Entwicklung einer LED-Beleuchtung für einen Kollimator

Semesterarbeit

Hannes Mayer, SS 2008

Aufgabenstellung

Für verschiedene Versuche im Optik-Labor steht ein Kollimator zur Verfügung. Dieser Kollimator bildet ein USAF-Target nach unendlich ab. Die Beleuchtung des Kollimators ist sehr schwach und es sind schon mehrere Glühbirnen durchgebrannt. Die original verwendeten Glühbirnen sind außerdem sehr teuer. Aus diesen Gründen soll eine neue Beleuchtung entwickelt und konstruiert werden. Die Beleuchtung soll durch eine LED erfolgen, da diese sehr viel energieeffizienter sind und auch eine deutlich längere Lebensdauer aufweisen.

Es sollen möglichst mehrere Beleuchtungskonzepte vorgestellt werden. Das Beste soll dann realisiert werden. Die neue LED-Beleuchtung soll folgende Ansprüche erfüllen:

  • Möglichst wenig Lichtverluste
  • Homogene Ausleuchtung
  • Einfacher Aufbau
  • Mindestens doppelte Beleuchtungsstärke als die vorhandene Beleuchtung

Konzepte

Austauschen der Glühbirne durch eine LED

Bei diesem Konzept soll einfach die vorhandene Glühbirne durch eine LED ausgetauscht werden. Die vorhanden Optik bleibt erhalten.

Der große Vorteil dieses Konzeptes ist der, dass es sich sehr einfach und kostengünstig realisieren lässt.

Der Nachteil ist,dass die Lichtverluste durch die vorhandene Optik hier sehr hoch sind.

Ersetzen der gesamten Beleuchtung durch ein LED-Array

Bei diesem Konzept erfolgt die Homogenisierung durch einen Lichtleiter.

Durch das Prinzip der Totalreflektion wird in diesem Lichtleiter das einfallende Licht ständig an der Wand des Stabes reflektiert. Dadurch mischt sich das Licht und es fällt homogener aus dem Stab aus.

Dieses Konzept ist sehr viel versprechend hinsichtlich der Homogenität des Lichtes. Dafür ist es etwas aufwändiger.

Fertigt man den Lichtleiter in Form eines Pyramidenstumpfes, wird bei jedem Auftreffen des Lichtes an den Flächen der Abstrahlwinkel der LED um den Winkel des Pyramidenstumpfes verringert.

Durch einen solchen Lichtleiter wird das Licht nicht nur homogener sondern der Abstrahlwinkel wird auch noch verringert.

Lichtleiter als Konzentrator

Lichtleiter als Konzentrator

Messung der Beleuchtungseigenschaften

Für die drei Konzepte wurden mehrer LEDs bestellt und die verschiedenen Beleuchtungen im Labor aufgebaut.Um die Eigenschaften der verschiedenen Beleuchtungskonzepte vergleichen zu können mussten verschiedene Messungen durchgeführt werden.Dazu wurde die Homogenität, der maximale Lichtstrom und der genutzte Lichtstrom sowie die aufgenommene Leistung gemessen.Diese Messungen ergaben, dass die Beleuchtung mittels eines Lichtleiters und einer SMD-LED die besten Ergebnisse, in Homogenität und Effizienz, liefert.

Anfertigung der Beleuchtung

Für die Beleuchtung wurde eine SMD-LED mit 60 mW Leistung und einem Abstrahlwinkel von 120° verwendet. Diese wird von einer Konstantstromquelle mit 20 mA angesteuert.Der Lichtleiter für die Beleuchtung wurde in der Werkstatt des Optik-Labors gefertigt.

Für den Lichtleiter und die LED musste noch eine passende Halterung entworfen werden. Durch die Halterung dürfen möglichst wenig Verluste entstehen.

Die Halterung besteht aus zwei Halbschalen, in denen der Lichtleiter und die LED geklemmt werden. Diese Halbschalen werden dann in einem Gehäuse fixiert, dass an den Kollimator geschraubt wird.

Anordnung der Komponenten

Anordnung der Komponenten

Ergebnis

Zur Überprüfung der Funktion der Beleuchtung wurde noch eine abschließende Messung durchgeführt. In Tabelle 1 kann man einen Vergleich der alten mit der neuen Beleuchtung sehen.

Tabelle: Ergebnisse der Abschlussmessung

    

Beleuchtungsstärke durchschn.

positive Abweichung

negative Abweichung

genutzter Lichtstrom

maximaler Lichtstrom

maximale Leistung

Effizienz der Lichtquelle

Verhältnis der Lichtströme

Alte Beleuchtung

0,53 lx

5 %

- 11 %

0,01 lm

12,40 lm

2,10 W

0,003 lm/W

0,05 % 

Neue Beleuchtung

15,37 lx

5 %

- 6 %

0,19 lm

2,35 lm

0,108 W

1,80 lm/W

8,25 %

Wie man sehen kann ist die Homogenität der neuen Beleuchtung sogar besser als die der alten. Die Beleuchtungsstärke konnte um das 30fache erhöht werden. Die Effektivität wurde sogar um das 600fache gesteigert.

Fertige Beleuchtung und SMD-LED auf Halter

Fertige Beleuchtung und SMD-LED auf Halter

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