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Eine Beleuchtung für den Reprostand mit LEDs



Fuji X-T4 im Reprostand Wer kennt das nicht: der schöne Reprostand mit den beiden teuren Glühlampen zur Linken und Rechten erweist sich als ungeeignet für Videos mit modernen Digitalkameras, z. B. mit meiner Fuji X-T4. Die teuren OSRAM-Lampen flimmern wie Hund in 50-Hz-Rhythmus. Beim einfachen Fotografieren geht's noch, aber das macht dann so richtig schöne Videos, dass einem schummrig wird vom Anblick:



Die 50-Hz-Schwingung der Beleuchtung macht Kuddel-Muddel mit der Kamera, alles schwingt und säuselt im 50-Hz-Rhythmus und macht jede Menge Moiree auf den Videos. So geht das aber nicht!

Die ultimative Reprobeleuchtung mit LEDs

Mit dieser Leuchte hat das nun ein Ende: 140 Leuchtdioden erzeugen ein kräftiges Licht, und ganz ohne 50-Hz, weil mit Gleichstrom. Und die LEDs kriegen immer den gleichen Strom geregelt serviert. Und sogar die Helligkeit lässt sich mit einem kleinen Potentiometer feinfühlig einstellen.

Da Repro-Glühlampen teuer sind, recht rasch kaputt gehen und eine Unmenge Strom brauchen, ist diese Schaltung auch noch zum Sparen geeignet: Zum Preis einer einzigen Lampe kriegt man was ganz Langlebiges und viel weniger Strom Brauchendes. Mit 70 Euro Bauteilen und einem langen Herbsttag mit Löten und Schrauben bist Du dabei.

Schaltbild der Beleuchtungseinheit

Schaltbild der Repro-Beleuchtung Das ist die eigentliche Licht-Macherei.

Je 20 Reihen zu je sieben weißen LEDs werden von je einem Transistor mit 20 mA Konstantstrom angetrieben. Die Mimik mit den beiden Dioden, dem Vorwiderstand und dem Poti dient der Helligkeitseinstellung: je höher die eingestellte Spannung an der oberen Diode desto heller werden die LEDs.

Die Transistoren und die beiden jeweils zugehörigen Widerstände sind auf der Beleuchtungsplatine (vier Euro-Platinen mit 160-mal-100 mm) verbaut und parallel verdrahtet. Die Regelspannung und ihre Einstellung kann mit dem Netzteil verbaut werden, das dann drei Anschlüsse hat:
  1. die Minusseite (GND),
  2. die Plusseite (+27 V), und
  3. die Basis-Regerlspannung (0,65 bis 1,3 V).
Die Regelspannung wird mit einem Widerstand von 2,2 kΩ aus der LED-Spannung erzeugt. Der verbrät ungefähr 300 mW Leistung und sollte daher ein 0,4 bzw. 0,6W-Metallfilm-Widerstand sein. Ich habe einfach zwei 250 mW-Kohleschicht mit 1kΩ und 1,2kΩ hintereinandergeschaltet.

Schaltbild des Netzteils

Schaltbild des Netzteils der Repro-Beleuchtung Und schon wieder ein neues Netzteil. Mit 10 Euro bist Du dabei. Dafür gibt es was kräftiges mit Trafo und nicht diese futzeligen Schaltnetzteile.

Der Trafo produziert aus zwei 18V-Spulen, zwei Dioden und einem Elko eine wunderbar gleichgerichtete Gleichspannung mit wenig Brumm. Den Restbrumm von 1,2Vpp machen eh noch die Konstantstromregler-Transistoren platt, die sich von diesem Brumm so rein gar nicht beeindrucken lassen.

Die Schaltung des Netzteils ist exakt auf die verwendeten Leuchtdioden ausgelegt. Verwendet man LEDs mit höheren Durchlassspannungen oberhalb von 4 Volt, dann kann das zu Engpässen führen (mit Brumm auf den LEDs). Die Transistoren vertragen klaglos noch höhere Betriebsspannungen bis ca. 40 Volt, ohne gekühlt werden zu müssen. Man nehme also eher etwas mehr Spannung (z. B. einen 24-Volt-Trafo, aber Obacht: bei 24 Volt braucht man einen 50-Volt-Elko zum Gleichrichten).

Netzteilspannung bei Volllast Das hier ist die Spannung am Elko bei Vollast.

Netzteilspannung im Leerlauf Und das hier im Leerlauf. Die Auslegung des Elko auf 35 Volt ist dringend nötig.

Ein ähnliches Netzteil habe ich für die mikroprozessor-geregelte Filmleuchte entworfen und gebaut. Die Bauanleitung ist hier beschrieben. Dieses kann hier ebenfalls verwendet werden. Es hat ca. 4 V mehr Ausgangsspannung, geht aber dank der größeren Transistoren in dieser Schaltung genauso gut.

Stückliste

Hier ist die Stückliste von Beleuchtungseinheit und Netzteil.
AnzahlBauteilBestell-Bezeichnung
Reichelt		EinzelpreisGesamtpreis
20Transistor BD439BD 4390,306,00
2Dioden 1N41481N 41480,020,04
140LED 8 mm kaltweißLED LL 8-13500WS0,2230,80
20Widerstand 33 Ohm1/4W 330,030,64
20Widerstand 220 Ohm1/4W 2200,030,64
1Metallfilm-Widerstand 2k2METALL 2,20K0,080,08
1Poti 1 kOhm MonoPIH SMC10H041022,092,09
1Schraubklemme 3-poligRND 205-000130,290,29
4Laborkarte CEM3RE 200-C34,5018,00
Summe58,58
Netzteil
1Trafo 2*18V 10 VAEI 48/16,8 2185,625,62
2Dioden 1N40011N 40010,020,04
1Elko 2200 µF/35VRAD LXZ 35/2K20,850,85
1SicherungshalterPL 1120000,280,28
1Sicherung 100 mA TTR 0,1A0,640,64
1Schraubklemme 3-poligRND 205-000130,290,29
0,5Laborkarte CEM3RE 200-C34,502,25
Summe9,97

Aufbau der Beleuchtung

Design pro Seite So sehen jeweils zwei Europlatinen mit je 35 Leuchtdioden aus. Die Platinen werden nicht miteinander verbunden, damit die vier Platinen frei platziert werden können. Die LEDs werden mit beiden Anschlüssen so eingelötet, dass sie in vertikaler Richtung etwas gebogen werden können, damit sie auf die zu beleuchtende Fläche zeigen.

Die Anschlässe GND, +27V und alle Basisanschlüsse gemeinsam werden an einen dreipoligen Pin-Anschluss geführt und mit dreiadrigem Kabel miteinander verbunden. Jede Platine hat jeweils drei Ein- und Ausgänge zum Zusammenschalten.

Die Hauptplatine Das ist die Hauptplatine. In der Mitte ist die Stromversorgungsbuchse zu sehen, über die die Hauptplatine mit der Betriebsspannung aus dem Netzteil versorgt wird. Da immerhin bis zu 500 mA Strom fließen, darf das Verbindungskabel etwas kräftiger sein.

Der Helligkeitsregler ist links unten zu sehen, er produziert die geregelte Basisspannung für alle LED-Reihen-Transistoren.

Die beiden Dreierreihen mit Anschlüssen verbinden mit zwei weiteren Platinen, die vierte Platine kommt in Reihe zur dritten.

Eine der drei LED-Platinen Das ist eine der drei LED-Platinen. Links ist sie über dreiadriges Kabel an die Hauptplatine angeschlossen, der rechte Dreieranschluss ist frei.

Alle vier Platinen sind auf ein Stück Plexiglas 100x50 mm aufgeklebt. Daran sind vier Schrauben M3*16 zum Abstandhalten als Ständer befestigt.

Hauptplatine mit LEDs an Das ist die Hauptplatine mit eingeschalteten LEDs. Die LEDs zeigen etwas schräg zur Kamera, weil sie sonst zu hell wären.

Diese Fotos sind übrigens alle mit den normalen Glühlampen der Reprostation gemacht. Man sieht den Schattenwurf durch die LEDs. Das Problem hat man mit dieser Beleuchtung nicht.

Richtungen der LEDs Das hier sind die Winkel, in denen die LEDs verbogen werden müssen, damit ihr Licht gleichmäßig auf die Fläche fällt. Dabei ist unterstellt, dass sie ohne Abstand zueinander so nah wie möglich an der Repro-Station platziert sind.

Strahlwinkel der LEDs Die angegebenen LEDs haben einen Strahlwinkel von 30°. Hier ist für die unterste und oberste LED-Reihe einer Seite dieser Strahlwinkel eingezeichnet. Man sieht, dass die resultierende Flächenabdeckung recht gleichmäßig ist.

Helligkeitsverteilung

Helligkeitsverteilung auf einer 36x20 cm Flaeche Das hier ist die Helligkeitsverteilung der LEDs auf der Fläche von 36-mal-20cm. Auch hier sind jeweils zwei Platinen direkt nebeneinander und bündig zur Repro-Station angeordnet.

Die Lichtstärke variiert zwischen 48 und 420 mCd/cm2. Die Randbereiche links und rechts und sehr hell ausgeleuchtet, die in der Mitte sehr gleichmäßig.

Anteile der 20 LED-Stapel in der Mitte Dies veranschaulicht die Beiträge der 20 einzelnen Reihen mit jeweils den sieben LEDs der Reihe an der Beleuchtungsstärke in Flächenmitte. Wie zu erwarten sind die Beiträge der beiden äußersten Reihen bescheiden, weil sie durch ungünstige Strahlwinkel der dortigen LEDs nur sehr gering oder gar nicht zur Beleuchtung des Punkts beitragen können.

Anteile der 20 LED-Stapel links von der Mitte Je weiter links von der Mitte der Punkt rückt, desto höher sind die Anteile, die die linken LEDs beitragen. Die rechten LEDs haben dann eine höhere Distanz zu den Punkt und die Abschwächung wächst quadratisch mit der Distanz.

Anteile der 20 LED-Stapel rechts von der Mitte Selbiges gilt, wenn der Punkt rechts von der Mitte liegt.

Richtung und Strahlwinkel der untersten linken LED Das hier zeigt den Winkel, um den die linke unterste LED nach unten gebogen werden muss (in rot). In violett ist ihr Strahlbereich eingezeichnet. Die LEDs haben einen Strahlwinkel von 30°, der sich hier abbildet.

Richtung und Strahlwinkel der obersten linken LED Dasselbe noch für die oberste LED. Diese beleuchtet in Gänze die Fläche und überstreicht einen größeren Flächenbereich.

Alle Bilder hier sind mit einer selbstgeschriebenen Lazarus-Software erstellt. Den Lazarus-Quellcode in Pascal gibt es hier, das Windows-64-Bit-Executable hier.

Wir werden weiter unten sehen, was man damit noch alles anstellen kann.

Erfahrungen

Erfahrungen mit der Schaltung

Dies war der Plan. Ich habe alle vier Platinen gebaut. Sie zeigen die in der Tabelle "Messungen" des LibreOffice-Spreadsheets hier dokumentierten Messergebnisse:
  1. Die Leuchtdioden haben eine Durchlassspannung von 2,84 V, mit einer Streuung von +/-0,1 V.
  2. Die Reihenströme bewegen sich in Volleinstellung zwischen 24,73 und 24,98 mA in einem schmalen Band von ca. +/-0,5 V.
  3. Die hFE-Werte der 20 Transistoren liegen bei diesem Strom zwischen 130 und 175, man muss also keineswegs vom Minimum im Datenblatt des Transistors ausgehen.
  4. Insgesamt haben alle vier Platinen zusammen einen Strombedarf von maximal 488 mA. Die Summe aller Basisströme liegt bei 3,4 mA.
Eine interessante Beobachtung ist, dass die Transistoren bei dem LED-Strom von 20 mA ein niedrigeres UBE haben (0,602 V) als die Durchlassspannung der 1N4148-Dioden (0,693 V pro Diode). Dadurch lässt sich die Helligkeit nicht völlig dunkel regeln.

Im Gegenteil: am unteren Anschlag erhöht sich sogar noch der Strom geringfügig, aber nicht mehr, wenn alle vier LED-Platinen angeschlossen sind.

U-I-Kennlinie Das hier ist die Uregel / ILED-Kennlinie der Schaltung im Originalzustand. Der rote Bereich wird vom Poti abgedeckt, den blauen habe ich gemessen. In grün ist noch die Trendlinie mit der linearen Gleichung eingezeichnet.

Man sieht, dass man für eine verbesserte Abdeckung des niedrigen LED-Strom-Bereichs auf ca. 0,5 Volt Regelspannung herab müsste. Eine Möglichkeit wäre, den unteren Anschluss des Poti nicht an die Dioden anzuschließen sondern an einen Widerstand nach Masse. Ein angemessener Widerstand wäre 560Ω. Das würde die Basisspannung auf 0,48 V untere Grenze einstellen und die LEDs wären tatsächlich weitgehend dunkel. Um die Minimalhelligkeit noch weiter abzusenken, wären 390Ω angebracht, dann sind die LEDs am unteren Anschlag tats&aum1l;chlich ganz aus.

Man kann auch die untere 1N4148 durch eine oder zwei Schottky-Dioden ersetzen und kriegt den gleichen Effekt.

Das mache ich aber erst, wenn es wirklich stört. Bis jetzt ist das nicht der Fall.

Erfahrungen mit der Beleuchtungsstärke

Nahe Platzierung Was schon die theoretische Herleitung oben gezeigt hat, dass nämlich links und rechts ein sehr heller Bereich existiert, hat sich in der Praxis bewahrheitet, wie dieses Foto eines weißen Blatt Papiers zeigt.

Entfernte Platrziuerung Das ist aber leicht behebbar, wenn man die Verbindungskabel etwas länger macht als nötig: man stellt die vier Platinen in etwas Abstand zur Repro-Fläche auf. Und schon ist die Fläche ganz gleichmäßig ausgeleuchtet und die Macken sind verschwunden.

Mit den vier Flächenquellen dürfte sich auch der Schattenwurf erledigen, wie er bei nur zwei Lampen auftritt.

Erfahrungen beim Video-Drehen

Das hier ist nun das Video von meiner RGB-Eieruhr mit dem ATmega8515.



Das Flackern der zweiten LED zeigt, dass die LEDs bei dieser Anwendung im PWM-Modus arbeiten. Mit dem menschlichen Auge ist da kein Flackern zu sehen.

Da ist nun kein Moiree mehr, alles ist sauber. Dank Gleichstrom-LED-Repro-Beleuchtung.

Weitere Unterlagen

Die Zeichnungen gibt es als LibreOffice-Draw-File hier, die Berechnungen und Messungen als LibreOffice-Spreadsheet hier.

©2020 by Gerhard Schmidt