Streuende LEDs rechts - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

LEDs sind heutzutage auch im Alltag weit verbreitet und man kann sich viele Informationen zu deren Verwendung einholen. Es gibt viele Tutorials zur Stromversorgung von LEDs und deren Einbindung in verschiedene Lichtinstallationen. Es gibt jedoch nur sehr wenige Informationen darüber, wie man das von LEDs ausgestrahlte Licht steuern oder formen kann.

LEDs sind eine Lichtquelle, die Licht von einem sehr kleinen Punkt gleichmäßig in alle Richtungen abgibt. Je nach LED-Typ und Bauweise wird das Licht oft in einem breiten Kegel gelenkt. Hochleistungs-LEDs oder SMD-LEDs wie die WS2812b oder APA102 haben normalerweise einen Abstrahlwinkel von 120°-140°, 5mm LEDs können einen Abstrahlwinkel von bis zu 180° haben. Dies bedeutet, dass über den gesamten Winkel dieses Strahls die gleiche Lichtmenge emittiert wird. Da wir jedoch einen einzigen Ausgangspunkt haben, wenn wir das Licht einer LED auf eine ebene Fläche richten, erhalten wir einen Lichtfleck, der in der Mitte am hellsten ist und an Helligkeit verliert, je weiter man sich von der Mitte entfernt.

Bei Lichtinstallationen und in der Fotografie (ein Bereich, der mich sehr interessiert) strebt man nach einer homogeneren Lichtverteilung. Der Schlüssel dazu ist die Streuung des Lichts. In diesem Instructable werde ich mit Ihnen teilen, wie Sie LEDs richtig diffundieren können und worauf Sie achten müssen.

Schritt 1: Die Mathe-I

Nehmen wir an, wir verwenden die normalen LEDs, die Sie auf einem LED-Streifen finden. Dies sind normalerweise 5050 LEDs, was bedeutet, dass sie ein Quadrat von 5 mm x 5 mm haben, und wenn Sie 60 LEDs / m haben, haben Sie normalerweise eine LED mit jeweils 17 mm auf dem Streifen. Auch diese LEDs haben in der Regel einen Abstrahlwinkel von 120°, wodurch sich ein Muster wie in der Skizze zu sehen ergibt.

Diese Streifen werden oft verwendet, weil sich die Strahlen jeder LED nur in geringem Abstand vom Streifen so weit überlappen, dass sie zu einem Lichtbalken verschmelzen. Während dies für die meisten Anwendungen zutrifft, haben Sie immer noch Hotspots und wenn Sie direkt in das Licht schauen, sehen Sie jede einzelne LED. Für Lichtinstallationen oder wenn Sie den LED-Streifen in der Langzeitbelichtung verwenden möchten, ist dies nicht erwünscht.

Schritt 2: Was Sie kaufen können

Es gibt verschiedene Arten von Aluminiumprofilen, die für die Aufnahme von LED-Streifen gedacht sind und oft auch mit verschiedenen Arten von Diffusoren geliefert werden. Auf dem ersten Foto sehen Sie die gängigsten.

Die erste ist kaum tief genug, um die LEDs unterzubringen, und ist die am wenigsten effektive, also legen wir diese weg und sehen Sie sich die anderen an.

Der zweite hat ein tieferes Profil und einen flachen Diffusorschirm. Die Tiefe beträgt etwa 11 mm, wodurch der Diffusor etwa 10 mm über den LEDs platziert wird. Erinnern wir uns an diese Werte und werfen einen Blick auf die nächsten.

Der dritte hat ein ähnliches Aluminiumprofil wie der zweite, verwendet aber ein rundes Profil für den Diffusor. Dadurch wird der höchste Punkt des Diffusors etwa 17 mm von den LEDs entfernt. Das runde Profil sorgt auch dafür, dass das Licht umso gleichmäßiger wird, je weiter Sie sich von der Mitte des Balkens entfernen (denken Sie daran, dass wir einen einzigen Ausgangspunkt haben und das Licht weiter wandern muss, je weiter Sie sich von der Mitte entfernen).

Schritt 3: Die Mathematik II

Werfen wir einen Blick auf die beiden Aluminiumprofile des letzten Schrittes. Wir haben 10mm und 17mm Abstand zu den LEDs und einen Abstrahlwinkel von 120°. Dies führt zu einem Muster, wie Sie es in den Skizzen sehen.

Wie Sie bei dem 10 mm-Modell sehen können, überlappen sich die Strahlkegel nur um die Hälfte der Kegel. Der Rand eines Kegels reicht fast bis zur Mitte des nächsten. Sie denken vielleicht, dass dies ausreicht, um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen, aber werfen wir einen Blick auf die andere.

Bei einem Abstand von 17 mm überlappen sich drei Kegel recht stark, was zu einer besseren Lichtverteilung führt. Der Kegel einer LED erreicht fast die Mitte der LED 2 Stellen weiter unten im Streifen. So wird sein Licht vollständig über das Licht seines Nachbarn verteilt.

Schritt 4: Testen der Extrusionen

Mal sehen, ob die Mathematik, die wir im letzten Teil betrachtet haben, aufgeht und wir eine gute Lichtverteilung erhalten.

Das erste Foto zeigt einen LED-Streifen mit einer Tiefe von 10 mm auf halbem Weg in die Extrusion. Wie Sie sehen, gibt es immer noch Hot Spots, aber auch der Raum zwischen den LEDs ist ziemlich hell beleuchtet. Wenn Sie dies in einer langen Belichtungszeit verwenden und es durch das Sichtfeld einer Kamera bewegen, wie auf dem zweiten Foto gezeigt, können Sie sehen, dass es einen Unterschied zwischen nackten LEDs und einer im Streifen gibt, aber die Stellen, an denen die LEDs hell sind Linien.

Das dritte Foto zeigt einen LED-Streifen mit einer Tiefe von 17 mm auf halbem Weg in die Extrusion. Das Licht verteilt sich viel besser und man sieht kaum noch, wo sich die einzelnen LEDs befinden. Wenn wir dies erneut in einer langen Belichtungszeit verwenden, wie im vierten Foto gezeigt, sehen wir den Unterschied zwischen bloßen LEDs und diesem Diffusor. Das Licht ist sehr homogen, aber wenn man genau hinschaut, kann man immer noch eine Abweichung in der Helligkeit des Lichts erkennen, aber es ist viel besser als das vorherige.

Schritt 5: Die Mathematik III

Kommen wir zurück zur Mathematik und analysieren, was wir gesehen haben. Mit einem Abstand von 17mm zu den LEDs erhalten wir bereits ein gutes Ergebnis, das aber noch verbessert werden kann.

Denken Sie daran, dass eine LED eine einzelne punktförmige Lichtquelle ist, die ihr Licht gleichmäßig in alle Richtungen verteilt. Der Diffusor ist eine flache Oberfläche, daher müssen wir den Winkel und die Intensität des Lichts betrachten. Je weiter wir uns von der Lichtquelle entfernen, desto weniger hell wird das Licht. Wenn Sie sich das erste Foto ansehen, können Sie sehen, dass in einem Abstand von 30 mm ein Abstrahlwinkel von 120° das Licht auf mehr als 100 mm verteilt. Da das Licht am Rand dieses Kegels jedoch viel weiter wandern muss, ist das Licht in der Mitte viel dunkler.

Was wir suchen, ist das gleiche Höhen-zu-Flächen-Verhältnis. Wenn wir das Licht auf eine ebene Fläche richten und der Abstand vom Licht zur Fläche mehr oder weniger gleich ist, haben wir eine gleichmäßigere Lichtverteilung. Dies kann entweder erreicht werden, indem der Diffusor zu einer Kugel mit der Lichtquelle in der Mitte gemacht wird, oder wir können nach einem anderen Winkel zur Mathematik suchen.

Wenn Sie es berechnen, erhalten Sie einen Winkel von etwa 53, 13°, bei dem die Höhe eines Dreiecks der Länge des dem Winkel gegenüberliegenden Segments entspricht. Um es etwas einfacher zu machen, nehmen wir einen Winkel von 60°. In der zweiten Skizze sehen Sie das Ergebnis, wenn wir den 60°-Winkel anwenden. Der Fleck eines 60°-Kegels hat ungefähr die gleiche Helligkeit, wenn Sie ihn betrachten oder mit einer Kamera aufnehmen. Wenn wir dies auf den Diffusor mit 17 mm Tiefe anwenden, können wir sehen, dass dieser ziemlich gut gestaltet wurde.

All dies sagt uns, dass Sie, wenn Sie Ihren eigenen Diffusor erstellen möchten, ihn im gleichen Abstand von den LEDs platzieren, wie die LEDs voneinander entfernt sind. Auf diese Weise werden Sie bereits recht gute Ergebnisse erzielen.

Schritt 6: Verbesserung der Ergebnisse - Doppelte Diffusion

Da ich mit den Ergebnissen bisher nicht zufrieden war, suchte ich nach einer Möglichkeit, eine noch bessere Lichtverteilung zu erzielen.

Denken wir also über den Unterschied zwischen gerichtetem Licht und diffusem Licht nach. Der Hauptunterschied, der hier von Bedeutung ist, ist, dass wir bei gerichtetem Licht gerade Lichtlinien haben, die von einem einzigen Punkt weggehen. Je weiter wir uns also von diesem einen Punkt entfernen, desto weniger Licht bekommen wir. Wenn wir es auf eine ebene Fläche projizieren, erhalten wir immer einen Helligkeitsabfall. Streulicht bedeutet, dass wir keine einzelne Lichtquelle haben, sondern eine große. Und dass sich das Licht von jedem Punkt dieser großen Lichtquelle in alle Richtungen ausbreitet. Ein Diffusor ist ein Gerät, das ein direktes Licht in ein diffuses Licht umwandelt, sodass der Diffusor im Wesentlichen zu einer neuen Lichtquelle wird, die diesmal nicht nur ein einzelner Punkt ist.

Wenn wir nun diese Lichtquelle, die noch einige Hotspots aufweist, ein zweites Mal diffundieren, erhalten wir eine völlig homogene Verteilung. Die erste Diffusionsschicht hat zwar Hotspots, aber nur in geringem Abstand von diesen überlappt sich das Licht aller Punkte in diesem Hotspot so stark, dass es nicht mehr sichtbar ist. Der einzige Nachteil ist, dass wir zur Streuung des Lichts ein etwas undurchsichtiges Material verwenden müssen, um die Intensität des Lichts zu reduzieren. Mit einer Doppeldiffusion reduzieren wir die Intensität noch mehr, aber in den Anwendungen, bei denen dies wichtig ist, ist dies nicht so wichtig.

Eine sehr einfache und effektive Möglichkeit, eine Doppelstreuung zu erzeugen, besteht darin, etwas Watte zwischen dem LED-Streifen und dem Diffusor zu platzieren. Auf den Fotos sehen Sie das Ergebnis von etwas Watte, die in das 10 mm tiefe und das 17 mm tiefe Aluminiumprofil gesteckt wurde. Wie Sie sehen können, verbessert sich das 10 mm und das 17 mm wird fast perfekt zum Arbeiten.

Schritt 7: Eine andere Lösung: Erhöhen Sie den Abstand zum Diffusor

Eine andere Lösung besteht darin, auch den Abstand von der LED zum Diffusor zu vergrößern. Wenn Sie mit einer Höhe des Abstands zwischen den einzelnen LEDs ein paar Schritte zurückdenken, erhalten Sie eine abgedeckte Fläche, die dem Abstand zwischen den LEDs entspricht. Aber wenn Sie den Abstand vergrößern, überlappen sich diese Lichtkegel noch mehr und führen dazu, dass sich die Hotspots so stark überlappen, dass sie ineinander übergehen. In diesem Tool, das ich für Lightpainting entwickelt habe, ist der Abstand zwischen LEDs und Diffusor ungefähr doppelt so groß wie der Abstand zwischen den einzelnen LEDs. Und wie Sie sehen, wird das resultierende Licht gut verteilt. Das letzte Foto ist eine Langzeitbelichtung, bei der ich diese Werkzeuge verwendet habe, um mit seinem Licht einige Streifen zu zeichnen.

Schritt 8: Fazit

Wenn Sie eine gut aussehende Lichtinstallation mit LEDs bauen möchten, achten Sie darauf, das Licht richtig zu streuen. In einigen Fällen ist ein einzelner Lichtpunkt erwünscht, aber meistens möchten Sie ein ansprechenderes Aussehen, und eine diffuse Lichtquelle wird Ihnen dies erreichen. Wenn Sie in der Kinematografie oder Fotografie arbeiten, sollten Sie bereits viel über direktes vs. diffuses Licht wissen und hier erhalten Sie einen Einblick, wie man das eine in das andere umwandelt.

Wenn Sie eine professionellere Doppeldiffusion durchführen möchten, können Sie Acrylplatten verwenden. Es gibt Acrylglasplatten mit einer Lichtdurchlässigkeit von 79 %, diese werden meist bei der Badinstallation als Sichtschutz verwendet. Diese haben eine gute Deckkraft, um sie als Diffusor zu verwenden, wenn Sie sie verdoppeln. Für eine Doppelstreuung wird nicht der volle Abstand zwischen den einzelnen LEDs benötigt. Platzieren Sie die erste Diffusionsschicht etwa 1/3 des Abstands zwischen der LED und die zweite Schicht bei 2/3 des Abstands. Auf diese Weise erhalten Sie eine sehr gleichmäßige Lichtverteilung auf der zweiten Schicht. Sie können aber auch einfach den Abstand zwischen den LEDs verwenden und die erste Ebene in der Mitte platzieren.

Es gibt viele weitere Möglichkeiten, dies zu erreichen, wie z. B. die Verwendung von Acryl-Lichtkanälen, aber diese sind komplexer und es ist normalerweise einfacher, entweder Einzelstreuung mit genügend Abstand oder Doppelstreuung zu verwenden.