Im Rahmen seines Elektrotechnik-Studiums an der TU Berlin war Felix Anfang 2017 unser Praktikant. Dies ist sein lesenswerter Bericht über seine Studienarbeit.

In diesem Projekt geht es um die Konzeptionierung eines LED-Panels zur Ausleuchtung einer Szene in einem Studio für Portraitfotografie oder den Videodreh, bei denen tageslichtähnliche Lichtbedingungen erforderlich sind. Dieser Bericht deckt die komplette Projektlaufzeit von ersten theoretischen Überlegungen bis hin zur Produktion und Inbetriebnahme skizzenhaft ab und soll einen Nachbau ermöglichen oder schlicht etwas Inspiration und Hintergrundwissen bereitstellen. Hierfür werden zunächst die für das Projekt relevanten Grundlagen der Lichttechnik zusammengefasst und anschließend auf die Projektdurchführung angewendet.

Wesen des Lichts

Licht beschreibt den Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine Hellempfindung im menschlichen Auge hervorruft. Die Begriffe Licht und Farbe sind also untrennbar mit der biologischen Beschaffenheit des menschlichen Auges verbunden und setzen immer eine Sinneswahrnehmung der Strahlung durch die Zäpfchen im Auge voraus. Für die Konstruktion einer Lampe sind also entsprechende Leuchtmittel zu verwenden, die sich an der spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges (V(λ)-Funktion) orientieren. Entscheidend ist für das Leuchtmittel also nicht nur die Strahlungsleistung an sich, sondern ihre spektrale Gewichtung mit der menschlichen Hellempfindlichkeit. Daraus ergibt sich der Lichtstrom, der, gemessen in Lumen [lm], die gesamte in den Raum abgegebene sichtbare Strahlungsleistung beschreibt. Er ist ein gutes Maß zur groben Einordnung von Leuchten.

Für eine Studioausleuchtung sind hier vor allem Lösungen interessant, die neben einem hohen Lichtstrom auch eine hohe Beleuchtungsstärke, gemessen in Lux [lm/m²], aufweisen, also pro Empfängerfläche (hier: ein Gesicht oder ein Objekt) einen möglichst großen Lichtstrom erbringen. Hierzu ist eine Fokussierung des Lichtstromes auf den entsprechenden Raumwinkel notwendig, welche durch die dritte lichttechnische Größe Candela [lm/sr] beschrieben wird. Wenn auf einen möglichst klein werdenden Raumwinkel (in Steradiant, sr, angegeben) immer noch viel Licht kommt, dann ist die Leuchte stark fokussiert. Ein großer Teil des Lichtstromes erreicht also tatsächlich „sein“ Zielobjekt. Solch ein Verhalten lässt sich bei Theater-Spots oder Taschenlampen gut gebrauchen. Genauso sind natürlich auch Leuchten mit weniger stark fokussiertem Licht (z.B. für die Raumbeleuchtung) gängig.

Für die Anwendung in diesem Projekt wird auf die Fokussierung nicht zu viel Wert gelegt, da sie die Konstruktion schnell zu aufwendig machen würde. In diesem Fall wird eine hinreichend große Lichtfläche konstruiert, die in der Anwendung nicht zu weit vom Objekt entfernt stehen soll und somit die gewünschte Beleuchtungsstärke auch ohne Fokussierung erreicht.

Zielstellung des Projektes

Ziel des Projektes ist es eine tageslichthelle Studioleuchte zu konstruieren, die verschiedene Farbtemperaturen des Tageslichts im Innenraum abbilden kann. Es kommt freilich nicht auf die gleiche Strahlungsleistung wie der des Tageslichts an, sondern nur auf ein nachgebildetes Hellempfinden. Das Farbspektrum muss sich also über den Tagesverlauf anpassen. Ein weiteres Ziel soll auch sein, möglichst preisgünstig und mit geringem Konstruktionsaufwand die Dienstleistung „beleuchtetes Studio“ bereitzustellen.

Das Tageslicht ändert seine farbliche Zusammensetzung im Spektrum im Tagesverlauf. In den Dämmerungsstunden unmittelbar nach Sonnenaufgang bzw. vor Sonnenuntergang ist der Anteil des kurzwelligen (roten) Lichts besonders hoch, da die Sonne sehr flach steht und die Strahlen einen entsprechend längeren Weg durch die Erdatmosphäre haben als zur Mittagszeit. In der Atmosphäre wird langwelliges Licht stärker gebrochen, gebogen oder sogar reflektiert. UV-Strahlung und lange (blaue) Lichtwellen erreichen die Erdoberfläche also in geringerer Zahl, je weiter ihr Weg vom Eintritt in die Atmosphäre bis zur Oberfläche ist. Kurzwelliges (rotes) Licht oder sogar infrarot Strahlung erreichen dagegen die Oberfläche nahezu ungehindert. Analog verhält es sich mit der Tageslichtzusammensetzung zur Mittagszeit. Der Rotanteil ist in absoluten Beträgen gemessen höher als zur Dämmerung. Der Blauanteil ist es aber eben auch und führt in der Mischung zu hellerem und bläulicherem Licht. Zur Mittagszeit zu fotografieren ist daher auch nicht sonderlich attraktiv, da die Farben recht kalt wirken und insbesondere Gesichter fahl wirken können. Attraktiver wird es in der sogenannten „goldenen“ Stunde kurz vor dem Sonnenuntergang, in der die Farben durch den oben beschriebenen Effekt „warm“ werden.

In der Summe wird das Tageslicht über den gesamten Tagesverlauf vom Menschen als „weiß“ wahrgenommen. Welche großen Unterschiede sich dabei allerdings auftun können, beweist jeder falsch kalibrierte Fotoapparat mit einem fehlerhaften Weißabgleich. Der Sensor hat nämlich nicht die eingangs erwähnte Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges. Er misst die Bestrahlungsstärke pro Farbe und Pixel und würde in der Dämmerung rotstichige Bilder und mittags blaustichige erzeugen. Ein Kontrollmechanismus (der Weißabgleich) muss also zu jedem Bild eine Information bereithalten, welches Mischungsverhältnis zur gegebenen Tageszeit vom Menschen als „weiß empfunden wird. Leuchtmittel müssen diese Verschiebung von „warmweiß“ zu „kaltweiß“ und wieder zurück also auch ermöglichen.

Für die Studioleuchte bedeutet dies offensichtlich eine Farbregelung (Dimmen) des Blauanteils im emittierten Lichtstrom. Denkbar wären RBG-LEDs, die eine getrennte Ansteuerung der Lichtfarben Rot, Blau und Grün ermöglichen. Zum einen sind diese aber sehr kostspielig, wenn sie den erforderlich hohen Lichtstrom aussenden sollen und zum anderen machen sie die händische Farbmischung recht kompliziert. Für einen ersten Prototypen kommt also eher eine Kombination von kaltweißen und warmweißen LEDs in Frage. Sie sind wesentlich preiswerter und genügen für diesen Zweck völlig.

Materialien zum preisgünstigen Bau der Lampe

LEDs sind mittlerweile in allen Formen und Farben erhältlich. Für eine maximale Flexibilität der Konstruktion eignen sich LED-Leuchtstreifen. Es gibt sie in den gewünschten Weißabstufungen kalt, neutral und warm und außerdem sind sie leicht zuzuschneiden. Dadurch verringert sich der Löt- und Klebeaufwand erheblich. Ein weiterer Vorteil der Leuchtstreifen ist ihre geringe Wärmeemission. Bei dieser Konstruktion und dem Betrieb muss also nicht unbedingt auf eine Kühlung geachtet werden (Achtung: das gilt nicht grundsätzlich für LED-Streifen, sondern diese spezielle Verschaltung, wie sie weiter unten erläutert ist! Überhitzte Leuchten stellen eine ernstzunehmende Gefahr für Mensch und Umwelt dar!)

Für dieses Projekt wird eine Kombination aus neutral- und kaltweißen LEDs verwendet. Grund dafür ist eine nahezu farbechte Wiedergabe des Mittagslichts, wenn beide Streifen gleichermaßen Hell leuchten (s.u.). Die beiden Streifentypen sollen in gleicher Zahl abwechselnd auf dem Panel angeordnet sein, sodass sich beim beleuchteten Objekt eine Mischfarbe beider Leuchten ergibt. Aus der Geometrie der Streifen ergibt sich als effiziente Bauform eine nahezu quadratische Grundfläche, die vollständig bedeckt wird mit abwechselnd nebeneinander angeordneten Leuchtstreifen.

Als Untergrund würde sich jede Art von festem Baustoff (Holz, Metall, Kunststoff) eignen. In diesem Falle wird auf Kunstledermatten zurückgegriffen. Sie sind nicht nur preiswert und denkbar einfach zuzuschneiden sondern bieten auch in der Handhabung später maximale Flexibilität für ggf. gewünschte Beugungen des Panels. Stabilisiert wird die Kunstlederfläche einerseits durch die leitenden Drähte und andererseits durch einen Ringdraht (aus dem Gartenzaunbedarf), der um die gesamte Anordnung der LED-Streifen gelegt wird.

Für die Stromversorgung werden übliche Litzen mit 0,5 mm² Leitungsquerschnitt verwendet. Weniger würde auch ausreichen, aber in dieser Dicke können die Drähte noch einen Beitrag zur allgemeinen Stabilität des Panels beitragen. Die Versorgungsleitung des Panels ist ein handelsübliches Netzkabel mit zugehörigem Netzteil (Siehe Bauteilliste)

Da ein Dimmen der Leuchte notwendig ist, muss ein Mechanismus gefunden werden, der die LED effizient regeln kann. Das klassische Prinzip des Potentiometers, wie es für Glühbirnen üblich ist, kann hierbei nicht angewendet werden. LEDs sind Halbleiter und verhalten sich im Stromkreis anders als Ohmsche Widerstände oder Glühbirnen. Grundsätzlich gilt, dass jeder LED-Typ einen ganz bestimmen Strom zieht, der über die Dauer des Betriebs nicht variieren darf. Außerdem ist eine bestimmte Betriebsspannung notwendig, die zwar in gewissen Grenzen variabel ist aber nicht geeignet scheint, um zu dimmen. Die Stromregelung übernehmen die LED-Streifen bereits intern, nur die Gesamtleistung des Netzteils muss freilich für den Streifen ausgelegt sein und eine korrekte Spannung liefern. Um nun die Helligkeit der Streifen zu beeinflussen, können sogenannte PWM-Dimmer (puls width modulation) eingesetzt werden. Sie zerteilen den Stromfluss ohne dessen Amplitude zu verändern. Pro Sekunde fließt also kein konstanter Gleichstrom mehr sondern ein Gleichstrom, der bspw. jede hundertstel Sekunde unterbrochen wird. Die LED wird also in einem sehr kurzen Zeitintervall ein und ausgeschaltet. Für das menschliche Auge ist dieser Prozess nicht sichtbar und macht sich dennoch bemerkbar, sobald die Unterbrechungszeiträume immer länger werden (kurz an, lange aus). Das führt zu einem insgesamt dunkleren Hellempfinden im Auge und erlaubt ein Dimmen der LED, die an und für sich gar nicht dunkler leuchtet, nur eben seltener bzw. häufiger pro Sekunde. Für jeden LED-Streifen wird ein solcher Dimmer benötigt, sodass an den Drehreglern entsprechend unabhängig kalt- und neutralweißes Licht in seiner Intensität geregelt werden kann und damit eine Lichtmischung des gesamten Panels erlaubt.

Aus den vorangegangen Überlegungen ergibt sich die folgende Bauteilliste:

Konstruktion der Lampe

Zuschnitt und Fixierung

Zunächst gilt es die gelieferten LED-Streifen in 30 cm Anschnitte zuzuschneiden und die entstehenden Haufen für neutral- und kaltweiß nicht zu vermischen (wenn es doch passiert lassen sich die Streifen i.d.R. an ihren leicht verschiedenen LEDs unterscheiden; zur Not Probebetreib am Labornetzteil). Das Kunstleder ist auch zuzuschneiden, sodass eine nahezu quadratische Grundfläche für die später nebeneinander angeordneten Streifen entsteht. (Zuschnitt ist an den Streifen immer dort möglich, wo es gekennzeichnet ist. Unter Umständen ergeben sich also 35 cm oder 20 cm lange Segmente.) Geeignete Maße sind also für dieses Projekt z.B. 38x40 cm. Wichtig ist, den überhängenden Rand nicht zu klein zu machen, da in ihm später alle Leitungen und Stabilisierungsdrähte unterkommen müssen.

Im nächsten Schritt werden alle Streifen auf der rauen Seite des Kunstleders aufgeklebt. Es empfiehlt sich zusätzlich zur selbstklebenden Eigenschaft der Streifen etwas Textilkleber zu verwenden, um eine dauerhafte Stabilität zu gewährleisten. Wichtig in diesem Arbeitsschritt ist auf eine abwechselnde Anordnung der Streifentypen (neutral und kalt) zu achten und für ästhetisch ambitionierte auch immer die gleiche Ausrichtung der Streifen zu nutzen, sodass alle (nicht symmetrisch) angeordneten Vorwiderstände später an der gleichen Stelle liegen. Elektrotechnisch gilt es in diesem Schritt nichts zu beachten. Als Fixierungshilfe für sich kräuselnde Streifen dient das Kreppband. Die geklebten Streifen sollten mindestens 12 Stunden unter Last ruhen, damit der Textilkleber aushärten kann. Eine Beschwerung mit Büchern ist sinnvoll. Als Schutzschicht sollte etwas Papier auf die LEDs gelegt werden.

Verschaltung der Drähte

Sobald die Klebestellen zufriedenstellend ausgehärtet sind, kann mit der Verdrahtung der Streifen begonnen werden. Hierzu werden immer Acht Streifen derselben Lichtfarbe jeweils an ihrem Plus- und Minuspol in Reihe geschaltet. Also zunächst die acht Streifen von der einen Seite aus gezählt und dann die anderen acht von der anderen Seite aus. In der Mitte sollten sich schließlich vier lose Drahtenden befinden (zwei Minus- und zwei Pluspole). Diese werden nun nicht in Reihe sondern parallel zueinander verdrahtet, also den Pluspol des einen Achterblocks an den Minuspol des anderen anschließen. Die jetzt noch verbleibenden Plus- und Minuspole bilden die Anschlussdrähte, für die Versorgungsleitung vom/ zum Dimmer.

Analog wird für die andere Streifenfarbe eine solche Verschaltung vorgenommen. Aus Gründen der Platzoptimierung ist es sinnvoll die eine Lichtfarbe auf der einen Seite und die andere Lichtfarbe auf der anderen zu verdrahten. Denn technisch ist es egal woher der Strom für einen Streifen kommt, solange die Polarität an den gekennzeichneten Anschlüssen beachtet wird.

Die schlussendlich vier Anschlussdrähte für die beiden Dimmer können am Rand des Panels bis zu einem gemeinsamen Punkt geführt werden und nach hinten heraus (durch die Grundfläche hindurch) geführt werden. Hier auf der Rückseite werden nun die Dimmer befestigt.

Jeder Dimmer ist gekennzeichnet durch zwei Eingänge (Pluspol und Minuspol) und zwei Ausgänge. Die Eingänge beider Dimmer werden parallel geschaltet, bekommen also am Ende die gleiche Spannung vom Netzteil geliefert. Da diese PWM-Dimmer eine interne Stromregelung vornehmen ist die parallele Verschaltung der Dimmer und damit der neutral- bzw. kaltweißen LED-Streifen unkritisch. An den einen Dimmerausgang werde nun Plus- und Minuspol der einen Leuchtstreifengruppe angeschlossen und an den anderen Dimmer die beiden Drähte der anderen Gruppe. Zu beachten ist hier unbedingt die Polarität, daher empfiehlt es sich verschiedenfarbige Drähte zu nutzen.

Für die Netzversorgung wird in diesem Projekt auf ein einfaches Laptopnetzteil zurückgegriffen, da diese denkbar einfach zu erhalten sind oder sogar gebraucht schon vorliegen und Geld sparen. Die übliche Ausgangsspannung dieser Netzteile ist 18 - 20 V. Das ist bezogen auf einen LED-Streifen, der üblicherweise für 12 V ausgelegt ist zu viel. Daher bedient sich die Verschaltung in diesem Projekt dem Trick der Reihenschaltung von zwei LED-Gruppen pro Lichtfarbe (die oben erwähnten 8 Streifen). Durch die Reihenschaltung wird die gesamte Spannung in diesem Zweig (18 V) auf zwei Gruppen á 9 V aufgeteilt. Der Betrieb der Leuchtstreifen erfolgt also unterhalb der üblichen Auslegung. Wie bereits beschrieben, ist eine leichte Varianz der Spannung für LEDs unkritisch. Die leuchten bei 9 V schlicht nicht ganz so hell, wie sie theoretisch könnten. In der Summe reicht ihr Lichtstrom aber dennoch aus und hat bei dieser Spannung den positiven Nebeneffekt, dass Wärmeemissionen erheblich eingespart werden. Für die Anwendung im Studiobetrieb ist dieses Argument durchaus relevant und stellt außerdem sicher, dass das Kunstleder mit dem Textilkleber nicht überhitzt wird.

Abschluss

Nun, da alle elektrotechnischen Komponenten fertiggestellt sind, gilt es noch die Abschließende Stabilisierung vorzunehmen. Hierfür wird normaler Stahldraht aus dem Gartenzaunbedarf verwendet und so zurechtgebogen, dass ein Rahmen einmal um das Panel entsteht. Dieser Rahmen wird auf die Lederfläche gelegt und die überstehenden Ränder an allen vier Seiten umgeschlagen. Als Verklebung eignet sich eine gemischte Anwendung aus Silikon und Alleskleber. Letzterer sorgt für eine schnelle Fixierung, bis das Silikon ausgehärtet ist und die Langzeitstabilität sicherstellt. Silikon ist zudem noch flexibel genug, um die gesamte Anordnung ggf. noch zu biegen, falls gebogene Lichtquellen benötigt werden. Fürs trocknen dieser Verklebung sollten ebenfalls 12 Stunden ausreichen.

Die PWM-Dimmer auf der Rückseite des Panels können mit Lederresten geschützt auch angeklebt werden. Wer die Flexibilität erhöhen möchte schließt nicht das Netzkabel direkt an die Eingänge der Dimmer an, sondern verbaut noch eine Buchse in der Anordnung, die mit einem Stecker auf der Netzseite korrespondiert. So können für Transportzwecke Kabel und Netzteil getrennt vom Panel gelagert werden.

Nach Vollendung dieser Arbeitsschritte sollte ein funktionsfähiges Panel vorliegen. Verfeinert werden kann es durch eine elektronische Ansteuerung der Dimmer, sodass eine Kontrolle des Lichts über einen Computer möglich wird. Außerdem sind andere Trägerflächen (Holz o.ä. denkbar, die für bestimmte Anwendungen attraktiver scheinen, als die recht labil wirkende Kunstlederkonstruktion. Auf der anderen Seite bietet gerade diese flexible Anordnung einen sehr vielfältigen Einsatz, für den andernfalls jeweils neue Lampen besorgt werden müssten. Auch variiert werden kann die Gesamtgröße des Panels. Die Spannungsversorgung und Stromversorgung kann sich dabei ggf. ändern aber das Grundprinzip bleibt das gleiche. Die hier vorgestellte Grundversion bietet also einen guten Anhaltspunkt für eigene Weiterentwicklungen und Verbesserungen.