Die Wahl des Leuchtmittels

Mittlerweile sind einige Hersteller von Hochleistungs LEDs am Markt von denen drei hier Erwähnung finden sollen. Am bekanntesten und Vorreiter ist LUMILED mit ihrer LUXEON Baureihe. Erhältlich sind LED in 1, 3 und 5 Watt mit maximal 140 Lumen. 3W bietet aber das bessere Lumen pro Watt Verhältnis mit ca. 100 Lumen. Der zweite Hersteller ist Seoul Semiconductor mit ihrer Z-Power Serie. Seoul Semiconductor baut im Moment mit der P4 den stärksten single Chip Emitter mit beeindruckenden 240 Lumen bei 3,4 Watt. Der dritte im Bunde ist Cree, die mit ihrem neuen XR-E Typen den LED Markt als erste revolutioniert haben. So setzt u.a. auch SSC den Chip der XR-E in ihrem P4 Emitter ein und packt nur noch ihr Phosphor darauf. Daher zeigen beide LEDs auch ähnliche Leistungswerte. Cree hat es geschafft die Lichtausbeute mehr als zu verdoppeln gegenüber der alten Technik wie sie noch die Luxeon III einsetzt. Dies hat nicht nur den Vorteil, daß mehr Licht aus dem gleichen Strom erezugt wird, sondern da mehr Energie als Licht abgegeben werden kann veringert sich so die unbeliebte Wärmeabgabe und vereinfacht damit auch wieder das Wärmedesign der Tauchlampe. So können aktuelle single Chip Emitter problemlos nostop über Wasser betrieben werden solange sie in einem halbwegs vernünftigen Alu Gehäuse stecken.

Theoretisch kann ein Watt Stromleistung maximal ca. 600 Lumen Licht erzeugen. Die Physik setzt der weißen LED noch Grenzen, die im Bereich von 320 Lumen liegen. Da scheint die Ankündigung der LED Hersteller doch schon recht interessant, die im nächsten Jahr schon 150 Lumen / Watt erzeugen wollen. Man kann sich leicht ausrechnen wann die LED alle anderen Leuchtmittel verdrängt haben wird, denn diese Techniken entwickeln sich nur noch in sehr engen Grenzen.

Bleibt also noch die Qual der Wahl nach dem bevorzugtem Leuchtmittel. Viel Licht möglichst relativ preiswert liefert immer noch der HID Brenner mit seinen Nachteilen in Punkto Lebendauer und Preis. Ein vergleichbarer LED Brenner ist noch teurer und aufwendiger - bietet aber mehr Vorteile wie beliebige Kaltstarts, Robustheit und gleichmäßige Lichtabgabe. Auch die Farbwiedergabe ist bei der richtigen LED besser als mit HID und reicht nun schon nahe an die Hallogentechnik heran. Der OSTAR Emitter ist ein gutes Beispiel dafür wo gerade die kritischen Rottöne sehr gut wiedergegeben werden. Hallogen ist eigendlich nur noch für sehr preiswerte Lampen oder den Videobereich interessant, da sehr ineffizient aber mit der besten Farbwiedergabe z.Z. und billig.

Die Wahl der Optik

Nun hat man seine gute, effizient und hell leuchende LED gefunden und steht nun vor dem Problem wie bekomme ich all das Licht nach vorne. Schaut man sich auf dem LED Markt um scheint es dafür nur eine Lösung zu geben. Optische Plastiklinsen, auch TIR Linsen genannt, in mannigfaltigen Fassetten mit eingearbeiten Linsen, Streuriffelungen oder Löchern. Allen Linsen liegt aber das gleiche Prinzip zu Grunde - die interne totale Reflexion.

Wirft man einen nächeren Blick auf diese Optiken stellt man fest da ist gar kein Reflektor an der Seite und schlimmer noch - die sind durchsichtig. Wie soll da Licht vorne rauskommen? Das es trozdem klappt liegt an der physikalischen Eigenschaft der Lichtbrechung, die beim Übergang von deutlich in ihrer Dichte unterschiedlichen Materialien ab einem bestimmten Winkel total wird. Zumindest fast. Trifft also Licht in einem möglichst kleinem Winkel auf eine Oberfläche wird es von Ihr reflektiert anstatt hindurch zu gehen. Je kleiner der Winkel desto besser ist dieser Effekt ausgeprägt. Dem Interessiertem sei dieser Link aus der deutschen Wiki empfohlen.

Diesen Effekt macht sie die optische TIR Linse zunutze. In Ihr wird das Licht solange gebrochen bis es dahin fällt wo es hingehört. Es gibt für gängige Emitter viele verschiedene Hersteller weltweit wenn man erst mal sucht und laut Datenbaltt ist Einer besser als der Andere. Das ist von der Realität allerdings in vielen Fällen weit entfernt. Nicht nur das Hersteller hier viel falsch machen können auch der Einbau in die Lampe ist weitaus kritscher als man glauben würde. Dazu aber später mehr. Laut Herstellerangaben liegt die Effizienz einer guten Linse bei ca. 85%. Man könnte also erwarten, 85% des Lichtes nach vorne zu bekommen - ein guter Wert, zumindest theoretsich. Meine Versuche zeigen mir aber schnell, daß die Wahrheit sehr unterschiedlich sein kann.

Betrachten wir einmal einen Lichtstrahl, der durch solche eine Linse hindurch muß. Zunächst muß er möglichst senkrecht in die Optik eintreten um die in diesem Falle ungewollte Reflexion niedrig zu halten. Schaut man sich die Eintrittsöffnung verschiedener Linsen an kommen hier die ersten Zweifel. Ist das Licht nun im Plexiglaskörper muß es einen gewissen Weg darin zurücklegen, der eine weitere Dämpfung zur Folge hat, der durch die optischen Eigenschafen von Plexiglas (PMMA) begrenzt wird. Dies sind aber nur 1-2% Verlust. Nun soll der Lichtstrahl nach oben reflektiert werden und trifft ein bis zwei mal auf eine glatte Außenkante der Optik und wird nach oben gelenkt. Diese Reflexion ist natürlich verlustbehaftet und macht die echten guten Eigenschaften eine Linse aus. Schaut man sich aber eine Linse im Betrieb an merkt man schnell, daß durchaus eine sichtbare Portion Licht die Optik an der falschen Stelle verläßt. Hierbei habe ich schon hohe Verluste festgestellt, die eine Optik nahezu unbrauchbar machen.

Einen weiteren Einfluß auf eine gute Lichtbündelung hat natürlich die Größe repektive des Durchmessers einer Optik. Standard ist hier meist 20mm, 26mm und mehr. Es gilt je größer die Linse desto besser die Bündelung. Aber auch der Emitter selbst hat einen wichtigen Einfluß auf die Güte der Bündelung, da die abstrahlende Fläche nicht unendlich klein ist. Gewöhnliche HighPower Emitter mit einem Die haben ca. 1mm² leuchende Fläche. Je größer diese Fläche desto schlechter die Bündelung und mehr noch - je größer das Die desto schlechter wird auch der Wirkungsgrad der TIR Optiken, da der Winkel der Totalreflexion stärker variiert mit steigender Chipfläche. Es bleibt mehr Licht auf der Strecke. Einer der Gründe warum ich für das OSTAR Projekt keine TIR Optik in Frage kam.

Zu guter Letzt muß nun unser Lichtstrahl die Optik wieder verlassen und auch da gibt es wieder Verluste. Denkt man dies alles mal durch und schätzt die Gesamtverluste einer TIR Optik, fragt man sich zwangsläufig wie die Jungs auf ihre Effizienz von über 85% kommen. Alleine das senkrechte durchstoßen von 2mm Plexiglas kostet ca. 9% Verlust. Meinen Erfahrung nach erreichen diese Effizeinz annähernd nur sehr wenige Linsen und das auch nur bei perfekter Montage und exakt passendem Emitter!

Denn TIR Optiken sind sehr stark auf ihren zugedachten Emitter designed. Selbst geringfügiste Änderungen machen eine gute Bündelung zunichte, Bestes Beispiel dafür war ein klammheimlich von Lumiled durchgeführtes Update ihres begehrten Luxeon III Emitters im Okt/Nov. letzten Jahres. Sie haben bei diesem Update das Slug des Emitters optimiert und dabei den lechtenden Chip um wenige hunderstel Millimenter nach unten verschoben (Das Slug ist die Metallfläche auf der der Chip aufgebracht wird und das sich bis zum Boden der LED ersteckt um die Wärme abzuführen). Die Folge war, das ALLE Luxeon TIR Optiken nach dieser Änderung hohe Verluste der Lichtleistung im Hotspot hatten. Ich möchte nicht wissen wie viele LED Lampenhersteller noch vor ihrer Lampe sitzen und rätseln :-) Wichtig - fragt beim Kauf von TIR Optiken für Lux III nach ihrer gedachten Auslegung für den neuen oder alten Emittertyp! Leider sind die meisten Optiken nie geändert worden.

Also, eine Luxeon Optik auf eine Seoul P4 zu setzen ist keine gute Idee.. Es muß immer eine exakt passende Linse her und wichtig dabei ist dann, daß der Emitter ganz genau an der vorgesehenen Stelle in der Optik sitzt. Hier geht es um hunderstel Millimeter, die über Erfolg und Miserfolg entscheiden. Optimalerweise nutzt man fertige Optikhalter der Hersteller. Die sind zwar auch nicht perfekt, aber besser als das meiste Selbstgebastelte. Beim Einbau der Linse ist penibel darauf zu achten, daß die Oberfläche der Optik auf gar keinen Fall mit dem Finger zu berühren ist! Die total refektierende Eigenschaft geht an dieser Stelle sofort verloren und die Lichtleistung ist im Keller. Am besten arbeitet man mit den TIR Linsen nur mit dünnen Stoffhandschuhen. Auch reinigen mit Lösungsmitteln ist keine gute Idee. Zum Einmessen der Optik und Finden des optimalen Punktes empfielt sich ein billiges Luxmeter bei ebay zu ersteigern, denn geringe Unterschiede in der Helligkeit kann das Auge nicht wahrnehmen bei großer Helligkeit. Damit lassen sich dann auch Tauchshopbesitzer prima schocken, wenn man sich ihre Lampen damit vornimmt für Vergleichsmessungen. :-)

Alle diese Probleme umgeht man beim Einsatz von Reflektoren. Viele behautpen immer noch LED Licht läßt sich mit Reflektoren nicht bündeln - die haben wahrscheinlich Ihre alten Hallogen Relfektorformen dafür verwendet. :-) Zumindest das OSTAR Projekt zeigt, daß es sehr wohl geht und auch sehr gut geht. Das Schöne an den Reflektoren ist Ihrere universelle Einsatzfähigkeit. Sie sind nicht an spezielle Emitter so stark gebunden und können in den meisten Fällen selbst an einen anderen Emitter angepasst werden.

Jeder Reflektor besitzt einen mehr oder weniger großen fokalen Punkt aus dem optimalerweise die Lichtstrahlen kommen sollten, damit sie parallel nach vorne gebündelt werden können. LEDs sind zwar Punktstrahler, aber keine Perfekten. Auch hier spielt die Chipgröße eine Rolle bei der max. Fokussierbarkeit. Da sich LEDs meist in ihrer Position des leuchtenen Chips in Bezug auf den Rand unterscheiden muß man einen Luxeon Reflektor beispielsweise bei einer anderen LED entwender einige hunderstel Millimeter anheben oder abschleifen. Das läßt sich schnell durch probieren herausfinden. So kommen im OSTAR Projekt auch Luxeon Aluminium Reflektoren zum Einsatz, die für die OSTAR etwas abgeschliffen wurden.

Aber auch bei Reflektoren gibt es durchaus Unterschiede. Die Betrachtung der Effizienz ist denkbar einfach. Das Licht wird nur einmal an der Oberfläche reflektiert und der Winkel spielt eine untergeordnete Rolle. Wichtiger ist das Oberflächenmaterial des Reflektors, der die Effizienz vorgibt. Gute Aluminium Reflektoren mit vergüteter Oberfläche bingen es locker auf über 97% Effizienz! Das stellt gegenüber TIR Optiken eine ganz andere Liga dar. Natürlich kann ein Reflektor nicht das gesamte Licht einer LED einfangen, dafür beibt aber ein sehr komfortables Streulicht am Rand über, welches eine TIR Optik fast gar nicht besitzt. Interessanterweise ist ein guter Alurefektor trotz des nur teilweise verwendeten Lichtes heller im Hotspot als jede TIR Optik mit gleichem Durchmesser. Das Streulicht gibt´s also gratis. :-)

Ich selbst baue LED Lampen mit TIR Optiken aus oben ersichtlichen Gründen gar nicht mehr. Es muß aber jeder selbst entscheiden was für ein Licht er gerne haben möchte und wie aufwändig es sein soll. TIR Optiken mit passendem Halter sind natürlich einfacher anzuwenden und sind meist billiger als gute Reflektoren.

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