Sunday, November 28, 2010

Unstete Lichterketten

Um diese Jahreszeit werden bei uns unzählige Lichterketten aufgehängt. Ist Ihnen bei einer raschen Bewegung schon so vorgekommen, als ob sich diese Lichter ruckartig bewegen würden? Das ist tatsächlich so, funktioniert aber nur bei den modernen Lichterketten mit Leuchtdioden, kurz LED’s genannt. Das steht bei den neuen Packungen in den Geschäften schon fast überall drauf, die alten Glühlampen gibt’s kaum noch. LED ist die Abkürzung für „light-emitting diode“, also Licht-emittierende Diode. Man muss zur Beobachtung des Effektes nicht einmal den Kopf drehen, es genügt schon eine rasche Augenbewegung über die Lichter hinweg, wobei man auf gar nichts Bestimmtes blicken sollte, sondern eben nur so „darüberfliegen“.






a) Foto einer Lichterkette auf einem Bäumchen mit schneller, eckiger Bewegung des Fotoapparates bei langer Belichtungszeit - das gepulste Licht ist gut zu erkennen. b) Noch schnellere Bewegung, sodass die Lichtpulse weit auseinander gezogen werden. Die durchgehenden Streifen dazwischen stammen vom Reflex einer Straßenlaterne.
Bei den Lichterketten werden die LED’s fast immer mit Wechselstrom betrieben, da es um einiges aufwändiger wäre in den Netzgeräten einen ordentlichen Gleichstrom zu erzeugen. Die Leuchtdioden sind echte Gleichrichterdioden, die einen guten Teil der freiwerdenden Energie in Licht umwandeln. Aber eben wie Dioden das so an sich haben, nur in eine Stromrichtung. Um trotzdem beide Richtungen eines Wechselstroms auszunutzen, ist als Kompromiss bei den LED-Lichterketten (zumindest bei den die ich bisher gesehen habe), im Kabel ein Brückengleichrichter eingebaut. Dort wird der Strom so umgepolt, dass aus den positiven und negativen Halbwellen dann lauter positive werden und der Strom danach nur noch in eine Richtung fließt. Da er aber direkt aus dem 50-Hertz Wechselstrom erzeugt wird, geht er nach jeder Halbwelle wieder auf Null zurück und ändert sich dann mit 100 Hz – und genau das sieht man bei den rasch reagierenden LED-Lichtern.

Die herkömmlichen Glühlampen sind wesentlich träger. Bei ihnen wird der Metallfaden zum Glühen gebracht und kühlt nach jeder Strom-Halbwelle nur so langsam aus und das ausgesandte Licht nur wenig abnimmt, bis die Erhitzung durch die nächste Halbwelle folgt. Bei LED’s ist das anders, sie sind sehr schnell, da die Lichterzeugung nicht auf einer Erwärmung des Materials beruht. Die Elektronen im Inneren, die den Stromtransport verursachen, fallen von einem hohen Energiezustand (Leitungsband) in einen niedrigen Energiezustand (Valenzband) hinunter und die Energiedifferenz wird direkt in Licht umgewandelt. Dieser Prozess funktioniert auch noch, wenn die LED selbst auf Temperaturen weit unterhalb von Raumtemperatur abgekühlt wird.

Es stellt sich die Frage, warum die Pausen zwischen den Helligkeitsphasen einer Leuchtdiode, die mit gleichgerichtetem Wechselstrom betrieben wird, so lang sind. Das liegt daran, dass die Spannung an den LED’s bei jeder Halbwelle einen relativ großen Wert erreichen muss, bevor der Strom durchgelassen und Licht erzeugt wird. Wie man aus der rechten Abbildung oben erkennt, ist die LED etwa die halbe Zeit hell und die andere Hälfte dunkel.

Die zeitliche Schwankung der Lichtintensität wurde bei den obigen Bildern durch eine rasche Bewegung des Aufnahmegerätes in eine örtliche Variation übergeführt, um sie in einem Foto sichtbar zu machen. Man kann auch einen anderen Weg gehen, indem man den Fotoapparat ruhig stehen lässt und die variable Lichtintensität im Aufnahmebereich schnell bewegt. Im linken Foto darunter habe ich das Ende der LED-Lichterkette aus dem Handgelenk kreisen lassen.






a) Das Ende der Lichterkette kreist um das Handgelenk, man erkennt sehr schön die Hell- und Dunkelphasen der LED-Lichter. b) Zum Vergleich eine rasche Bewegung über zwei mit Wechselstrom (weiße) und eine batteriebetriebene (blaue) LED – der Unterschied ist klar erkennbar.
Auch hier sieht man sehr gut, dass während der Kreisbewegung die LED’s etwa die Hälfte der Zeit leuchten, bzw. dunkel sind. Aufgrund der Helligkeitsänderungen mit 100 Hz, ergibt sich aus den 12 Helligkeitsphasen der LED eine Belichtungszeit von 12 mal einer hundertstel Sekunde, also 0,12 Sekunden. In dieser Zeit wird fast ein halbe Kreisbewegung durchgeführt. Eine ganze Umdrehung hätte ca. 0,25 s gedauert, woraus sich vier Kreisbewegungen der Lichterkette pro Sekunde ergeben.

Der ganze Effekt ist nur bei LED’s zu beobachten, die tatsächlich mit ungeglättetem Wechselstrom betrieben werden. Wenn der Wechselstrom durch Kondensatoren geglättet wird oder LED’s gar durch Gleichstrom aus einer Batterie versorgt werden, dann „stottert“ das Licht natürlich nicht. Dies sollte auch überprüft werden. Wenn eine Theorie einen Test zulässt, der sie widerlegen kann, so sollte dieser durchgeführt werden. Im rechten obigen Foto wurde der Fotoapparat rasch über zwei mit Wechselstrom und eine mit Gleichstrom betriebene LED hinwegbewegt. Die gleichstrombetrieben, genaugenommen von einer USB-Schnittstelle versorgte LED zeigt keine Unterbrechungen. Auch die rasche Bewegung über eine normale Glühbirne einer Deckenlampe zeigte aufgrund der thermischen Trägheit keine erkennbaren Helligkeitsschwankungen (ohne Abbildung).

3 comments:

  1. .... danke - ein anschauliches Experiment, das den Wechselstrom und die rasche Reaktion der Leuchtdioden zeigt.

    Das Experiment funktioniert übrigens auch mit einer herkömmlichen Leuchtstofflampe, die noch mit Starter und Induktionsdrossel betrieben wird. Schwenkt man eine solche Leuchtstofflampe, so erkennt man die 50Hz des Wechselstroms an den hellen und dunklen Phasen.
    Es funktioniert allerdings nicht mit modernen Leuchtstofflampen oder Energiesparlampen, weil dort die 230 V Wechselspannung zuerst über eine Brückengleichrichtung und einen Kondensator in Gleichspannung umgewandelt wird. Diese Gleichspannung (~310V) wird dann einige 10000 mal pro Sekunde wieder in Wechselspannung "zerhackt" und mit einem kleinen Transformator auf ~1000 V hochtransformiert. Diese Hochspannung bringt dann die Leuchtstofflampe zum Leuchten. Der Helligkeitsschwankung von einigen 10000 Hz kann das Auge nicht folgen und wir empfinden die Lampe als ständig leuchtend.

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  2. Ja tolles Experiment. LEDs gibt es in verschiedensten Ausführungen. Bei meinem letzten (privaten) Projekt habe ich das da bei einer zu verbauenden Anzahl von 140 Stück zu wenig beachtet und mich da eher am Preis gehalten.
    Immerhin kann man da eine gelbe LED (3mm) für 12 Cent kaufen. Die zieht im Normalbetrieb 10mA bei einer Durchlassspannung von 2V. Dabei strahlt sie 12mcd ab. Im gleichen Katalog (Farnell) kann man aber auch eine andere gelbe LED für 40 Cent kaufen. Die zieht zwar 20 mA bei 2.1V strahlt aber mit 10000mcd. Also beim Kauf etwas auf die Werte achten!

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  3. Vorsicht bei den LED-Angaben. Die mcd sagen eigentlich nichts über die Lichtausbeute der LED aus. Die gesamte herauskommende Lichtmenge wird in Lumen gemessen. Die Einheit Candela ist Lumen pro Raumwinkel. Das heisst, dass eine LED die besser fokusiert zwar lokal einen höheren mcd-Wert erzielt, aber dafür nur eine kleine Fläche beleuchtet. Bei weniger Fokusierung erreicht man mit derselben Lichtmenge einen kleineren mcd-Wert aber eine größere Beleuchtungsfläche. Der mcd-Wert wird auf den meisten Web-Seiten beim Verkauf verwendet, weil er sich nach mehr anhört, aber man bekommt dann eine LED, die sich überhaupt nicht für eine breitere Ausleuchtung eignet. Der wirklich aussagekräftige Hellikeitswert in Lumen (lm) wird übelicherweise verschwiegen!

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