Bildverarbeitung - LED Betriebstechnologien - Strom versus Spannung

Machine Vision Led-Beleuchtung - die Vorteile des Strombetriebs sind maximierte LED-Lebensdauer, flexible Lichtsteuerung und reduzierte Wärmeerzeugung.
Advanced illumination Machine Vision LED-Beleuchtungen (PresseBox) (Olching, ) Effektive Prüflösungen in Anwendungen der Bildverarbeitung erfordern die genaue Abstimmung einer Reihe von Hardwarekomponenten. Eine der wichtigsten dabei ist die Beleuchtung, deren primäres Ziel es ist, kontrollierte Lichtverhältnisse zu schaffen, um präzise und wiederholbare Ergebnisse zu erzielen

Die Vorteile von LEDs beim maschinellen Sehen sind wohlbekannt – niedriger Energieverbrauch, stabile Leistung, flexible Bauformen, enge Wellenlängenbereiche und lange Lebensdauer. Die Fortschritte der LED-Technologie − höhere Lichtleistung, längere Nutzungsdauer, Möglichkeit des Wärmemanagements und ein breiterer Bereich von Wellenlängen − bestehen jedoch eher in Verbesserungen bei LED-Leistung als im Einsatz moderner Betriebstechnologien, wie z. B. Strombetrieb vs. Spannungsbetrieb und Überstrom-Strobing.

Traditionell werden LED-Leuchten mit 12 oder 24 Volt Gleichstrom betrieben und verwenden Vorschaltwiderstände zur Begrenzung und zum Ausgleich der Last über LED-Ketten; diese Leuchten werden als spannungsbetrieben bezeichnet (Abb. 1, rechts). Mit Ausnahme der einfachen Implementierung und der relativ niedrigen Kosten hat der Spannungsbetrieb wenige Vorteile. Neuere LEDs mit hohem Wirkungsgrad und großer Helligkeit, wie sie inzwischen von den Herstellern von Machine-Vision-Beleuchtungssystemen eingesetzt werden, machen den Spannungsbetrieb sogar noch problematischer.

Neben dem Mindestintensitätsgrad ist der kritischste Parameter für Machine-Vision-Beleuchtung die konsistente, stabile Leistungsintensität im Zeitverlauf. Wird der Spannungsbetrieb für Multi-LED Leuchten in seiner typischen Form implementiert, wird dabei das Ohmsche Gesetz basierend auf den technischen Angaben des LED Herstellers zur Berechnung der Widerstandsgröße verwendet. Die Leistungskonsistenz und damit der Wirkungsgrad von spannungsbetriebenen Leuchten basiert also auf zwei kritischen Annahmen, die beide weder universell zutreffend noch konsistent sind:

1) Alle Durchlassstrom- und Durchlassspannungswerte der LED entsprechen mit einer sehr niedrigen Toleranz der nominellen Spezifikation des Herstellers.

2) Alle LEDs sind während des Betriebs thermisch stabil.

Siehe Abb. 1 – Vergleich einfacher Schaltungen im Spannungsbetrieb (links) und im Strombetrieb mit mehreren Ketten typischer sehr heller HB-LEDs, die ~ 350 mA/Kette verbrauchen und etwa ~ 4 Volt Abfall pro LED erzeugen.

Zu Annahme 1: Basierend auf den in Abb. 2 aufgeführten Daten der typischen Durchlassspannungswerte beträgt der Schwankungsbereich für manche High-Brightness (HB) LEDs in manchen Fällen mehr als ± 25 %. Dieser Effekt wird bei Multi-LED-Leuchten noch verstärkt. Beim Design von spannungsbetriebenen Multi-LED-Leuchten muss man sich auf „Durchschnittswerte“ für Durchlassspannung und Durchlassstrom verlassen und in der Schaltung daher „durchschnittliche“ Vorschaltwiderstände (siehe Abb. 1, links) verwenden. Die Anwendung von durchschnittlichen Widerstandswerten bei Multi-LED-Leuchten hat verschiedene Nachteile, wie z. B. schlechte Homogenität der Lichtleistung zwischen den einzelnen LEDs, suboptimale Lichtintensität und zusätzliche Wärmeerzeugung – alles keine wünschenswerten Ergebnisse.

Siehe Abb. 2 – Verhältnis zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom bei LEDs verschiedener LED-Generationen

Zu Annahme 2: LEDs erreichen nach dem anfänglichen Einschalten eine bestimmte Betriebstemperatur. In vielen Machine-Vision-Anwendungen werden LED-Leuchten im konstant eingeschalteten und nicht im Strobing-Modus verwendet. Die LED-Durchlassspannung fällt beim Aufheizen der Leuchte leicht ab und führt damit zu einer Reduktion des Durchlassstroms und der Lichtintensität. Zusätzliche erhöht die Verwendung eines durchschnittlichen Vorschaltwiderstands die Gefahr der thermischen Instabilität − eine Situation, in der eine spannungsbetriebene Schaltung den Strom erhöht, um die Aufheizung auszugleichen, wodurch auch die Durchlassspannung höher wird. Dieser Kreislauf kann sich bis zur Zerstörung der LEDs fortsetzen.

Siehe Abb. 3 – Verschiedene Optionen für den Strombetrieb: intern SL162 (links); inline iCS (Mitte); extern Pulsar 320 (rechts).

LEDs sind Stromgeräte: Ihre Lichtleistung ist direkt proportional zu ihrem Durchlassstrom. Ein effektiver und stabiler Ansatz besteht daher darin, LED-Leuchten mit konstantem Strom zu betreiben. Dabei wird der Intensitätsabfall und die mangelnde Homogenität des Lichts, die durch Schwankungen in der Durchlassspannung verursacht werden, eliminiert, da keine Vorschaltwiderständen benötigt werden(siehe Abb. 1, rechts). Damit wird eine konstante Stromversorgung für die Beleuchtung erzielt, die unabhängig von Veränderungen bei Vorschaltwiderstand oder Energieverbrauch ist. So werden die Nachteile der oben für den Spannungsbetrieb beschriebenen Annahmen 1 und 2 ausgeglichen. Die Vorteile des Strombetriebs sind maximierte LED-Lebensdauer, flexible Lichtsteuerung und reduzierte Wärmeerzeugung.

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