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Auslegung eines spektralen Strahlungsflussnormals auf Basis von Hochleistungsleuchtdioden

Kimme, Felix :
Auslegung eines spektralen Strahlungsflussnormals auf Basis von Hochleistungsleuchtdioden.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Weiße Hochleistungsleuchtdioden werden in der Automobilindustrie, der Straßen- und Wohnraumbeleuchtung immer beliebter. Aufgrund der Anforderung an die Homogenität der Beleuchtung sind Leuchtdioden mit gleichem Lichtstrom und gleichem Farbort nötig. Aufgrund des Produktionsprozesses streuen die lichttechnischen Eigenschaften gefertigter Leuchtdioden. Sie werden daher nach der Herstellung vermessen und sortiert. Das verwendete Messsystem wird zur Qualitätssicherung regelmäßig mit Strahlungsflussnormalen kalibriert.

Die in den Messsystemen integrierten Photometer sind durch Filter weitesgehend an die menschliche Wahrnehmung des Lichtes angepasst. Durch den Fehler der Filteranpassung und das unterschiedliche Spektrum der zu vermessenden Leuchtdioden und der Normale entsteht eine Messunsicherheit bei der Kalibrierung. Sie kann durch den Einsatz eines Normales mit einem den Leuchtdioden ähnlichen Spektrum reduziert werden.

In der vorliegenden Arbeit wird daher ein Strahlungsflussnormal auf Basis einer Hochleistungsleuchtdiode von Osram entwickelt. Die Leuchtdiode wird spektral und winkelabhängig vermessen. Der Einfluss der Strom- und Temperaturregelung auf die Messunsicherheit wird berechnet und mit den Messwerten überprüft. Die Schaltung der Stromregelung wird entwickelt und simuliert. Als Temperaturregelung werden ein Peltier-Element gewählt und die Schaltung zur Energieversorgung ausgelegt. Eine Temperaturmessung mit einem Platinwiderstand wird entworfen und die Messunsicherheit wird berechnet. Der Einfluss der Umgebungstemperatur der Schaltungen sowie des Sensors, dessen Auswertung und der Regelung auf die Unsicherheit werden hergeleitet.

Da die Farbtemperaturabweichung der Leuchtdiode die Anforderungen überschreitet, werden die Bedingungen an die Optik des Normals diskutiert. Zur homogenen Beleuchtung des Messsystems ist eine Optik mit Lambertscher Abstrahlcharakteristik und geringer Farbtemperaturabweichung notwendig. Darauf basierend werden die Kriterien an eine Optik quantisiert. Im Anschluss werden vier verschiedene Optiken aufgebaut und vermessen. Die Bewertung zeigt, dass eine Kugel mit diffuser Beschichtung die Anforderungen erfüllt. Ein Diffusor kann die lambertsche Abstrahlcharakteristik verbessern. Ein Vergleich mit den lichttechnischen Eigenschaften der Leuchtdiode wird aufgestellt. Zur Realisierung der Optik mit einem Reflektor wird eine Simulation programmiert.

Ein Prototyp des Normales wird realisiert, die Messunsicherheit wird in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung hergeleitet und aufgelistet. Die Einflüsse auf die Messunsicherheit des Messsystems werden identifiziert und es wird aufgezeigt, wie sie bestimmt werden können. Die Einflüsse auf die Alterung des Normales werden recherchiert sowie eine Langzeitmessung durchgeführt. Auf deren Basis werden die Betriebsparameter der Leuchtdiode bestimmt sowie die Einbrenndauer und die Rekalibrierungszeit abgeschätzt.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Kimme, Felix
Titel: Auslegung eines spektralen Strahlungsflussnormals auf Basis von Hochleistungsleuchtdioden
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Weiße Hochleistungsleuchtdioden werden in der Automobilindustrie, der Straßen- und Wohnraumbeleuchtung immer beliebter. Aufgrund der Anforderung an die Homogenität der Beleuchtung sind Leuchtdioden mit gleichem Lichtstrom und gleichem Farbort nötig. Aufgrund des Produktionsprozesses streuen die lichttechnischen Eigenschaften gefertigter Leuchtdioden. Sie werden daher nach der Herstellung vermessen und sortiert. Das verwendete Messsystem wird zur Qualitätssicherung regelmäßig mit Strahlungsflussnormalen kalibriert.

Die in den Messsystemen integrierten Photometer sind durch Filter weitesgehend an die menschliche Wahrnehmung des Lichtes angepasst. Durch den Fehler der Filteranpassung und das unterschiedliche Spektrum der zu vermessenden Leuchtdioden und der Normale entsteht eine Messunsicherheit bei der Kalibrierung. Sie kann durch den Einsatz eines Normales mit einem den Leuchtdioden ähnlichen Spektrum reduziert werden.

In der vorliegenden Arbeit wird daher ein Strahlungsflussnormal auf Basis einer Hochleistungsleuchtdiode von Osram entwickelt. Die Leuchtdiode wird spektral und winkelabhängig vermessen. Der Einfluss der Strom- und Temperaturregelung auf die Messunsicherheit wird berechnet und mit den Messwerten überprüft. Die Schaltung der Stromregelung wird entwickelt und simuliert. Als Temperaturregelung werden ein Peltier-Element gewählt und die Schaltung zur Energieversorgung ausgelegt. Eine Temperaturmessung mit einem Platinwiderstand wird entworfen und die Messunsicherheit wird berechnet. Der Einfluss der Umgebungstemperatur der Schaltungen sowie des Sensors, dessen Auswertung und der Regelung auf die Unsicherheit werden hergeleitet.

Da die Farbtemperaturabweichung der Leuchtdiode die Anforderungen überschreitet, werden die Bedingungen an die Optik des Normals diskutiert. Zur homogenen Beleuchtung des Messsystems ist eine Optik mit Lambertscher Abstrahlcharakteristik und geringer Farbtemperaturabweichung notwendig. Darauf basierend werden die Kriterien an eine Optik quantisiert. Im Anschluss werden vier verschiedene Optiken aufgebaut und vermessen. Die Bewertung zeigt, dass eine Kugel mit diffuser Beschichtung die Anforderungen erfüllt. Ein Diffusor kann die lambertsche Abstrahlcharakteristik verbessern. Ein Vergleich mit den lichttechnischen Eigenschaften der Leuchtdiode wird aufgestellt. Zur Realisierung der Optik mit einem Reflektor wird eine Simulation programmiert.

Ein Prototyp des Normales wird realisiert, die Messunsicherheit wird in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung hergeleitet und aufgelistet. Die Einflüsse auf die Messunsicherheit des Messsystems werden identifiziert und es wird aufgezeigt, wie sie bestimmt werden können. Die Einflüsse auf die Alterung des Normales werden recherchiert sowie eine Langzeitmessung durchgeführt. Auf deren Basis werden die Betriebsparameter der Leuchtdiode bestimmt sowie die Einbrenndauer und die Rekalibrierungszeit abgeschätzt.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Hochleistungs-LED, Kühlung mit Peltier-Element, Lichtstromnormal, Strahlungsflussnormal, Stromregelung, Temperaturregelung, Ulbrichtkugel
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Lichttechnik
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2011 14:04
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1727

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 12-10-2009

Ende Datum: 31-01-2010

Querverweis: 17/24 EMKS 1641, 17/24 EMKD 1663, 17/24 EMKD 1704, 17/24 EMKS 1705

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1727
Gutachter / Prüfer: Groh, Dipl.-Ing. Andreas ; Nils, Dipl.-Ing. Haferkemper ; Khanh, Prof. Dr.- Tran Quoc
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