Eigenbau eine Mikroskopbeleuchtung

[cmd.powell]

Hallo Zusammen

Es ist inzwischen einige Zeit vergangen, seit in diesem Thread darüber diskutiert wurde, "moderne" weiße LED's zur Mikroskopbeleuchtung einzusetzten. Schon damals hab ich geschrieben, das ich an so einer Beleuchtung arbeite bzw. das ich plane eine solche zu bauen. Nun ja, ein einhalb Jahre später ist es vollbracht. Dazu muss ich natürlich noch sagen, das ich mir ein doch recht hoch gestecktes Ziel gesetzt hatte: Es sollten 6 LED-Einheiten werden, welche auf Schwanenhälsen sitzend frei in alle Richtungen auf das Objekt gerichtet werden können. Dabei sollte jede LED einzeln in der Helligkeit regelbar sein. Neben der mechanischen Herausforderung kam auch noch eine Elektronische dazu: Idealerweise sollten sich alle LED's über zwei Taster regeln lassen, wobei mit einem dritten Taster die einzelnen LED's durchwählbar sein sollten. Soweit die Zielsetzung. Problem: Ich - ein bisserl Ahnung von Leistungselektronik (Spannungsregler etc.), null Ahnung von Digitaltechnik. Darum die lange Zeit, da ich natürlich viel lernen und noch mehr ausprobieren musste. Aber ich habe es geschafft !
Natürlich kann man jetzt fragen: Warum der Aufwand ? Reichen den nicht sechs Drehpotentiometer ? Klar reichen die, allerdings haben sich in der Vergangenheit genau diese Drehpotentiometer als Schwachstelle erwiesen. Zum einen bin ich gerne mal an den vorstehenden Knöpfen hängen geblieben. Das verstellt im günstigsten Falle nur die Helligkeit, im schlechtesten kann man die Helligkeit gar nicht mehr regeln, da Knopf ab. Zudem sind diese Knöpfe echte Staubfänger, darum wollte ich weg davon. Vorteil der Digitalpotis ist auch, das man eine Einstellung speichern kann, welche nach dem Ausschalten erhalten bleibt. Danach kann man beliebig verstellen und hat sein "Standardeinstellung" bei nächsten Einschalten sofort wieder am Start. Klar, man kann auch die neuen Einstellungen speichern - versteht sich ja von selbst.

Ein bisschen zur Schaltung: Die eigentliche Helligkeitsregelung wird von Pulsweitenmodulatoren (PWM) übernommen, jeweils eine PWM pro LED. Die PWM hat gegenüber den Spannungsteiler als L200 den Vorteil, das überschüssige Leistung nicht, wie bei Spannungsteilen üblich, verheizt wird - Strom sparen  .
Die Leistungsabgabe des PWM wird über ein Digitalpoti eingestellt, welches über ein EEPROM verfügt und auf Wunsch den aktuell eingestellten Wert speichert.
Die Digitalpotis werden über eine einfache CMOS-Logik angesteuert, also (noch) kein Mikrocontroller. Damit man als Benutzer eine Rückmeldung zu den aktuellen Einstellungen bekommt, gibt es pro LED eine 30-stufige LED-Bandanzeige, welche den aktuellen Einstellungswert (0-100%) anzeigt.
Das erste Bild zeigt die Schaltung teilweise in das Gehäuse eingebaut. Auf der Hauptplatine (die mit den vielen Kühlkörpern  ) sind die PWM's und ein Teil der CMOS-Logik sowie die Stromversorgung untergebracht. Davor liegt noch lose die Frontplatine mit den LED-Bandanzeigen.
Auf Bild ist die gesammte Elektronik bereits in das Gehäuse eingebaut und man sieht, das da schon nicht mehr so wahnsinnig viel Platz drin ist. Ein Schaltnetzteil (als Kompletteinheit gekauft und zum Teil an der linken Seite sichtbar) kommt noch über die Hauptplatine und dann ist das Gehäuse voll.
Bild drei zeigt nun die fertige Fontplatte: Die eigentliche Helligkeit wird über zwei Taster eingestellt ("UP", "DOWN"). Mittels "SELECT" schaltet man die einzelnen LED durch, wobei die Bandanzeige der angewählten LED grün ist, die der anderen rot. Es gibt auch die Möglichkeit, alle LED gleichzeitig in der Helligkeit zu verändern, daher sind auf Bild vier alle Bandanzeigen grün. Mit dem Taster "STORE" speichert man die aktuelle Einstellung der Helligkeiten. Über dem "STORE"-Taster befindet sich noch eine kleine zusätzliche LED welche anzeigt, ob es was zu speichern gibt, sprich, die leuchtet erst, wenn eine Einstellung verändert wurde.
Auf Bild vier sieht man nun die Frontplatte beim eingeschalteten Gerät. Über den Bandanzeigen befinden sich sechs verschiedenfarbige LED's, welche mit Farb-LED's an den eigentlichen Beleuchtungsköpfen (siehe Bild fünf und sechs) übereinstimmen und dem Benutzer die Orientierung, welche Bandanzeige welcher LED entspricht, ermöglicht.
Auf Bild fünf und sechs sieht man die eigentlichen Beleuchtungseinheiten in Aktion (in meiner wüsten Mikroskopierecke  ). Obwohl ich schon recht fette Kühlkörper auf den LED's sitzen habe, benötigen diese immernoch kleine Lüfter. Auf den Fotos schaut es so aus, als ob die nicht laufen würden, aber die sind immer an, wenn auch bei niedriger Drehzahl (praktisch nicht hörbar). Wenn man die LED's nicht voll aufdreht, könnte man auch ohne Lüfter auskommen, bei voller Leistung verbrennt man sich aber irgendwann die Finger an den Kühlkörpern - also Lüfter, sicher ist sicher !
Bild sieben zeigt nochmal die zur Beleuchtung verwendete LED vom Typ Citizen CL-L233-HC13N1-C. Hinter der kryptischen Bezeichnung verstecken sich 13W LED-Power von 890 Lumen mit 5000K Farbtemperatur bei einem CRI von 90. Die LED arbeitet bei nominal 18,2 V und 720mA, man kann sie aber auch problemlos auf 1,44 A hochtreiben, ohne das sie abraucht - fetter Kühlkörper vorausgesetzt !!! Auf Bild sieben ist die LED so eingestellt, das die Gerade so leuchtet und man gut erkennen kann, das hier mehrere LED-Chips sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet wurden. Auf Bild acht ist sie voll angesteuert und man muss die Warnung "Nicht in die LED schauen, Gefahr von Netzhautschäden" sehr ernst nehmen...
Achso, last but not least noch ein Wort zu den Kosten: Die reinen Materialkosten für die gesamte Beleuchtungseinheit liegen bei 500€, grob geschätzt und natürlich ohne Entwicklungs- und Bearbeitungskosten 

Schlussletztendlich war es ein ganzer Haufen arbeit, aber es hat viel Spass gemacht, so eine Schaltung zu entwickeln, auch wenn die Fehlschläge und Probleme, von denen ich hier nichts geschrieben habe, teilweise recht massiv waren. Und am Ende des Weges steht die Mikroskopbeleuchtung meine Träume. Naja, ok, in Gedanken bin ich natürlich schon weiter, wie z.B. Mikrocontrollersteuerung, verbessertes Bedienerpanel und und und....

[cmd.powell]

Und die restlichen Bilder...

[Wegschmeißit]

Deine Mikroskop-Ecke sieht ja wirklich "wüst" aus 
und ich dachte immer in meiner Butze wäre Chaos!

Im Ernst: ich habe weder von analoger noch von digitaler
Schalttechnik einen Schimmer und kann daher nur sagen:
Respekt! So etwas von Grund auf zu Planen und zu bauen
ist echt ein starkes Stück! Hut ab! 
Allerdings sehen die Leuchten mit ihren Lüftern doch dehr klobig
aus. Stört das nicht nach ´ner Zeit? Und? Wann geht das Ding in Serie?
Hier hat sich grad einer ein Russen-Bino gekauft, der dürfte über deine
Beleuchtung echt neidisch sein!

Glück Auf

Dirk

[Embarak]

Hallo Markus,

Kompliment zu der gelungenen Konstruktion !
Der Spaß-Faktor ist sicherlich auch nicht zu unterschätzen !

Bei Deiner Investition habe ich mich natürlich gefragt, warum Du nicht auf vorhandene Produkte zurückgegriffen hast.
Aber nur, bis ich auf die Preise geschaut habe. 

Im Labor verwenden wir für unsere Leica MZ6-Binos die älteren Leica KL 1500 LCD Lichtquellen.
Die kommen für die Mineralien nicht in Frage, weil sie nur bis 3200 K gehen, also Halogenlampe, warm-weiß .

Es gibt aber auch das Schott KL 1500 LED, das konstant 5400 K bringt.
Gibt es für etwa 535 € , dann kommen allerdings noch die Schwanenhälse mit den faseroptischen Lichtleitern dazu.
Das sind dann je nach 2armig oder 3armig und Länge nochmal 270 - 350 € .
Eventuell noch 2- 3 Diffusor-End-Linsen dazu.
Mit MwSt. kommt man also locker auf das Doppelte. 

Also viel Freude mit Deiner Eigenkonstruktion !
Norbert

dem Ingeniör ist nichts zu schwör...

[cmd.powell]

@Wegschmeißit: Ja, die LED-Köpfe sind in der Tat schon recht groß, nur leider bei der Verlustleistung kaum kleiner hin zu bekommen. Die LED's haben bei Vollansteuerung eine Leistungsaufnahme von rund 13 Watt, wovon gut 30% in Licht umgewandelt werden. Der Rest ist leider Wärme und die muß irgendwo hin. Ein Kumpel meinte schon, ich soll eine Wasserkühlung einbauen, aber auch noch Schläuche durch die Schwanenhälse - keine Chance. Naja, und die Lichtleitertechnik wäre zwar anwendbar (und ist wahrscheinlich auch die optimale Lösung), aber leider kosten Schwanenhälse mit Lichtleitfasern wieder echt viel Geld (siehe Post von Embarak). Wie so vieles bei dem Projekt ist und war das ein Kompromiss. Zudem kann man sich die Teile auch recht gut so hindrehen, das sie am wenigsten stören. Naja, und Dank der Lüfter muss man auch keinen Staub mehr von den Stufen pusten 

@Embarak: Ja, die blöden Lichtleiter erschüttern schnell jedes Buget, darum auch ohne solche. Das Geld war irgendwann kein wirklicher Faktor mehr. Anfangs wollte ich noch sparen, wo es geht. Nur irgendwann ist man an dem Punkt, wo man das Teil laufen sehen will und dann wird auch nicht mehr gespart. Wo jetzt die Entwicklungskosten liegen - ich musste ja auch einen haufen Werkzeug anschaffen - weiss ich nicht mehr. Alles in allem liege ich sicher über 1000 Euro, da sind dann aber auch eine Fräse und andere Werkzeuge mit dabei, die man ja auch noch in Zukunft nutzen kann. Du schreibst es ja selber: Der Spassfaktor ist nicht zu unterschätzen. Ich habe sonst immer echt viel am PC gemacht, allerdings ist sowas zum Anfassen erfrischend anders !

Naja, und ob ich das Teil mal in Serie produziere - schaun wir mal  Jetzt wo ich alle Pläne etc. habe, könnte ich zumindestens relativ schnell weitere Einheiten bauen....