Luxeon HighPower LED – Licht

Alles begann mit meiner Idee, beim 24h Rennen auf der Nordschleife teilzunehmen. Christian war der erste, der vom Plan begeistert war. Wer ihn gut kennt weiß, seine Beweggründe kann man allgemein als sehr sehr vielfältig und differenziert beschreiben – nicht jedoch wenn das Vorhaben total bekloppt ist… Dann ist er sofort dabei. Ich kann mich noch gut an eine Tour am Gumpener Kreuz erinnern wo er sagte: “kA wos da hin geht oder ob’s überhaupt irgendwo hingeht -> es ist aber steil -> es liegt 10 cm loses Laub -> sieht unbefahren aus -> steht kein Schild” ergo LOS!

Zurück zur Sache aus Spaß sagte ich “Wenn wir da wirklich mitmachen, haben WIR das beste Licht.” Zudem Zeitpunkt war der Namensgeber (DGD) und Webmaster der tollen Seite noch nicht eingeweiht. Das geschah wenig später. Auch er zeigte sich voller Vorfreude.

Also hatte ich nun eine Aufgabe. Licht bauen. Die LED Lichter, die auf dem freien Markt zu haben sind waren meiner Auffassung nach alles außer eines… Hell! Ich begann meiner Projektunterstützung www.google.de fragen zustellen. Welche LEDs gibt es denn überhaupt? Die LEDs, die jeder aus allen möglichen Anwendungen kennen sollte, machen hierbei keinen Sinn. Sie sind uneffizient, streuen das Licht zu sehr und leiden an einem schweren Leuchtkraftmangel. Bei dem Shop www.leds.de bin ich dann auf die Luxeon Lumileds von Philips gestoßen. Selbige gehören zur Familie der “HighPower” LEDs. Die Farbe sollte hellweiß sein (wie xenon). Doch auch hier gibt es Unterschiede. Die Luxeons reichen von 1 Watt bis zu 5,8 Watt (pro Chip). Damit dürfte die Frage nach dem LED Typ geklärt sein. Laut Hersteller bringt eine LED eine Lichtleistung von 300 Lumen. Sie benötigt 3.9 Volt und 1.4 A. Somit war der erste Test sehr einfach. LED auf den AluStar löten (zum Kühlen bzw Anbinden) dieser dann auf einen alten CPU Kühler mittels Wärmeleitpad. 6 Watt auf 0,16 cm² sind eben nicht mehr mit Luftstrom zu kühlen. Dazu brauch man schon eine größere Fläche.

Als Stromquelle diente ein alter Handyakku (Nennspannung 3.7 Volt). Somit konnte die LED ohne Vorwiderstand oder ähnliches betrieben werden.

Der erste Test war beeindruckend. Mit einer 15 Grad Optik ließ eine LED neue Batterien einer 4D Maglite leer/alt aussehen.

Die Maglite wirkt nur wegen des Weißabgleiches so gelb.

Die Ausleuchtung von 15 Grad ist mir etwas zu wenig gewesen. Deshalb hab ich mich für 25 Grad entschieden. Problem: Dank der Helligkeit von 300 Lumen pro LED, musste eine möglichst große Optik her, damit man ohne Sehschaden auch mal direkt ins Licht schauen kann. (bei 1cm Durchmesser wird’s gefährlich).

Wir verwenden im Prototyp (DGD testet in Schweden) im Moment 2x 36mm Optiken mit 25 Grad. Die Ausleuchtung ist gigantisch. Sie kann problemlos auf das Niveau eines etwas älteren Autoscheinwerfer gestellt werden.

Gehäuse bzw. Stromversorgung war der nächste Punkt dem ich mich annehmen wollte. Ich wollte schon 2 LEDs verbauen – der Helligkeit wegen. Die o.g. Optiken gaben die ungefähren Maße vor ->80x40mm. Die Länge der Gehäuses wurde auf ca 120mm festgesetzt, da ein Akku rein sollte, der ca 3 Stunden Betrieb mit voller Leistung ermöglicht. Wärmeleitung und Gewicht schrien förmlich nach Alu. Stärke 2 mm! 3 mm wär unnötig – 1 mm gibt’s nicht 😉

Bei der Stromversorgung gab es das größte Problem. 2×5,9 Watt – wo nehme ich die Watts 3 Stunden lang her? Ein modifiziertes Nabendynamo gibt besten Falls 4 Watt her. (wer jetzt lachen musste.. -)> Dynamos empfehlen sich prinzipiell sehr sehr gut für das Befeuern von LEDs da sie einen konstanten Strom liefern. LightEmittingDiodes verhalten sich wie der Name Diode schon vermuten lässt nicht ohmisch. Ein ohmisches Lämpchen hat einen festen Widerstand. R = U/I. Strom und Spannung verhalten sich also linear. Wenn ich eine 6 Volt Lampe mit 5.5 oder 6.2 Volt betreibe, stelle ich nur geringfügige Helligkeitsunterschiede fest. Wenn die Lampe 12 Ohm hat heißt das @5.5 Volt 2,5 Watt / @ 6.2 Volt 3,2 Watt. Eine LED hingegen ändert seinen Widerstand je nach Strom. Bei 85% der empfohlenen Spannung ist nur sehr wenig von der LED zu sehen, da sie kaum noch Ionen springen lassen kann (Chemie/Physik). Der Strom sinkt also extrem und damit auch die Leistung. Nun ist also die Frage wo ich konstante Spannung von 3.8-3.9 Volt oder Strom von 1.4-1.5 Ampere her beziehe. Ein Lithium Handy Akku wäre gut geeignet. Diese liefern genau diese Spannung und dank ihres kleinen Innenwiderstandes können sie auch problemlos die nötige Leistung abgeben. Lithium-Akkus sind dazu leicht und oftmals relativ günstig. Da ich jedoch einzelne Zellen brauche (eine Zelle hat immer 3.7 Volt Nennspannung), welche ich parallel schalte, fällt die Lithiumbatterie damit leider unter den Tisch. Der Grund – fertige Akkupacks und Lader sind nur für 2-6 Zellen in Reihe zu haben. Modellbauer haben eben gerne viel Volt, weil dann die kalten Lötstellen nicht so auffallen ;-). 5 oder mehr Einzel-Lader lassen selbst bei Eigenbauschaltungen die Kosten explodieren. Dazu sei gesagt, dass man nie mehr als 2 Zellen in Reihe laden sollte, da Lithium sonst irgendwann in Flammen aufgeht. (Überladung bei ungleichem Ladezustand der Zellen).

Das Problem der Stromversorgung war wieder da. NiMh sollte des Aufgabenstellungs Lösung sein. Am besten Mignon-AA Zellen, weil die den meisten Wettbewerb im Internet erfahren(hohe Nachfrage) und somit nen sehr niedrigen Preis haben -> 2€ / Zelle. Gängige Lader können 10 Zellen laden. Das passt noch gut in Gehäuse. Schrumpfschlauch, Lader und Anschlüsse gibt es für zusammen 18€. Dazu 10*2 € sind 38 €. Für rechnerisch 32 Watt / Stunden günstig. Damit kommt man so ca. 2,5 Stunden (Theorie). Die Frage ist jetzt, wie aus den 14.4 Volt der 10 Sanyos (2700mAh) LED-verträgliche Werte erzeugen? Die Lösung – ein Vorwiderstand. Was bei einer lächerlichen 20 mA LED noch funktioniert, da man so 0,12 Watt vernichten muss um eine blaue etwa an einem 9V-Block zubetreiben [VorwiderstandR=(UVersorgung-Uled)/I], macht in unsrem Fall grandiose 10,2 Watt. Den 4,66 Ohm Widerstand müsste man womöglich noch mit Wasser kühlen. 😉

Anm. d. Red. (Umso kleiner der Widerstand umso höher die Stromaufnahme und somit auch die Hitze, alles andere ist ein Trugschluss. Erklärung gibt bei Bedarf bei E-m@il)

Also muss eine Konstantstromquelle (auch unter LED-Treiber bekannt) her. Eigenbau ist in den Dimensionen von 2.8 Ampere nur schwer realisierbar. SMD Bauweise außerdem effizienter und platzsparender. Da unser Protoyp sooo hell ist – wird die Final-Version dimmbar sein. Wirkungsgrad der KSQ ca. 85%. Prinzip PWM = Pulse Width Modulation. Strom nicht an einem Widerstand vernichten sondern per Schaltregler über eine gewisse Zeit getaktete Stromstöße abgeben, die integriert dann einen konstanten Strom darstellen. Dabei geht kaum Energie verloren. So dimmt auch euer iPod das Display aus. Ein Kondensator taugt da nicht. PWM schon. Die Beleuchtung wir nämlich garnicht dunkeler – sie wird nur GANZ oft in der Sekunde ab bzw. angeschaltet – Müsst ihr halt mal genau hinschauen. 😉

Kühlung? Spritzwasser?

Ich hab die LEDs einfach auf einen Aluwinkel geklebt (CPU 2-Comp Wärmeleitkleber), dieser ist mit WLP und Schrauben in das Vierkant-Alu-Rohr geschraubt -> Wärmebrücke. Nach ca 15min wird die gesamte fertige Lampe handwarm. (im freien in der Regel nicht). Gedichtet werden die Gewinde mit Teflon-Band (Gasleitungen dichtet man so auch), Plexiglas-Scheibe mit Teflon-Schnur (1mm) eingepasst und mit Winkelchen verschraubt. Am anderen Ende befindet sich ein Kunststoffstopfen, welcher fest sitzt und ebenfalls mit Teflon-Schnur eingepasst ist. In ihm sind 2 Kippschalter (OldSchool) und eine Edelstahl Öse zum Öffnen (mit etwas Kraftaufwand) untergebracht.

Lenkerhalterungen sind von Cateye – auf dem Schwerpunkt ausgerichtet, somit sind auch die 650g Gesamtmasse keine Problem mehr.

Veredelt wird das ganze dann später von der Firma

oft Oberflächentechnik GmbH
Am Neuen Graben 1
64859 Eppertshausen

Danke schön!

Bilder folgen noch.