Ich habe vor einiger Zeit schon einmal technisch kurz erklärt, was der CRI (Color Rendering Index) eigentlich ist. Inzwischen liegen aus einem Projekt einige Messergebnisse vor, welche zeigen, wo die Schwächen eines kleineren CRI liegen.

Erklärungen zum Farbwiedergabeindex, wie der CRI in Deutsch heißt, findet man in der Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Farbwiedergabeindex. Eine Berechnung und Messung wird hier dargestellt: http://www.kruschwitz.com/cri.htm.

Der ideale CRI ist der eines sogenannten schwarzen Strahlers, ein idealisierter, physikalischer Körper (http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_Strahler). Die Abbildung aus der Wikipedia zeigt, dass die Intensität von der Farbtemperatur abhängt.

Spektrum schwarzer Strahler

Das Spektrum der Sonne ist auch nicht so ideal, wie man sich es vielleicht vorstellt, obwohl das Sonnenlicht mit einem CRI von 100 bewertet wird. Es zeigt also, dass eine nicht homogene Kurve trotzdem einen hohen CRI haben kann (Quelle: Wikipedia).

Spektrum der Sonne

Ausgehend davon sollen hier einige Spektren von LEDs dargestellt werden. Dazu zunächst das Spektrum einer RGB-LED mit einer weißen LED.

Spektrum einer RGB und einer weißen LED

Die rote Kurve zeigt schön die Spitzen der RGB-LED und dazwischen die fehlenden Spektralanteile. Ohne die weiße LED sind hier genau drei Spitzen zu sehen. Damit fehlen einige Farbanteile, obwohl eine RGB-LED scheinbar weiß leuchtet. Dies erklärt aus, warum gerade RGB-LEDs scheinbar fades Licht erzeugen. Alle Farbanteile, die nicht ausgestrahlt werden, können auch nicht reflektiert werden. Es kommt damit zu Farbverschiebungen (Metamerie).

Die Kurve der weißen LED ist ähnlich aufgebaut mit einer deutlichen Lücke bei ca. 480nm. In diesem Bereich liegt Türkis, wo LEDs generell kaum zu finden sind. Dies führt im Ergebnis dazu, dass durch den Metamerie-Effekt blaue Flächen ins violette verschoben werden.

Als nächstes sollen warmweiße und kaltweiße LEDs mit unterschiedlichem CRI verglichen werden. Hier sind es die Samsung-LEDs mit einem schon recht guten CRI von 85 und Nichia-LEDs mit einem CRI von 92.

Samsung-LEDs (kalt/warm)

Samsung LED kaltweiß CRI85

Samsung LED warmweiß CRI85

Nichia-LEDs (kalt/warm)

Nichia LED kaltweiß CRI92

Nichia LED warmweiß CRI92

Die Grafiken verdeutlichen das, was man erwartet. Steigt der CRI, so werden die typischen Lücken bei 480nm weitgehend geschlossen, die Kurve wird insgesamt homogener.

Kommen wir nun zur spannenden Frage, wie sich der CRI in der Praxis überhaupt auswirkt. Es gibt Bereiche, bei denen unter sogenannten „Normlicht-Bedingungen“ gearbeitet wird, zum Beispiel Druckereien. Bei der Abmusterung von Druck-Ergebnissen ist ein hoher CRI deshalb Pflicht.

Einige Anwender, die LED-Streifen zur Beleuchtung in der Küche eingesetzt haben, berichten davon, dass die Ergebnisse der Zubereitung verschiedener Speisen (u.a. Fleisch) nicht mehr so sind wie vorher. Auch hier schlägt die Metamerie zu. Übrigens, Supermärkte nutzen den Effekt beispielsweise, um Obst/Gemüse unter einem anderen Licht besser aussehen zu lassen…

Die Messung zur Farb-Beurteilung (Abmusterung) wird anhand einer Referenzfarbkarte nach DIN6169 durchgeführt, die 14 Farben beinhaltet. Zur Messung werden nur die ersten 8 Farben herangezogen.

Testfarben nach DIN6169

Was jetzt noch fehlt, sind Testbilder mit den verschiedenen LEDs als Beleuchtung. Bis diese vorliegen, kann man sich auch einige Vergleichsbilder im Samsung-Test ansehen.

Ich hatte die Möglichkeit, sogenannten LED-Flutlichstahler zu testen. Diese sind als Ersatz für die typischen Halogen-Leuchten mit 150W/300W oder 500W gedacht. Man kann sich gut vorstellen, dass man da einiges an Energie einsparen kann. Angegeben sind diese mit etwa Faktor 15, also 10W LED = 150W Halogen.

Ausgangspunkt bildet ein von mir vor einiger Zeit umgebauter 150W-Halogen-Strahler. Mit manuellem Aufwand hatte ich darin 2 kaltweiße Seoul P4-LEDs mit 700mA (3W) eingebaut (inkl. Netzgerät und Kühlkörper). Das erste Bild ziegt damit den Ausgangsstand.

Umbau Halogen-Strahler

2x P4 @ 700mA

Die Flutlichstrahler liegen mit in zwei größen vor: 10W und 20W jeweils kaltweiß. Es gibt auch noch 30W, 50W und 80W. Die Baugröße der 30W-Strahler ist identisch mit den 20W.

Größenvergleich

10W-Strahler

Die beiden Fotos zeigen die 10W- und 20W-Variante. Die Vergleichsfotos sind mit identischer Belichtung entstanden, auch das Foto oben vom P4-Strahler.

10W-Strahler

20W-Strahler

Die LED-Flutlichtstrahler erzeugen ein enormes Licht. Man kann durchaus sagen, das 10W ca. 150W Halogen und 20W ca. 300W Halogen entsprechen. Für den Anwendungsfall bei mir sind mir die 20W schon viel zu hell. Ich werde maximal 10W verwenden. Eins ist noch wichtig zu wissen: bei 10W LED-Leistung werden etwa 14W aufgenommen, bei 20W sind es etwas 27W.

Aufbau/Anschluss

Es gibt mal wieder etwas Neues zu berichten: die LED-Stripes haben sich weiter entwickelt. Inzwischen sind flexible Stripes mit einzeln steuerbaren RGB-LEDs verfügbar. Dies war ja schon zum Teil auf der Light & Building zu sehen.

LED-Stripe mit internen Controller-Chips

Was kann man damit erreichen? nun, neben tollen Effekten kann man wunderbare Animationen erstellen bis hin zu Video-Leinwänden. Ok, hohe Auflösungen zu realisieren wird sicher sehr aufwendig. Aber so im mittleren Bereich bis 1024 oder 2048 Pixel insgesamt ist dies mit überschaubarem Aufwand realisierbar.

Ansicht LEDs und Beschaltung mit Silkon-Oberfläche

Auf einen Meter Stripe befinden sich 32 LEDs, die jeweils einzeln über einen Controller angesteuert werden. Eine komfortable Software ermöglicht das Design der Animation inkl. der Möglichkeit, Video zu importieren. Die fertige Animation wird anschließend auf einer SD-Karte gespeichert und dann vom Controller abgespielt. Das ist alles.

Stripe mit Animation

Hier ein erstes Video von einer linearen Animation mit einem Stripe.

Ein zweites Video zeigt eine Matrix aus 8×32 Pixeln. Damit lassen sich schon gute Effekte erzielen. Die Animation stammt wieder von der Design-Software.

Das dritte Video zeigt ein Teilstück von 2m Länge, das mit einer linearen Animation versehen wurde. Auch hier werden die einzelnen Frames mit der Software per Klick zusammen gesetzt. Die Animation wurde dann mit 20fps gespeichert.

Der Entwurf der LED-Panels wurde ja schon hier vorgestellt. Jetzt ist die Platine gefertigt und das Ergebnis kann präsentiert werden. Eine Modul-Platine ist 10×10 cm groß und beinhaltet “nur” 7 LEDs. Warum so wenig? Nun, einerseits entwickeln die hier einsetzbaren Samsung-LEDs eine Helligkeit von über 30 Lumen, anderseits bin ich der Meinung, dass man bei LED-Leuchten für eine gute Ausleuchtung eine größere, abstrahlende Fläche benötigt. Deshalb auch die Modularität.

Platine Panel

Platine Nutzen

Ich habe ein Layout gewählt, das auf den ersten Blick etwas unsymetrisch wirkt, aber eine ganz gute Verteilung der LEDs bei mehreren Panels darstellt. Die Platine ist so aufgebaut, dass verschiedene Anordnungen möglich sind.

4er Panel mit LEDs

Anordnung 4x1

Anordnung T-Form

Als LEDs kommem Samsung 2-Chip in Frage. Die Platine ist speziell für weiße LEDs gedacht. Die gleiche Bauform ist aber auch in rot, grün, blau und amber verfügbar (lt. Samsung-Web-Seite). Sieben LEDs sind in Reihe geschaltet. Der Betrieb erfolgt mit 24V. Man kann entweder mit Vorwiderständen arbeiten oder, was ich empfehle, mit dem A6260 also KSQ. Die KSQ benötigt nur einen 1 Ohm Einstellwiderstand, so dass man mit 100mA arbeiten kann. Man kann auch etwas konservativer mit 80-90mA herangehen. Bei den Widerständen würde ich je 2x 43 Ohm 0,5W parallel schalten. Damit sind dann etwa 90mA eingestellt.

Modul mit Samsung-LEDs

4er Modul mit unterschiedlichen LEDs

Zu beachten bei diesen LEDs ist, dass sie sich etwas stärker erwärmen als die 6-Pin-LEDs, die sicher vielseitig bekannt sind. Das stellt kein großes Problem dar, aber die Montage auf eine Alu-Platte empfielt sich schon. Die Platine ist nur einseitig aufgebaut, was dies erleichtert.

Ich habe mit vier Panels eine Leuchte entworfen. Dazu muss man den Nutzen nicht trennen und kann die Verbindung auch mit ein paar Drahtbrücken herstellen. Ansonsten sind für die Verbindung Stift- und Buchsenleisten vorgesehen. Wer will, kann natürlich auch mit Draht verbinden. Ist auf jeden Fall billiger.

Leuchte mit 4er-Modul

Darstellung unterschiedlicher LEDs

Auf den Fotos sieht man ja den Aufbau einer Vierer-Kombination. Das war mein ursprüngliches Ziel. Ich will damit ein paar Leuchten im Treppenhaus ersetzen. Im Muster hab ich nicht nur verschiedene LEDs mit verschiedenen Farbtemperaturen verwendet, sondern auch nur einfaches, satiniertes Plexiglas XT. In einen Foto hab ich zum Vergleich Plexiglas TrueLED gehalten, was eine viel bessere Streuwirkung hat.  Selbst bei 5cm Abstand (Bolzen) sieht man beim satinierten Plexiglas noch Spots. Bei TrueLED reichen sogar 3cm aus.

Plexiglas-Vergleich

Der Gesamtaufbau sollte wie folgt aussehen:

Alu-Platte, Platine, Abstandsbolzen, Plexiglas

Noch ein Hinweis zu den KSQ-ICs A6260: Diese sind sehr empfindlich, was falsche Polung anbelangt. Einmal kurz die Spannungsanschlüsse vertauscht und die Teile sind hinüber, leider. Also eine kleine Schottky-Diode kann nicht schaden!

Was ich noch nicht erwähnt habe: man kann die Platinen natürlich auch an einen Controller hängen und dann dimmen. Das lässt sich mit der linearen KSQ machen.

Als LEDs kommen z.B. diese hier aus dem Test in Frage: Samsung-Vergleich

Neues vom RGBW-Controller: ich habe endlich eine neue Firmware erstellt. Die v33 enthält jetzt die DMX-Routine für den Empfang der Daten. Den Download gibt es hier: RGBW-Controller Firmware v33

Ich habe es folgendermaßen eingestellt: der DMX-Empfang wird über das Programm 5 eingestellt (Taste auf Fernbedienung oder auch mit Taster). Die DMX-Startadresse steht derzeit fest auf 1 im Quellcode. Das ist sicher nicht optimal. In einer folgenden Version wird die dann noch änderbar. Momentan muss der Quellcode angepasst werden. Dann sind folgenden Kanäle belegt:

1: Helligkeit gesamt
2: RGBW-Modus rot; HSB Farbton; Strobo Einschaltdauer
3: RGBW-Modus grün; HSB Sättigung; Strobo Pause
4: RGBW-Modus blau
5: RGBW-Modus weiß
6: Umschaltung der Modi: 0-10=RGB; 11-20=HSB; 21-30=STROBO RGB; 31-40=STROBO weiß; 41-50=HSB-Fading

Es sind noch zwei Individual-Programme hinzu gekommen: Strobo nur weiß und HSB-Fading. 6 DMX-Kanäle ist bei diesem Controller das Minimum, wenn man die Programmumschaltung nutzen möchte. Aber das kann sich dann jeder selbst anpassen. Diese Variante ist die Programm-Version v33.

Ich möchte hier einen Entwurf für eine universelle LED-Leuchte vorstellen. Es handelt sich dabei um ein LED-Panel mit den Abmessungen 10x10cm. Dieses Panel ist so konstruiert, dass es sich flexibel zusammenstecken lässt. Hintergrund ist, dass die Beleuchtung mit LEDs anders funktioniert als mit Glühlampen. HighPower-LEDs sind zwar in breitem Spektrum verfügbar, haben aber eine punktartige Lichtquelle und eignen sich nur bedingt oder in größerer Menge als Erstatz einer Glühlampe, die fast 360° abstrahlt. Die Modul-Panels hingegen bilden eine relativ große Fläche, die gleichmäßig leuchtet.

LED-Modul-Panel

An jeder der vier Seiten befinden sich Steckkontakte. Darüber lassen sich dei Panels verbinden. Was man mit vier dieser Module machen kann, zeigen die nächsten Bilder.

4-fach Modul

4-fach-Modul als Quadrat

3 Module linear

4 Module T-Form

Der Gestaltung sind mit den Modulen kaum Grenzen gesetzt. Zur LED-Leuchte werden die Module in Verbindung mit Plexiglas. Dazu sollten die Module auf eine Grundplatte befestigt werden. Gleichzeitig werden Abstandsbolzen angebracht. Schon bei ca. 5cm Abstand hat man je nach Plexiglas keine oder kaum Spots der LEDs (je nach verwendeten Plexiglas). Damit ergibt sich gestalterisch ein breites Spektrum.

LED-Module mit Plexiglas

LEDs

Auf dem Panel sind 7 2-Cip-LEDs von Samsung enthalten, die bei 24V und ca. 95mA betrieben werden. In dieser Konstellation ist keinerlei Kühlung erforderlich. Es werden zwei Vorwiderstände parallel geschaltet, um die Belastung im Rahmen zu halten.

Eine LED hat knapp 30 Lumen, so dass ein Panel rechnerisch ca. 200 Lumen erreicht. Wenn man vier Module koppelt, kommt man auf ca. 800 Lumen abzgl. dessen, was am Plexiglas verloren geht. Damit lässt sich schon einiges anfangen.

Die Muster-Panels wurden mit warmweißen LEDs aufgebaut. Da auch kaltweiße LEDs mit gleichen Parametern verfügbar sind, ist auch ein Mischen innerhalb eines Panels möglich. Als Empfehlung kann man 2-3 kaltweiße LEDs einbringen.

Worum geht es hier? Alle Samsung-LEDs sind sicher schwer zu testen und schon gar nicht zu vergleichen. Es geht hier um eine Auswahl von 6 unterschiedlichen, weißen SMD-LEDs im Mid-Power-Bereich. Samsung hat verschiedene Bauformen und mit unterschiedlicher Pin-Anzahl im Angebot.

Mid-Power-LEDs sind meist im Gehäuse 5252 (5050) oder 3528 enthalten. Diese werden auch PLCC6 bzw. PLCC4 bezeichnet. Eine Übersicht der Samsung-LEDs ist hier zu finden: www.samsungled.com Die Zahl der Pins ist auch unterschiedlich. Währen bei den PLCC4 meist 4 Pins an der LED sind, können es bei den PLCC6 2 oder auch 6 Stück sein. Interessanter Weise haben die neueren und auch helleren LEDs 2 Chips im Gehäuse, die mit bis zu 100mA betrieben werden während die älteren Modelle mit 3 Chips 3x20mA vertragen (typische Werte). Hier nun die LEDs, die verglichen werden:

LED-Typen im Vergleich

LED-Gehäuse

Folgende LEDs sind im Test:

Die folgenden Bild-Paare zeigen links immer das Vergleichs-Foto und rechts ein aufgehelltes Foto, das die Beschriftung der LEDs zeigt. Beim nicht beschrifteten LED-Streifen handelt es sich um die SLSNNWW815TS.

warmweiße LEDs

Typ warmweiß

Zuerst vergleichen wir die warmweißen LEDs. Die Helligkeitsunterschiede sind deutlich sichtbar und korrespondieren it den Angaben im Datenblatt (im Verhältnis). Vergleicht man die CRI-LED mit der SPM in warmweiß sieht man auch noch einmal deutlich den Farbunterschied. Die CRI-LED wirkt kalt dagegen.

CRI-LED gegen SPM ww

Typ CRI / SPM

Als nächstes sind die beiden CRI-LEDs (warmweiß/kaltweiß) im Vergleich. Zusätzlich wurden noch Fotos mit einem Blid gemacht, um die Wirkung der LEDs beurteilen zu können. Man sieht deutlich, dass die Farben des Bildes durch die LEDs verfälscht werden. Erklärbar, liegt doch der CRI-Wert dieser speziellen CRI-LEDs auch nur bei 80-85. Vom optischen Eindruck dieses Fotos würde die warmweiße LED eine bessere Lösung darstellen. Einige Kombinationen im Foto zeigen die Wirkung der LEDs.

CRI-LED warm/kalt

Typ CRI-LED

warmweiße und kaltweiße CRI-LED jeweils unten/oben

CRI-LED Vergleich 1

CRI-LED Vergleich 2

warmweiße LED gegen warmweiße CRI-LED

CRI-LED Vergleich 3

LED-Typen Vgl. 3

kaltweiße LED gegen laltweiße CRI-LED

CRI-LED Vergleich 4

LED-Txpen Vgl. 4

Als nächstes erfolgt der Vergleich der kaltweißen LED-Typen. Die Farb-Unterschiede insbesondere der A0-LED ist deutlich zu sehen. Im Vergleich ist unten nochmal die CRI-LED dabei.

LED-Vergleich kaltweiß

LED-Typen kaltweiß

Fazit
Diese Test sollte vor allem die Farbunterschiede der einzelnen LED-Typen und Steppings zeigen. Die einbezogenen CRI-LEDs sollten theoretisch für eine etwas bessere Wiedergabe der Farben sorgen. Tatsächlich sind die Unterschiede eher marginal. Die Farben werden wie bei vielen LED-Typen üblich mehr oder weniger verfälscht.

Interessant ist auch die Tatsache, dass die weit verbreiteten 3-Chip-LEDs deutlich dunkler wirken. Dies ist sicher lt. Datenblatt nominal schon zu erkennen, jedoch schon bei den hier verwendeten ca. 80mA mehr als deutlich zu sehen.

Der RGBW-Controller ist ein per Mikrocontroller gesteuerter, 4-Kanal-PWM-Controller zur Steuerung von LED-Stripes und HighPower-LEDs. Er ist die perfekte Ergänzung zu den Twin-LED-Stripes, die sowohl RGB- als auch weiße LEDs aufnehmen können.

Der Controller kann komplett selbst nachgebaut werden. Dazu werden neben dem Schaltplan auch verschiedene Varianten der Firmware offen gelegt.

RGBW-Controller beide Varianten

Möglichkeiten des Controllers:

• bis zu 4 Hardware-PWM-Kanäle
• Ausgang entweder direktes PWM-Signal, über Darlington-Array oder über MOSFET
• bis zu 6 Potentiometer (Potis) anschließbar (ADC-Eingänge)
• wahlweise Bestückung der Eingänge mit max. Tastern oder Encoder (Firmware muss adaptiert werden)
• Wannenstecker mit 7 weiteren Ports und Versorgungsspannung, z.B. für den Anschluss eines Displays
• Bedienung über handelsübliche RC5-Geräte Fernbedienung möglich
• Programmierung Firmware über Wannenstecker
• DMX-Receiver vorbereitet (muss in der Firmware adaptiert werden)

Der Anschluss des Controllers an die Twin-LED-Stripe-Platinen wird im folgenden Bild erklärt. Der Controller kann natürlich auch zum Einsatz kommen, wenn nur 3 Kanäle – also RGB – gefordert sind. Weitere Informationen zum Controller sowie den Bausätzen dazu sind im Shop zu finden.

LED-Stripes am RGBW-Controller

Download von Dateien:
Schaltplan des Controllers

Bestückungsplan des Controllers

Firmware V1.1

Die Twin-LED-Stripes haben eine Schwester bekommen: ein 3×3 LED-Cluster mit PLCC6-LEDs. Damit ist es möglich, auf der kompakten Fläche von 36x36mm 9 LEDs zu einem LED-Spot zu formen.

LED-Cluster Platine

Größe der Platine

Der Aufbau der Platine ist so gestaltet, dass vorwiegend 3-Chip-LEDs eingesetzt werden. Dies können sowohl RGB-LEDs als auch weiße oder einfarbige PLCC6-LEDs sein.

RGB-bestückte Platine

Hier noch einige Vergleichsfotos vom LED-Cluster zu einer High-Power-RGB-LED. Wie man sieht, steht das Cluster der HP-LED kaum nach. Die Farbhomogenität ist ausgezeichnet.

Edison RGB-Cluster

Edison RGB-Cluster

Edison RGB-Cluser

Edison RGB-Cluster

Die LED-Panels von Evil Mad Science haben schon eine gewisse Anziehungskraft. Ich habe schon lange damit geliebäugelt und wollte schon immer mal einen Tisch damit aufbauen. Leider hatte sich nie die Gelegenheit ergeben und da jetzt für eine Messe ein solcher Tisch benötigt wurde, wurde das Vorhaben n die Tat umgesetzt.

Die Bausatz-Variante für 4 Kits kam nach ca. 3 Wochen an. Verpackung und Sortierung der Bauteile ist vorbildlich. Das geht bis dahin, dass zu jedem Teil ein paar mehr enthalten sind.

Bausatz-Lieferung

Panel-Platinen

Bauteil-Pakete

Das Löten sieht auf den ersten Blick nicht so kompliziert aus, aber je 80 LEDs zu verlöten, ist reine Fleißarbeit. Die Beschreibung ist sehr gut gemacht und erklärt jeden einzelnen Schritt, wobei ich die Reihenfolge an zwei Stellen geändert habe. Das erste Panel hat vom Aufbau her ca. 2 Stunden gedauert, die anderen wurden in ca. je 1,5 Stunden gefertigt.

fertiges Panel

Beim Aufbau hatte ich nur bei einem Panel ein paar Probleme, weil ich zwei Lötstellen vergessen hatte. Man muss schon ganz schön aufpassen, aber die Fehler waren schnell gefunden.

aufgebauter Tisch

LED-Tisch

Das Panel wurde dann von einem Tischler in den dafür wie geschaffenen Ikea-Tisch eingebaut.

LED-Panels in Funktion