Wavien Kragen (engl. collars) dienen dazu, die Leuchtdichte zu erhöhen. Das interessiert mich natürlich besonders. Bei fester Öffnung, z.B. in Projektionssystemen oder bei asphärischen Throwern, ergibt sich dann indirekt auch eine Steigerung des Lichtstroms (Lumen).
Der Nachteil dieser Kragen ist allerdings, daß man damit keine konventionellen Reflektorleuchten bauen kann, sondern nur solche mit Linsen: Das von der LED seitlich abgestrahlte Licht wird auf die LED zurückgeworfen und erhöht hier die Leuchtdichte. Bei asphärischen Throwern wäre dieses Licht andernfalls vom Gehäuse geblockt und eh verloren gewesen. Eine Bauform für Reflektoren wäre denkbar, aber der Wirkungsgrad wäre dann kleiner.
Da der Phosphor blaues Licht in grün/gelb/rot wandelt, wird die Farbe außerdem noch wärmer, wenn nun Licht nochmals auf den Phosphor trifft, das schon weiß anstatt noch blau war.
Ich erinnere mich auch an ein Gerücht, daß der Gewinn des Kragens bei starker Überstromung der LED zurück geht, mglw. aufgrund von zusätzlicher thermischer Belastung.
Von Wavien gibt es diese sphärischen Kragen in drei Größen: large, medium und small. Innendurchmesser: 70, 40 und 25 mm. Alle haben das gleiche Verhältnis von Innendurchmesser zu Höhe bzw. Durchmesser der Austrittsöffnung. Der Anteil an Licht, das wieder auf die LED zurückgeworfen wird, ist also bei allen gleich. Welche Unterschiede ergeben sich dennoch? Und wie knifflig ist die Justierung?
=> Ich habe mir vor einer Weile einen Satz sphärische Wavien Kragen bestellt, um all dem mal auf den Grund zu gehen.
Und dieses WE kam ich endlich mal dazu.
Versuchsaufbau
Da ich mir noch nichts mit Zwangskühlung gebaut habe, steht der Kühlkörper nun in einem Wasserbad, damit die Messungen nicht noch komplizierter werden. Das hat sehr gut funktioniert. Außerdem bewegte sich die direkte Messung der Leuchtdichte bisher immer am Rande der erträglichen Fehler. Deshalb habe ich die LED mit einem Projektionsobjektiv an die Decke projeziert und dort ein Luxmeter festgeklebt. Mit den deutlich höheren Meßwerten verringern sich einige Fehler.
Die Kandidaten
Man erahnt es auf den Bildern oben schon, auf dem nächsten sieht man es besonders schön: statt einer aufgedampften Aluminium schicht handelt es sich um eine dichroitische Verspiegelung. Das ist sozusagen das Gegenteil einer Entspiegelung. Dadurch kann man den Reflektionsgrad gegenüber Aluminium (85-90%) merklich erhöhen, auch 99% sind drin. Ich habe nicht versucht, das genauer zu bestimmen. Es ist nicht ungewöhnlich, daß bei einer so hellen Quelle ein wenig Licht durch die Verspiegelung dringt. Dafür sieht es besonders hübsch aus!
Als LED habe ich kurzerhand eine XP-G2 ohne Dom aus meiner Gruschtelkiste gefischt, die bei niedriger Spannung eine hohe Leuchtdichte und nicht zu gelbe Farbe zeigte. Ich habe keine Ahnung, welchen Flux- und Farb-Bin sie hat
Mindestens eine R5, vielleicht eine S2 wird es wohl sein, und ursprünglich eine CW.
Das Objektiv ist schon ganz o.k.! - So sieht das Bild an der Decke aus:
Messungen:
Ich habe einmal bei festem Strom eine direkte Messung der Leuchtdichte gemacht und einmal die Lux an der Decke gemessen. Somit konnte ich im Folgenden die Leuchtdichten anhand der Deckenmessung zurückrechnen.
Ich war den Kragen gegenüber eher skeptisch eingestellt und deshalb von zwei Ergebnissen überrascht:
Hier ein Graph:
Und hier ein paar Zahlen (Kragengröße M):
Ich habe dann erstmal nach möglichen Fehlerquellen gesucht, da mir das etwas viel vorkam. Ich habe keine gefunden.
- Für die Messung habe ich ein Sekonic i346 verwendet (da es dauerhaft anbleibt). Die Farbveränderung könnte ja für falsche Werte sorgen. Zur Kontrolle habe ich also einmal mit einem alten Mavolux 5032C verglichen. Verhältnis mit/ohne Kragen bei 750mA: 2.28 (i346) zu 2.26 (5032C). Mit 1% vernachlässigbar.
- Dann habe ich auf das Projektionsobjektiv eine Blende gelegt, um eine Linse mit bekanntem Durchmesser zu erhalten (10.5mm). Sozusagen ein kleiner Experimentalthrower. Mit den Lux an der Decke komme ich bei 744mA auf 107 statt 125 cd/mm². Dieser Verlust ist ganz typisch für ein paar hochwertig entspiegelte Linsen. Wieder o.k.
=> Damit ergeben sich bei maximaler Überstromung also ganz außerdordentliche Leuchtdichten!
Mit einem guten S3-Fluxbin dann wohl über 500cd/mm².
Das hätte ich vor einer eigenen Messung so nicht für möglich gehalten. Damit ist man schon deutlich im Bereich von Bogenlampen.
=> Es ist wirklich ein Jammer, daß der Kragen nicht in Reflektoren verwendet werden kann...
Unterschiede der Kragen
Ich habe bei 750mA den Verstärkungsfaktor der unterschiedlichen Kragen verglichen. Was für ein Gefummel...
- L: 2.32
- M: 2.28
- S: 2.24
Nichts weltbewegendes, man sieht gerademal die Tendenz. Wichtig dabei: dies gilt nur für die recht kleine XP-G2. Bei größeren LEDs rechne ich mit einem größeren Nachteil für kleinere Kragen, da nur im Zentrum gut fokussiert wird. Dazu unten mehr. Überhaupt rechne ich bei größeren LEDs mit einem merklich kleineren Verstärkungsfaktor. Ich hatte aber bisher keine andere LED unterm Lichtmesser...
Farbverschiebung
Mit einem Spyder4 Colorimeter und HCFR habe ich die Farbverschiebung bei 1A gemessen:
Höhenreserve
Die Kragen sind übrigens so konstruiert, daß der Fokus etwas unterhalb ihrer unteren Begrenzung liegt. Das bringt etwas Reserve, falls die LED etwas niedriger als ihre Umgebung liegt. Dies variiert bei den verschiedenen Größen leicht, zwischen 1.2 und 1.5mm. Deshalb sind in dem Video auch Unterlegscheiben unter dem Kragen sichtbar.
Lichteinfang
Wieviel vom Gesamtlicht fängt der Kragen ein? Eine LED strahlt zwar nach vorne am stärksten und ganz zur Seite gar nicht mehr. Allerdings ist der Raumwinkel zur Seite deutlich größer. Übrigens auch ein Grund, warum asphärische Thrower immer das Gegenteil eines Lumenmonsters sind.
Die Lichtstärke in Abhängigkeit vom Winkel wird durch das Lambertsche Cosinusgesetz beschrieben (LED ohne Dom). Durch Aufintegrieren erhält man den Anteil, der insgesamt in einen bestimmten Winkel abgestrahlt wird: sin²(Winkel). Am Beispiel des großen Kragens: Innendurchmesser 70mm, Öffnungsdurchmesser 35mm, Höhe der Öffnung 29.5mm. Dazu kommt noch die Höhenreserve von ~1.5mm. Der Winkel des Öffnungsrands erscheint gegenüber der Senkrechten also unter 30°. sin²(30°) = 0.25. Der Kragen fängt also 75% des gesamten Lichts ein, das die LED ausstrahlt.
Bewegte Bilder
Zu guter letzt habe ich ein paar Videoaufnahmen in verschiedenen Situationen gemacht, die illustrieren, wie sich so ein Kragen bei der Justierung verhält. Gegen Ende handelt es sich schlicht um eine gedruckte "2" auf Papier - und ihr Abbild durch den Kragen. Die seitliche Verschiebung ist offensichtlich erkennbar. Wenn das Abbild an einer Stelle unscharf wird, verändere ich die Höhe des Kragens durch Anheben.
Video:
Die einzelnen Szenen:
- Totale für den Überblick (Größe M)
- ganz geringe Leuchtdichte (M) - vermentlich gut fokussiert, in Wirklichkeit falsch, siehe unten
- die Deckenprojektion (M)
- und schließlich für L, M und S: wie gut fokussiert der jeweilige Kragen eine "2" außerhalb des Zentrums
Man kann es sich bei den drei letzten Beispielen denken: ich fand's total witzig, daß ein so sauberes Abbild im Zentrum erzeugt wird. Ich habe absichtlich seitlich direkt an der Grenze ausgeleuchtet, so daß die Rückprojektion (auf dem Kopf) im Dunklen liegt und möglichst gut zu erkennen ist. Einerseits verspielt, aber andererseits doch auch ganz aufschlußreich.
Der kleinste Kragen ist also am heikelsten. Und was schon für die seitliche Bewegung gilt, wirkt sich bei der Höhe noch ungleich kniffliger aus. Das Abbild der LED muß scharf sein, und zwar auf der LED selbst. Im zweiten Beispiel ist das Abbild auf dem Träger scharf. Das sieht dann vermeintlich perfekt aus. Der Träger liegt aber etwas niedriger als der Phosphor und bei einer Luxmessung merkt man hier schon einen Einbruch. Und das obwohl der Höhenunterschied nur knapp 0.2 mm beträgt.
Man wird kleinere Kragen also nur aus Platz-/Gewichts-/Kostengründen nehmen, und nur bei sehr kleinen Quellen.
Der Nachteil dieser Kragen ist allerdings, daß man damit keine konventionellen Reflektorleuchten bauen kann, sondern nur solche mit Linsen: Das von der LED seitlich abgestrahlte Licht wird auf die LED zurückgeworfen und erhöht hier die Leuchtdichte. Bei asphärischen Throwern wäre dieses Licht andernfalls vom Gehäuse geblockt und eh verloren gewesen. Eine Bauform für Reflektoren wäre denkbar, aber der Wirkungsgrad wäre dann kleiner.
Da der Phosphor blaues Licht in grün/gelb/rot wandelt, wird die Farbe außerdem noch wärmer, wenn nun Licht nochmals auf den Phosphor trifft, das schon weiß anstatt noch blau war.
Ich erinnere mich auch an ein Gerücht, daß der Gewinn des Kragens bei starker Überstromung der LED zurück geht, mglw. aufgrund von zusätzlicher thermischer Belastung.
Von Wavien gibt es diese sphärischen Kragen in drei Größen: large, medium und small. Innendurchmesser: 70, 40 und 25 mm. Alle haben das gleiche Verhältnis von Innendurchmesser zu Höhe bzw. Durchmesser der Austrittsöffnung. Der Anteil an Licht, das wieder auf die LED zurückgeworfen wird, ist also bei allen gleich. Welche Unterschiede ergeben sich dennoch? Und wie knifflig ist die Justierung?
=> Ich habe mir vor einer Weile einen Satz sphärische Wavien Kragen bestellt, um all dem mal auf den Grund zu gehen.
Und dieses WE kam ich endlich mal dazu.
Versuchsaufbau
Da ich mir noch nichts mit Zwangskühlung gebaut habe, steht der Kühlkörper nun in einem Wasserbad, damit die Messungen nicht noch komplizierter werden. Das hat sehr gut funktioniert. Außerdem bewegte sich die direkte Messung der Leuchtdichte bisher immer am Rande der erträglichen Fehler. Deshalb habe ich die LED mit einem Projektionsobjektiv an die Decke projeziert und dort ein Luxmeter festgeklebt. Mit den deutlich höheren Meßwerten verringern sich einige Fehler.
Die Kandidaten
Man erahnt es auf den Bildern oben schon, auf dem nächsten sieht man es besonders schön: statt einer aufgedampften Aluminium schicht handelt es sich um eine dichroitische Verspiegelung. Das ist sozusagen das Gegenteil einer Entspiegelung. Dadurch kann man den Reflektionsgrad gegenüber Aluminium (85-90%) merklich erhöhen, auch 99% sind drin. Ich habe nicht versucht, das genauer zu bestimmen. Es ist nicht ungewöhnlich, daß bei einer so hellen Quelle ein wenig Licht durch die Verspiegelung dringt. Dafür sieht es besonders hübsch aus!
Als LED habe ich kurzerhand eine XP-G2 ohne Dom aus meiner Gruschtelkiste gefischt, die bei niedriger Spannung eine hohe Leuchtdichte und nicht zu gelbe Farbe zeigte. Ich habe keine Ahnung, welchen Flux- und Farb-Bin sie hat
Mindestens eine R5, vielleicht eine S2 wird es wohl sein, und ursprünglich eine CW.Das Objektiv ist schon ganz o.k.! - So sieht das Bild an der Decke aus:
Messungen:
Ich habe einmal bei festem Strom eine direkte Messung der Leuchtdichte gemacht und einmal die Lux an der Decke gemessen. Somit konnte ich im Folgenden die Leuchtdichten anhand der Deckenmessung zurückrechnen.
Ich war den Kragen gegenüber eher skeptisch eingestellt und deshalb von zwei Ergebnissen überrascht:
- die Leuchtdichte steigert sich - bei der XP-G2 - um den Faktor ~2.3
- bei 6A fällt der Faktor nur auf ~2.2 ab
Hier ein Graph:
Und hier ein paar Zahlen (Kragengröße M):
| Strom [mA] | Leuchtdichte ohne Kragen [cd/mm²] | mit Kragen [cd/mm²] | Verhältnis |
| 744 | 54.9 | 125.4 | 2.28 |
| 1056 | 74.2 | 169 | 2.28 |
| 2050 | 124 | 280 | 2.25 |
| 5020 | 207 | 459 | 2.22 |
| 6000 | 214 | 470 | 2.19 |
- Für die Messung habe ich ein Sekonic i346 verwendet (da es dauerhaft anbleibt). Die Farbveränderung könnte ja für falsche Werte sorgen. Zur Kontrolle habe ich also einmal mit einem alten Mavolux 5032C verglichen. Verhältnis mit/ohne Kragen bei 750mA: 2.28 (i346) zu 2.26 (5032C). Mit 1% vernachlässigbar.
- Dann habe ich auf das Projektionsobjektiv eine Blende gelegt, um eine Linse mit bekanntem Durchmesser zu erhalten (10.5mm). Sozusagen ein kleiner Experimentalthrower. Mit den Lux an der Decke komme ich bei 744mA auf 107 statt 125 cd/mm². Dieser Verlust ist ganz typisch für ein paar hochwertig entspiegelte Linsen. Wieder o.k.
=> Damit ergeben sich bei maximaler Überstromung also ganz außerdordentliche Leuchtdichten!
Mit einem guten S3-Fluxbin dann wohl über 500cd/mm².
Das hätte ich vor einer eigenen Messung so nicht für möglich gehalten. Damit ist man schon deutlich im Bereich von Bogenlampen.
=> Es ist wirklich ein Jammer, daß der Kragen nicht in Reflektoren verwendet werden kann...
Unterschiede der Kragen
Ich habe bei 750mA den Verstärkungsfaktor der unterschiedlichen Kragen verglichen. Was für ein Gefummel...
- L: 2.32
- M: 2.28
- S: 2.24
Nichts weltbewegendes, man sieht gerademal die Tendenz. Wichtig dabei: dies gilt nur für die recht kleine XP-G2. Bei größeren LEDs rechne ich mit einem größeren Nachteil für kleinere Kragen, da nur im Zentrum gut fokussiert wird. Dazu unten mehr. Überhaupt rechne ich bei größeren LEDs mit einem merklich kleineren Verstärkungsfaktor. Ich hatte aber bisher keine andere LED unterm Lichtmesser...
Farbverschiebung
Mit einem Spyder4 Colorimeter und HCFR habe ich die Farbverschiebung bei 1A gemessen:
Höhenreserve
Die Kragen sind übrigens so konstruiert, daß der Fokus etwas unterhalb ihrer unteren Begrenzung liegt. Das bringt etwas Reserve, falls die LED etwas niedriger als ihre Umgebung liegt. Dies variiert bei den verschiedenen Größen leicht, zwischen 1.2 und 1.5mm. Deshalb sind in dem Video auch Unterlegscheiben unter dem Kragen sichtbar.
Lichteinfang
Wieviel vom Gesamtlicht fängt der Kragen ein? Eine LED strahlt zwar nach vorne am stärksten und ganz zur Seite gar nicht mehr. Allerdings ist der Raumwinkel zur Seite deutlich größer. Übrigens auch ein Grund, warum asphärische Thrower immer das Gegenteil eines Lumenmonsters sind.
Die Lichtstärke in Abhängigkeit vom Winkel wird durch das Lambertsche Cosinusgesetz beschrieben (LED ohne Dom). Durch Aufintegrieren erhält man den Anteil, der insgesamt in einen bestimmten Winkel abgestrahlt wird: sin²(Winkel). Am Beispiel des großen Kragens: Innendurchmesser 70mm, Öffnungsdurchmesser 35mm, Höhe der Öffnung 29.5mm. Dazu kommt noch die Höhenreserve von ~1.5mm. Der Winkel des Öffnungsrands erscheint gegenüber der Senkrechten also unter 30°. sin²(30°) = 0.25. Der Kragen fängt also 75% des gesamten Lichts ein, das die LED ausstrahlt.
Bewegte Bilder
Zu guter letzt habe ich ein paar Videoaufnahmen in verschiedenen Situationen gemacht, die illustrieren, wie sich so ein Kragen bei der Justierung verhält. Gegen Ende handelt es sich schlicht um eine gedruckte "2" auf Papier - und ihr Abbild durch den Kragen. Die seitliche Verschiebung ist offensichtlich erkennbar. Wenn das Abbild an einer Stelle unscharf wird, verändere ich die Höhe des Kragens durch Anheben.
Video:
- Totale für den Überblick (Größe M)
- ganz geringe Leuchtdichte (M) - vermentlich gut fokussiert, in Wirklichkeit falsch, siehe unten
- die Deckenprojektion (M)
- und schließlich für L, M und S: wie gut fokussiert der jeweilige Kragen eine "2" außerhalb des Zentrums
Man kann es sich bei den drei letzten Beispielen denken: ich fand's total witzig, daß ein so sauberes Abbild im Zentrum erzeugt wird. Ich habe absichtlich seitlich direkt an der Grenze ausgeleuchtet, so daß die Rückprojektion (auf dem Kopf) im Dunklen liegt und möglichst gut zu erkennen ist. Einerseits verspielt, aber andererseits doch auch ganz aufschlußreich.
Der kleinste Kragen ist also am heikelsten. Und was schon für die seitliche Bewegung gilt, wirkt sich bei der Höhe noch ungleich kniffliger aus. Das Abbild der LED muß scharf sein, und zwar auf der LED selbst. Im zweiten Beispiel ist das Abbild auf dem Träger scharf. Das sieht dann vermeintlich perfekt aus. Der Träger liegt aber etwas niedriger als der Phosphor und bei einer Luxmessung merkt man hier schon einen Einbruch. Und das obwohl der Höhenunterschied nur knapp 0.2 mm beträgt.
Man wird kleinere Kragen also nur aus Platz-/Gewichts-/Kostengründen nehmen, und nur bei sehr kleinen Quellen.
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jetzt will ich auch einen haben.
