Entwicklung einer Beleuchtungseinheit für einen Filmscanner auf Basis von Hochleistungsleuchtdioden

Zusammenfassung: Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wird in Zusammenarbeit mit der Firma Grass Valley ein Beleuchtungssystem für einen Filmscanner auf Basis von Leuchtdioden (LED) entwickelt. Den Kern der Arbeit bildet die Charakterisierung der LED-Lichtquelle, welche aus vier verschiedenen LED-Farben zusammengesetzt ist. Die LEDs der Lichtquelle werden auf einer Platine zu einem LED-Board zusammengefasst. Diese Lichtquelle wird Tests zum optischen und elektrischen Verhalten im DC- und Pulsbetrieb unterzogen. Die LEDs der Lichtquelle werden mit pulsbreitenmodulierten Strömen betrieben. Die Frequenzen dieser Ströme liegen zwischen 4kHz und 45kHz. Der Einfluss des Tastverhältnisses und der Temperatur auf die optischen und elektrischen Größen wird ebenfalls ermittelt. In Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner werden die Anforderungen an die elektrischen und lichttechnischen Kenngrößen der Lichtquelle festgelegt. Die Schwerpunktwellenlänge der einzelnen LED-Farben darf sich laut diesen Anforderungen aufgrund von thermischen oder sonstigen Einflüssen um maximal 4nm verschieben. Um das LED-Board betreiben zu können, werden sekundär getaktete Schaltregler zur Versorgung der LEDs eingesetzt. Es wird untersucht, ob Schaltregler zur Versorgung der Leuchtdioden eingesetzt und die gestellten Anforderungen damit erfüllt werden können. Sowohl Schaltregler in Aufwärts-Wandler- als auch in Abwärts-Wandler-Topologie werden untersucht. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wird für die Versorgung der LEDs der Schaltregler LT3518 der Firma Linear Technology in Abwärts-Wandler-Topologie verwendet. Um ein konstantes spektrales Verhalten der Leuchtdioden zu erreichen, wird ein System zur thermischen Stabilisierung der LED-Lichtquelle mit Hilfe von Peltierelementen entwickelt. Gefordert wird eine konstante Temperatur des LED-Boards zwischen 50°C und 80°C bei einer Umgebungstemperatur von maximal 40°C. Das in dieser Arbeit entwickelte System ist in der Lage, die durch das LED-Board erzeugte thermische Leistung an die Umgebung abzuführen. Bei einer Umgebungstemperatur von 23°C kann mit dem aufgebauten System bei einer simulierten thermischen Leistung von 85W die Boardtemperatur auf 50°C konstant geregelt werden. Die maximale Temperaturschwankung beträgt ±0,1°C. Die spektralen Kenngrößen der LEDs werden mit Hilfe eines Spektroradiometers in einer Ulbrichtkugel vermessen. Die LEDs werden bei den Messungen durch den gewählten Schaltregler versorgt und das LED-Board durch das Peltiersystem thermisch stabilisiert. Die Messergebnisse zeigen, dass der Strahlungsfluss aller LED-Farben um etwa das Doppelte größer ist als benötigt. Dies entspricht den Werten, die bei der Auslegung dieses Boards berechnet wurden. Durch die Messungen kann gezeigt werden, dass die spektralen Kenngrößen der LEDs nicht von der Pulsfrequenz des Stromes abhängig sind. Die Veränderung der spektralen Kenngrößen aufgrund des Einflusses des Tastverhältnisses und der Temperatur werden eingehend untersucht. Die durchgeführten Messungen zeigen, dass die gestellten Anforderungen in Bezug auf die spektralen Kenngrößen erfüllt werden können