektmessung gibt es noch die Lichtmessung (Messung Motiv Richtung Kamera),
welche unabhängig vom Motivkontrast und der Reflexionsfähigkeit ist und dem Blitzen eher entspricht,
wobei die Objektmessung mit Hilfe einer Graukarte dieselben Ergebnisse liefert wie die Lichtmessung !
Wir definieren also H_B2 als die Lichtmenge unserer Beleuchtung, des Blitzgerätes.
Unter Berücksichtigung des Reflexionsgrades für mittleres Grau von 18 % ergibt sich:
H_B2 [LuxSec] ~ H_B1 [LuxSec] / 0,18
H_B2 [LuxSec] ~ 43 / ASA * Blende2 / 0,18
H_B2 [LuxSec] ~ 240 / ASA * Blende2     (Lichtmessung)Agfachrome
Eine von Agfa-Gevaert publizierte Tabelle mit Belichtungsempfehlungen für den DIA-Film 
Agfachrome 50L bestätigt diese abgeleitete Formel !!!
Jetzt sind wir fast am Ziel, denn über ASA und Blende schaffen wir die Verbindung zur Leitzahl eines Blitzgerätes.
Holen wir uns nochmal die Blitzgeräteformel von oben:
Blende = Leitzahl / Entfernung * Wurzel (ASA / 100)
Blende2 = (Leitzahl / Entfernung)2 * ASA / 100
H_B2 [LuxSec] ~ 240 / ASA * Blende2
H_B2 [LuxSec] ~ 240 / ASA * (Leitzahl / Entfernung)2 * ASA / 100
H_B2 [LuxSec] ~ 2,4 * (Leitzahl / Entfernung)2
Wir definieren die Belichtung in 1m Entfernung als Vergleichswert für Blitzgeräte,
und sehen aus der Formel daß die Helligkeit eines Blitzgerätes mit dem Quadrat der Leitzahl steigt.
(Dies muß so sein da die Helligkeit auch von Entfernung und Blende eine quadratische Abhängigkeit besitzt)
H_1m [LuxSec@1m] ~ 2,4 * Leitzahl2
Jetzt können wir aus der Blitz-Leitzahl die benötigte Lichtmenge berechnen !!!
Nun trennen wir H_B2 auf als das Produkt aus Beleuchtungsstärke Lux und Blitzzeit in Sec
und definieren Lux@1m, also die Beleuchtungsstärke in 1m Entfernung,  als Vergleichswert: 
L [Lux] * Blitzzeit [Sec] ~ 2,4 * (Leitzahl / Entfernung)2
L_1m [Lux@1m] * Blitzzeit [Sec] ~ 2,4 * Leitzahl2
Leitzahl = Wurzel (L_1m [Lux@1m] * Blitzzeit [Sec] / 2,4)
Leitzahl = Wurzel (LuxSec@1m / 2,4)
LuxSec@1m = 2,4 * Leitzahl2
Wir leiten das weiter unten noch ab, aber wird arbeiten schon Mal mit der für LED gültigen Formel:
L_1m [Lux@1m] = Lichtstärke [Candela]
Leitzahl = Wurzel (Lichtstärke [Candela] * Blitzzeit [Sec] / 2,4)
Jetzt können wir noch Berücksichtigen daß meist mehrere LED's eingesetzt werden, besonders wenn es sich um einen Ring handelt :-)
Leitzahl = Wurzel (Anzahl * Lichtstärke [Candela] * Blitzzeit [Sec] / 2,4)
Hurra - genau danach hab ich solange gesucht - hoffentlich stimmt das auch :-)
Also wenden wir uns den nächsten Parametern zu um passende LED's auszusuchen.

LED-Leuchtdauer (Blitzzeit):

XENON-Blitzlampen leuchten sehr hell aber auch sehr kurz. (z.B. 1/10000 Sec)
Entscheidend für die Belichtung ist das Produkt aus Beleuchtungsstärke und Belichtungszeit.
Da LED's nicht so hell leuchten wie XENON-Blitzlampen müssen wir diese viel länger leuchten lassen, um eine ausreichende Belichtung zu erzielen,.
Es ist allerdings eine Grenze bei ca. 1/30 Sec wegen der Verwackelungsgefahr gegeben.
Wir definieren also 1/30 Sec als maximale Belichtungszeit, wobei wie oben beschrieben die Kamera per Q-Signal den Blitz vorher beenden kann.

LED-Ausleuchtwinkel:

Hier haben wir mehrere Lösungsmöglichkeiten:
Entweder wir nehmen passende LED's für die jeweilige Blitzsituation (Weitwinkel - Normal - Tele),
oder wir dimensionieren einen Mindestleuchtwinkel mit ausreichender Lichtstärke auch für etwas längere Brennweiten.
Der alte LED-Ring war spezialisiert auf Makroaufnahmen mit 100 - 200mm, also passen 20° Nichia-LED's perfekt.
Der neue LED-Blitzring soll auch ein normales Blitzlicht ersetzen, also wünschen wir uns mindestens 54° für ein sanftes 35mm-Weitwinkelobjektiv,
ab 40° (50mm-Normalbrennweite) sollte die Ausleuchtung schon recht gleichmäßig sein.
Diese Festlegung passt gut zur aktuellen LED-Entwicklung: Die neuesten Piranha-Mehrchip-Leds in der 10mm Ausführung haben 55° !
Wenn es sich als wichtig erweist kommen später noch zusätzliche 20° LED's für den Tele-Bereich auf den Ring (umschaltbar).

LED-Leistungsdaten:

Bei LED's mit kleinem Ausleuchtwinkel wird meistens die maximale Lichtstärke in Candela angegeben.
Der Ausleuchtwinkel ist definiert als der Winkel bei dem die Lichtstärke auf 50% reduziert ist, bei einer 20° LED sind das +/- 10°.
Im Gegensatz zum linearen Winkel auf dem Papier leuchtet eine LED jedoch einen Raumwinkel aus, der Steradiant bzw. sr genannt wird.
sr = Fläche [m2] / Radius2 [m2]
Die Umrechnung kann wie folgt erfolgen:
sr = 2 * π (1 - cos (π / 360 * Grad))
Bei LED's mit großem Ausleuchtwinkel wird meistens der komplette Lichtstrom in Lumen angegeben, den die LED emittiert.
Es besteht zwar ein einfacher Zusammenhang zwischen Candela und Lumen:
Lumen = Candela * sr ?
Dies stimmt nur wenn die Lichtstärke konstant über den Ausleuchtwinkel ist, ist aber bei LED's nicht der Fall !
Also muß man zwecks Konvertierung von Candela nach Lumen den Lichtstrom ringweise anhand des Ausleuchtdiagrammes
der LED ermitteln und summieren:
Lumen = Summe { Ring-Fläche * Ring-Candela }
Anhand des Lichtstromes in Lumen kann man nun die Effizienz von LED's vergleichen (Lumen je Watt) und auch
der relative Preis (Cent je Lumen) ist interessant.
Jetzt müssen wir noch die Beleuchtungsstärke in Lux definieren, es kommt die ausgeleuchtete Fläche ins Spiel:
Lux = Lumen / Fläche [m2]
Lux = Candela * sr / Fläche [m2]
Lux = Candela * (Fläche / Radius2) / Fläche
Lux = Candela * Radius2 [m2]
Da wir die Beleuchtung in 1m Entfernung vergleichen wollen führen wir Lux@1m ein.
Lux@1m = Candela
Diese Formel hab ich auch im Internet schon mehrfach gesehen, also sollte sie stimmen.
Diese Formel haben wir weiter oben schon verwendet.

LED-Auswahl:

Die LED-Auswahl ist entscheidend und schwierig.....

Die Effizienz:
Wir brauchen LED's mit hoher Effizienz, also möglichst viele Lumen/Watt.
Da liegen die kleinen LED's momentan vor den sog. High-Power-LED's (Lumileds, Star-LED's, ... )
Und die reinweißen LED's liegen vor den warmweißen LED's.
Weiße LED's erreichen derzeit (12/2006)
Manche Anbieter mogeln bei den LED-Daten offensichtlich, es lohnt sich ein Plausicheck !

Der Ausleuchtwinkel:
Der Ausleuchtwinkel ist entscheidend für den Aufbau und die Lichtausbeute.
Ist dieser zu klein, kann man die LED's in mehrere Richtungen ausrichten, um so einen größeren Winkel zu erzielen
Ist der Winkel zu groß, kann man eine Vorsatzlinse je LED montieren, um das Licht zu bündeln
Will ich aber beides möglichst vermeiden.
Die meisten effizienten ultrahellen kleinen LED's haben zu kleine Winkel: 12° ... 20° (sind für Tele- bzw. Makroaufnahmen geeignet).
Die meisten SuperFlux- und HighPower-LED's haben zu große Winkel: 100° ... 140° (vergeuden 68% ... 83% des Lichtes wenn keine Linsen).
Wie oben beschrieben hätte ich gerne eine LED mit 54° Ausleuchtwinkel.
Davon werden zwar nicht viele angeboten, aber es gibt sie, sogar als leistungstarke Mehrchip-LED:
Aktuelle Piranha-LED haben einen passenden Ausleuchtwinkel von ca. 55°

Die Farbtemperatur (CCT), diese wird in °K angegeben:
Es werden weiße LED (ca. 6500°K) und warm-weiße LED (ca. 3500°K) angeboten. Warm-weiße LED entsprechen eher dem Tageslicht,
allerdings haben diese derzeit noch eine niedrigere Effizienz als reinweiße LED.
Außerdem gibt es weniger Angebote, auch die speziellen Flash-LED werden derzeit nicht in warm-weiß angeboten.
In der Hoffnung daß der Weißabgleich der Kamera die erforderliche Korrektur erledigt fiel die Entscheidung derzeit für eine reinweiße LED.

Die Farbwiedergabe (CRI), diese wird in % angegeben:
Die Farbwiedergabe wird anhand von 15 Musterfarben getestet und als Prozentwert (max 100%) angegeben.
Normalerweise haben warmweiße LED einen höheren CRI (ca. 80 %) als reinweiße LED (ca. 70 %).
Es gibt aber auch Unterschiede je nach LED-Typ und Hersteller, viele geben diesen Wert gar nicht im Datenblatt an.
Am Besten wäre sicher die Implementierung mit RGB-LED's, der Preis ist allerdings ein großer Schaltungsaufwand, da alle
LED-Farben separat angesteuert werden müssen.
Denkbar wäre auch, falls der Weißabgleich alleine nicht ausreichend ist, ein Farb-Korrekturprofil wie für Monitore bzw. Drucker zu erstellen.
Aber das werd ich den Profis überlassen, mir soll erst einmal jemand erzählen, daß das Blau in den Augen der Libelle nicht ganz korrekt ist :-)

Entscheidung:
Die Entscheidung fiel für eine Piranha-Mehrchip-LED.
Der Ring wird aus 32 LED's (4 * 8) oder 40 LED's (5 * 8) aufgebaut, falls die LED nur 200mA Blitzstrom verträgt..
Im Blitzmodus bei 250 mA sollte die LED 36 Candela bringen. Das ergibt bei 32 LED's und 1/30 Sec:
Leitzahl = Wurzel (32 * 36 [Candela] * 0,033 [Sec] / 2,4) ~ 4
Das entspricht einem Blitzgerät mit der Leitzahl 4 !
Auch im Dauerbetrieb mit 50mA erreichen wir 11 Candela je LED, was eine Dauerlicht-Leitzahl von 2 ergibt.


.... soweit die Theorie ....

Resumée:

Für das Ablösen eines modernen XENON-Blitzgerätes ist es noch zu früh, aber wenn die LED-Entwicklung so rasant weitergeht,
ist das Ziel durchaus realistisch.
Ich werde die Schaltung trotzdem realisieren,
Wenn Sie Interesse an dem Projekt haben schauern Sie einfach wieder Mal vorbei.
Ich freue mich auch über Tips und Stellungnahmen.
Wenn Sie Unstimmigkeiten erkennen bitte eMail an peter@danninger.eu
Wenn Sie Rechtschreibfehler finden dürfen Sie diese behalten :-)


peter@danninger.eu
12/2006