Selbstbau von künstlichen Sternen
Etwas zur generellen Herstellung von Lochblenden:Es gibt prinzipiell mehrere Verfahren um Blenden in einem Bereich von unter 0,1mm zu fertigen.
In der Industrie wird dabei zum Beispiel Linie mit Mikrobohrern bis zu 0,05mm gebohrt, chemisch oder mit Sauerstoff
Plasma geätzt, mit einem Laser geschnitten oder auch Mikro- Erodiert, jedes dieser Verfahren hat bestimmte Vorteile
und Nachteile, welche ich hier jedoch nicht im Detail anführen will, das würde zu weit führen.
Eine Blende mit einem Loch von größer als 0,1mm ist relativ leicht herzustellen, jedoch ist es damit nicht möglich,
nahe an die Optik heranzugehen um selbige einzustellen. Je kleiner das Loch ist umso näher kann ich mit der Optik an
den künstlichen Stern herangehen. Wohlgemerkt zur zum Justieren und einstellen, eine Qualitätsprüfung der Optik
erfordert nach den bekannten Quellen einen Abstand von mindestens 20 x der Brennweite des Teleskops.
Die Lochgröße, welche für uns interessant ist liegt in einem Bereich von 0,01mm bis 0,07mm, wobei 0,07mm ein recht
guter Kompromiss zwischen Lochgröße, Lichtdurchlass und mögliche Entfernung zur Optik ist.
Unter 0,05mm wird es schon etwas schwer, noch genügend Licht durch die Blende zu bekommen, vor allem wenn das
Endprodukt noch leicht, klein und Transportabel sein soll. Mit einer 60 Watt Halogenbirne geht das allemal, aber
die Hitzeentwicklung, der notwendige Abstand zur Blende, die Abschirmung der Birne und die benötigte Stromversorgung
bringen einen dann schon mal ins Grübeln, Kunststoffgehäuse scheiden da generell schon mal aus.
Eine Blende mit 0,01mm ist schon etwas für Spezialisten, damit können Optiken noch auf andere Weise gegen Planspiegel
getestet werden, das würde hier jedoch zu weit führen, ich beschränke mich auf die Verwendung der Lochblende in einem
künstlichen Stern zum Justieren und einstellen von Optiken anstelle eines echten Sternes am Himmel.
Für Eigenbauten wird im allgemeinen versucht, mit einer angeschliffenen Nadel oder ähnlichem Gerät kleine Löcher in
sehr dünne Folien zu stechen. Im Hobbybereich hat sich die dünne Haushalts Aluminiumfolie sozusagen als Standart heraus
kristallisiert, die Stärke der Folie liegt in einem Bereich von < 0,01mm. Der gravierende Nachteil dieser Folie ist,
dass die eigentlich zu dünn und vor allem zu weich ist, jede Art von mechanischer Einwirkung nach dem pieksen verformt
das Loch. Es gibt bessere Alternativen als die Alufolie, jedoch die sind oft schlecht zu beschaffen.
Ich habe sehr gute und einigermaßen reproduzierbare Ergebnisse mit einer dünnen Kupferfolie erhalten, welche zur
Erhöhung der mechanischen Stabilität auf einer Seite mit einer dünnen Schicht Kunststoff überzogen ist. Diese Folie
kommt aus der PCB Fertigung, ist gut Hitzebeständig und noch relativ Stabil. Mit der Folie sind mit etwas Gefühl Löcher
im Bereich von 0,01 - 0,02mm zu stechen, manchmal sind auch kleinere dabei. Für den Eigenbedarf und Versuche sind die
daraus gefertigten Blenden durchaus zu verwenden, für eine kommerzielle Verwendung sind die jedoch nicht geeignet.
Besser als eine Nadel ist eine sauber geschliffene Spitze aus gutem Werkzeugstahl, nur damit ist es möglich, eine
Nadelscharfe Spitze im Mikrometerbereich anzuschleifen, mit Nadeln ist das nicht möglich. Ein Blick durch das
Messmikroskop nach dem anschleifen zeigt auch unmissverständlich, wo die Grenzen der verwendeten Werkstoffe liegen.
Glasfaserkabel aller Art werden auch oft als Geheimtipp gehandelt. Mir ist bis heute noch keine Glasfaser untergekommen,
welche ein wirklich kleines Loch im Bereich von 60µm erzeugen kann. Diese Kabel werden zwar angegeben mit zum Beispiel
Aussendurchmesser 0,125mm, Innendurchmesser 0,06mm, diese angegebenen 0,06mm beziehen sich jedoch nur auf den optisch
und / oder elektronisch effektiv verwendbaren Kerndurchmesser, der Lichtaustritt ist wesentlich größer. Bei jedem von
mir vermessenem Glasfaserkabel war die für uns relevante Lichtöffnung größer als 0,1mm !
Auch eine Blendenöffnung von 0,1mm ist natürlich verwendbar, aber dann muss auch die Entfernung zur Optik größer sein.
Bezüglich der Beleuchtung für die Lochblenden können bis 0,04mm gute superhelle weisse LED's verwendet werden, unter
0,04mm Blendenöffnung werden entweder ganz neue extrem helle und gekühlte LED's oder auch Halogenbirnen verwendet.
Bei den weissen LED's sollte unbedingt darauf geachtet werden, das es sich erstens um superhelle Ausführungen mit
mindestens 3.000 mcd handelt und das die Farbtemperatur der LED bei 5.500K liegt. Es gibt nämlich auch sogenannte
weisse LED's welche einen sehr hohen UV Anteil im Spektrum haben, das Licht dieser LED's erscheint eher bläulich
und ist für unsere Zwecke nicht geeignet. Diese LED's benötigen meist nur ca. 2,5V bis 2,8V an Versorgungsspannung.
Jede gute superhelle Ausführung dagegen benötigt mindestens 3,5V, je nach Typ bis zu 5,0V.
LED's und Vorwiderstand, etwas grundlegendes zum Betrieb von LED's
Bei den notwendigen Vorversuchen zur Beleuchtung der Lochblende von unserem künstlichen Stern habe ich mich
ausgiebig mit fast allen Arten von LED's beschäftigt, sehr viele Messreihen gemacht und natürlich auch einige
LED's bei den Versuchen geschlachtet, das bleibt nicht aus wenn man die absoluten Grenzwerte ermitteln will.
Eine 4,00 oder 5,00 Euro teuere LED tut da schon weh, bei einer 20,00 Euro LED sollte das nicht so
oft gemacht werden und bei den noch teureren Exemplaren sollte das ganz einfach vermieden werden.
Also, unter der Voraussetzung das wir eine Handelsübliche 9 Volt Blockbatterie für die Stromversorgung verwenden
haben wir die Auswahl zwischen normalen Trockenbatterien, NiMh oder NiCd Akkus.
Zuerst einmal die neuen Batterien bzw. frisch aufgeladenen Akkus mit einer leichte
Belastung von 25mA vermessen was den da an Betriebsspannung zu erwarten ist:
Normale Blockbatterie 9,40 Volt, NiMh Akku 9,10 Volt, NiCd Akku 8,70 Volt
Unter der Annahme, das eine sehr gute superhelle Weiße LED mit 4 Volt und 30mA betrieben werden soll ergeben
sich daraus rechnerisch folgende Vorwiderstände: 9,4V = 180 Ohm / 9,10V = 170 Ohm / 8,70V = 156 Ohm.
( Berechnung: (Betriebsspannung minus Durchlassspannung der LED) geteilt durch den LED Strom )
Im Beispiel: 9,40V - 4,00V = 5,40V / 0,030A = 180 Ohm.
Der erste Knackpunkt an dieser Sache ist jedoch, das die Batteriespannung im laufe der Zeit
abfällt und dann die Helligkeit der LED schon stark nachlässt, da der optimale Arbeitsbereich
der LED's in einem sehr engen Spannungsbereich angesiedelt ist.
Werden die Vorwiderstände jedoch für eine niedrigere Batteriespannung gerechnet, wird die LED bis
zum erreichen der berechneten Spannung mit zuviel Strom betrieben, was sich absolut negativ auf
Lebenszeit sowie auf die Leuchtkraft auswirkt, beide fallen sehr stark ab.
Auch eine Zerstörung der LED ist dabei möglich, das geht oft sehr schnell.
Ein zweiter und weniger bekannter Knackpunkt ist, das die LED's durchaus größere Schwankungen in Ihrer
Durchlassspannung haben, das kann die ganze Rechnerei zunichte machen. Selbst innerhalb einer Serie
sind da Abweichungen von +- 0,4V möglich, wer ganz sicher gehen will sollte das vorher ausmessen.
Als letztes noch ein Hinweis zu den in den meisten Katalogen angegebenen elektrischen Werten:
Nach meiner Erfahrungen verwenden die Anbieter hier IMMER die vom Hersteller angegebenen
Maximalwerte, diese setzen jedoch eine 100% funktionierende gleich bleibende stabile
Stromversorgung der LED voraus, ansonsten sind Beschädigungen der LED schon
vorprogrammiert und man hat keine Freunde daran.
Wer sich den Bau einer separaten Elektronik ersparen will sollte bei dem oben genannten Beispiel einfach
davon ausgehen, das die LED mit 9,4V Batteriespannung und 25mA Strom betrieben wird und verwendet einen
Vorwiderstand mit 220 Ohm. Hier erreicht die LED zwar nicht ihre maximal mögliche Helligkeit aber sie wird
mit Sicherheit innerhalb der Herstellerspezifikation betrieben und auch ein langes Leben haben.
Für eine einfache Beleuchtung oder als Astro Taschenlampe ist es absolut unerheblich, ob die LED mit
100% oder mit 80% ihrer maximalen Leistung betrieben wird, hier ist eher die Betriebssicherheit gefragt.
Wer die maximale Lichtleistung der LED erreichen will muss diese über eine Konstantstrom oder
Konstantspannungsquelle betreiben und den Betriebsstrom genau ausmessen und anpassen, um hier
wirklich auf die angegebene Spitzenleistung zu kommen, ohne das die LED zerstört wird.
Es gibt dazu diverse Schaltungen im Internet, bei Interesse einfach mal danach suchen.
Eine Helligkeitsregelung von LED's ist mit Potentiometern, auch über Transistoren nur unbefriedigend
zu erreichen, da eine LED keinen linearen Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der daraus
resultierenden Lichtleistung hat. Erst ab einer gewissen Mindestspannung beginnt überhaupt erst einmal
ein leuchten, eine Regelung von 0 bis ca. 20% ist damit nicht möglich, das heißt die LED beginnt mit
ca. 20% Ihrer Leistung zu leuchten. Für einfache Anwendungen welche keinen großen Wert auf eine
feinfühlige und genaue Steuerung der Helligkeit benötigen ist die Lösung mit dem Poti natürlich zu verwenden.
( Der Vorwiderstand darf dabei natürlich nicht entfernt werden, der bleibt in der Schaltung! )
Eine echte Helligkeitsregelung bei LED's ist nur mit einer aufwendigen PWM Steuerung zu erreichen,
wer einmal eine mit 4 kHz angesteuerte LED gesehen hat weis was eine echte Regelung ist. Das geht
wirklich stufenlos von einem kaum wahrnehmbaren glühen sehr feinfühlig bis zur maximalen Leistung.
Außerdem wird hierbei die Leuchtfarbe der LED nicht verändert, das ist für manche
optische Messtechnische Anwendungen ein absolutes Muss.
Ich hoffe, damit etwas zum Verständnis von LED und Vorwiderstand beigetragen zu haben.
Details zum Verhältniss des Durchmessers / Fläche in mm² / Fläche in % (100%=0,1mm Durchmesser)
| - Durchmesser - | - Radius - | - Fläche in mm² - | - Fläche in % - |
|---|---|---|---|
| 0,125 | 0,0625 | 0,01230 | 156 % |
| 0,100 | 0,0500 | 0,00790 | 100 % |
| 0,090 | 0,0450 | 0,00640 | 81 % |
| 0,080 | 0,0400 | 0,00500 | 64 % |
| 0,070 | 0,0350 | 0,00380 | 49 % |
| 0,060 | 0,0300 | 0,00280 | 36 % |
| 0,050 | 0,0250 | 0,00200 | 25 % |
| 0,040 | 0,0200 | 0,00130 | 16 % |
| 0,030 | 0,0150 | 0,00071 | 9 % |
| 0,020 | 0,0100 | 0,00031 | 4 % |
| 0,010 | 0,0050 | 0,00008 | 1 % |
Je kleiner die Lochblende ist umso höher muss auf der anderen Seite die Lichtintensität sein, damit noch genug Licht
durch die Lochblende kommt um einen vernünftigen Optiktest zu ermöglichen. Ab 0,05mm wird das sehr schwierig !
Normale Glühbirnen oder Halogenbirnen machen aus dem Gehäuse einen Mini-Backofen, das ist ja nicht der Sinn der Sache.
Eine kleine Auswahl von VHM Mikro Bohrern, die gibt es ab 0,05mm ! Selbst für gut eingerichtet Werkstätten sind diese
Bohrer ein Problemfall, denn Spindeldrehzahlen von > 180.000 UP/M schaffen nur hochwertige Spezialmaschinen.
Eine zu Testzwecken gelöcherte Kupferfolie wird unter dem Messmikroskop auf die erreichten Lochgrößen hin vermessen.
PEAK Messmikroskop, V=100, Skalenteilung 0,01mm, gute Augen können 0,0025mm noch genau schätzen.
SMD bestückte Platine mit elektronischer Konstantstromquelle für die empfindliche superhelle Weisse LED.
Nur so ist die LED vor schädlichen Überströmen geschützt und wird immer genau nach Herstellerangaben betrieben,
jeder der nur ein bischen Ahnung von der Materie hat wird hier nicht nur einen Vorwiderstand verwenden.
Elektronische PWM Steuerung für Niedervolt Halogenbirnen oder die neuen bis über 800Cd starken extrem hellen LED's.
Die hier abgebildete Schaltung ist für den Dauerbetrieb mit 10 Ampere ausgelegt, je nach Auslegung der verwendeten
Power MOS-FET's können hier auch über 100 Ampere geregelt werden, das ist aber dann schon ein kleiner Heizofen.
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