Winkelbestimmung bei LED-Beleuchtungen

[Achim H]

Wollte dafür keinen neuen Thread aufmachen.

Wenn man mehrere Powerleds (kreisförmig angeordnet, Abstand von einer Led zu einer anderen und über den Mittelpunkt gerechnet ca. 4cm) alle auf einen Punkt leuchten lassen möchte, müsste man die Leds von außen leicht anheben und verkleben. Wie gut resp schlecht ist die Wärmeübertragung, wenn die Led oder die Starplatine nicht plan sondern mehr einseitig auf der Kühlfläche aufsitzt?

mfg Achim

[Sailor]

Wenn die Schräge mit Wärmeleitkleber erzeugt werden soll, ist die Wärmeübertragung sehr schlecht. Bei zunehmender Dicke des Wärmeleitklebers kann es auch zu mangelhafter Haltekraft kommen.

Mein Vorschlag: Nimm Flachalu-Stangen 10 mm x 2 mm oder 15 mm X 2 mm aus dem Baumarkt und knick die Schräge dort ein. Wenn die beiden Laschen, die auf den Kühlkörper kommen, groß genug und fest angepresst sind ist auch die Wärmeübertragung sichergestellt.

Die geknickte Stange hätte etwa folgende Seitenansicht: __/\__

Wenn der Platz nicht reicht, genügt wohl auch eine Hälfte.

[O.Mueller]

Wenn man präzise sägen kann kann man auch aus nen Flachstrang einen Keil sägen und den verwenden - ich jedenfalls würde keine HighPower-LED irgendwie mit einer Seite in der Luft stehen lassen oder durch Kleber sozusagen unterfüttern. Wenn die lang lebt fress ich...hm, Torte ist nicht schlecht. Besen schmeckt nicht, schon ausprobiert.

[URS]

Wie gut resp schlecht ist die Wärmeübertragung, wenn die Led oder die Starplatine nicht plan sondern mehr einseitig auf der Kühlfläche aufsitzt?

In das Thema hatte ich mich vor einiger Zeit mal eingelesen, siehe auch hier.
Wärmeleitpaste jedenfalls kommt demnach bestenfalls auf 5% der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium. Ich glaube kaum, daß Wärmeleitkleber besser ist als -Paste. Die Schicht Wärmeleitpaste sollte also so dünn sein, daß sie wirklich nur die natürlichen Lufträume zwischen den beiden Materialien verdrängt.
Wenn Du allerdings an eine Paste kommen kannst, die Kohlenstoffnanoröhrchen enthält, sollte es auch mit dicken Schichten funktionieren -- aber die gibt's noch nicht.

[Achim H]

Das mit dem Keil hatte ich auch schon überlegt. Für die Verdrahtung wäre es gut, wenn dieser nur 7mm breit ist (so breit ist auch ein Cree-Emitter (ohne Starplatine)) und entsprechend 9mm lang. Das Problem ist, dass ich nicht weiß wie dick der Keil werden muss, damit alle 6 Lichtkegel (6 Cree Q5 bei 600mA) auf einen Punkt gelenkt werden. Abstand von der Decke bis Oberkante Arbeitsplatte (mein Schreibtisch) beträgt 1,41m (Kühlkörper (4cm) + zusätzlicher Abstand (10cm) für die Luftzirkulation wurden schon abgezogen). Auf die Leds kommen noch kleine Reflektoren (knapp 18mm Durchmesser, habe ich gerade bei DX bestellt), damit das Licht fokussiert wird und sich nicht im Raum verliert.

Laut meiner Überlegung müssten die Leds von außen nach innen um ca. 8 Grad geneigt werden. Die Fokussierung durch die Reflektor wurde nicht einkalkuliert.

Zugrunde gelegt hatte ich, dass eine Led mit 90 Grad Abstrahlwinkel auf 1m Entfernung einen Leuchtfleck von 2m Durchmesser (1m ab gedachter Senkrechten zu jeder Seite) produziert. Bei 1,41m Entfernung und nur 0,5m Leuchtfleckgröße müsste das 7,98 Grad zu jeder Seite sein.

Rechnung:
90 Grad / ((1,41/1) / (0,5/2)) / 2 = 7,98 Grad bis zur gedachten Senkrechten.

Edit:
Rechnungsweg aus Excel falsch abgeschrieben.

[Borax]

Also bei 1.41m Abstand zwischen Lichtquelle und 'Auftreffpunkt' und einem LED Abstand von wenigen cm kannst Du die LEDs vmtl. plan montieren und die 'Ausrichtung' über die Reflektoren machen. Die 'Schiefe' die Du brauchst liegt bei etwa 1-2°(!)
Wenn Du einen Keil machen wolltest, der die Star-Platinen (20mm Durchmesser) entsprechend 'verkippt' müsste die 'angehobene' Seite etwa 0.5mm höher liegen. Man kann das exakt ausrechnen, aber ich bin mir schon nicht sicher ob der 90° Winkel zwischen Star-Platine und 'Lichtpunkt' auf 1° genau ist...

[EDIT]
Wie kommst Du auf 8°???

Ist IMHO klassische Trigonometrie:
sin(x)=4cm/141cm=0.028
arcsin(0.028)=1,6°

[Larkin]

Wir verwenden nur WLK von Loctite und da gibts exakte Datenblätter und nen sehr guten Support bei Henkel.

Wenn du die Möglichkeit hast Gewinde zu schneiden, würd ich alles mit Schrauben machen. Da überwiegen die Vorteile eindeutig.

[Achim H]

Mit Trigonometrie hatte ich es nie so sonderlich, aber blöde bin ich deswegen noch lange nicht. Man weiß sich schließlich zu helfen.

Gerechnet hatte ich wie folgt (bildlich gesehen):

Winkel.PNG

Die diagonalen Ecken eines Quadrat sind in 45 Grad angeordert. Wenn man dieses Quadrat auf die andere Seite spiegelt ergeben beide Winkel zusammen genau 90 Grad. Wenn diese 90 Grad den Abstrahlwinkel definieren, müssen die Grundflächen der Quadrate die Leuchtfleckgröße und die Höhe der Quadrate dem Abstand entsprechen.

Verändert man eine der beiden Parameter (entweder den Abstand und/oder die Leuchtfleckgröße) ändert sich auch der Winkel.

Als Rechnung:
90 Grad / ((1,41 / 1) / ( 0,5 / 1)) = 15,957 Grad.

Über die gedachte Senkrechte entsprechend die Hälfte von 15,957 Grad und das sind 7,979 aufgerundet 7,98 Grad.

[Sailor]

Wie Du oben geschrieben hast willst Du ausrechnen/ausmessen, wie weit die von Dir eingezeichnete schwarze Linie aus der Senkrechten kommen muss, damit das Zentrum aller Lichtkegel an einem Punkt auf der Arbeitsplatte liegt?

[Achim H]

Dreh die Quadrate auf den Kopf dann hast Du die Lösung. Der Fokus ist entsprechend dort wo die roten Linien zusammentreffen.

[Sailor]

Deine Berechnung beschreibt, wie wie der Abstrahlwinkel geändert werden muss, damit bei größerem Abstand die gleiche Fläche beschienen wird.

Wenn Du 8° neigst, überschneiden sich die Lichtkeile.

Dein Dreieck ist 4 cm oben und 141 cm in der Mittellinie. Daraus bekommst Du 2 rechtwinklige Dreiecke mit 2 cm und 142 cm, aus denen Du den Neigungswinkel bestimmen kannst.

[Achim H]

Oh man, bin ich blöd. Hast recht. Ich muss vom Abstand der Leds ermitteln.
Und das ergäbe nur eine läppische Winkeländerung von 0,638 Grad für jede Led, in Summe 1,276 Grad.

[Sailor]

Nö, blöde ist das nicht. Manchmal verfängt man sich halt in einem Gedanken. Da hast Du mich auch schon mal rausgeholt.
Es ist doch schön, wenn das Forum auch in solchen "Randbereichen" funktioniert.

[Achim H]

Sodele, ich habe mal eben meine Berechnung als Excel-Datei (Open-Office-Calc) fertig gemacht.

Leuchtfleck.xls

Update vom 05.09.2017

[Borax]

Sorry, aber ich versteh Deine Datei nicht.
Nehmen wir mal einen 'Standardfall': Led mit 20° Öffnungswinkel; 50cm Abstand von Led zum 'Auftreffpunkt'
Wenn ich in Deiner Datei auf dem Blatt 'Leuchtfleck' den Abstand 50cm und einen Winkel von 20° eingeben erhalte ich als Leuchtfleckgröße 88,9cm (was absolut falsch wäre). Wenn ich jetzt den Abstand auf 100cm vergrößere, bekomme ich als Leuchtfleckgröße 44,4cm?!
Abgesehen davon kann man mit Winkeln so nicht rechnen. Wenn das funktionieren würde, hätte die Mathematik nie Trigonometrie entwickeln müssen.
Hier mal eine sehr genaue Zeichnung:

Diese Zeichnung bezieht sich auf das oben genannte Beispiel (20° Öffnungswinkel; 50cm Abstand von Led zum 'Auftreffpunkt')
20° Öffnungswinkel bedeutet 2α = 20° also α=10°. Abstand x = 50cm
Die Leuchtfleckgröße (Abstand y) berechnet sich dann so:
Abstand y = Tan(α) * 'Abstand x' * 2; hier also: Tan(α)=0.176; 'Abstand x' =50cm; 2 * 50 * 0.176 = 17.6cm
Bei Abstand x=100cm ergibt sich die doppelte Leuchtfleckgröße also 35.2cm (der Teil der Gleichung ist linear)
Nehmen wir dagegen mal als Öffnungswinkel 100° (bei immer noch 50cm Abstand) dann ergibt sich:
Tan(50°)=1.192; 'Abstand x' =50cm; 2 * 50 * 1.192 = 119.2cm (wäre das mit dem Winkel linear, dann müsste sich ja 5* der Wert von 20° ergeben, das wären aber 'nur' 88.2cm)

Um jetzt den 'umgekehrten' Fall (entsprechend Deiner ursprünglichen Frage) zu berechnen: Wenn 'Abstand x' und 'Abstand y' vorgegeben sind, wie groß ist dann der Öffnungswinkel (2α) bzw. der 'Verkippungswinkel' α?
Wenn man die Stärke des Keils vernachlässigt (siehe unteren Teil der Zeichnung mit der blauen Linie wo sich eine verkürzte Strecke z' zwischen LED und 'Auftreffpunkt' ergibt) dann gilt:
α = Arctan('Abstand y' / 'Abstand x' / 2)

Bei Deiner Frage: 'Abstand x'=141cm und 'Abstand y' =4 cm also:
α = Arctan(4 / 141 / 2) = Arctan(0,01418) = 0.81°; Gesamtwinkel 2α also 1.6° was ich ein paar Posts weiter oben schon mal ausgerechnet hatte...

(siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Trigonometrie)
Falls jemand das braucht, kann ich auch eine EXCEL-Datei hierzu zusammenstellen.

[Achim H]

Habe die Datei überarbeitet.

Zur Erklärung:
Bei 90 Grad Abstrahlwinkel und 1m Entfernung wird ein Leuchtfleck von 2m Durchmesser erzeugt.
Verändert man den Abstand auf 10cm (= 1/10 von 1m), muss bei gleichem Winkel der Leuchtfleck um den gleichen Faktor (also 10) abnehmen. Vergrößert man den Abstand um den Faktor 10, muss auch der Leuchtfleck um den gleichen Faktor zunehmen. - logisch oder?

Das gleiche funktioniert ebenfalls mit dem Abstrahlwinkel. Und das funktioniert auch mit der Größe des Leuchtfleck.

Ein paar Beispiele (sowas kann man im Kopf rechnen):
Ausgangssituation (das Model mit den Quadraten, siehe oben): 90 Grad Abstrahlwinkel --> 1m Abstand = 2m Leuchtfleck
Bei Veränderung von nur einem Wert (der 2. Wert ist statisch) wird auch der 3. Wert um den gleichen Faktor geändert.

45 Grad (= 1/2 von 90 Grad) --> 1m Abstand --> 1m Leuchtfleck (= 1/2 von 2m)
9 Grad (= 1/10 von 90 Grad) --> 1m Abstand = 20cm Leuchtfleck (= 1/10 von 2m)
90 Grad --> 2m Abstand (= das doppelte von 1m) --> 4m Leuchtfleck (= das doppelte von 2m)
90 Grad --> 5cm Abstand (= 1/20 von 1m) --> 10cm Leuchtfleck (= 1/20 von 2m)
45 Grad (= 1/2 von 90 Grad) --> 50cm Abstand (= 1/2 von 1m) --> 2m Leuchtfleck
usw.

Bei Veränderung von 2 Werten wird der 3. Wert um die Multiplikation der beiden anderen Werten geändert.

Zwei Beispiele:
9 Grad (= 1/10 von 90 Grad) --> 10cm Abstand (= 1/10 von 1m) --> 2cm Leuchtfleck (= 1/10 * 1/10 = 1/100 von 2m)
9 Grad (= 1/10 von 90 Grad) --> 10m Abstand (10 fache von 1m) --> 2m Leuchtfleck (= 1/10 * 10 = Faktor 1)

[T.Haid]

Bitte Topic beachten: finde das Thema "Abstrahlcharakterisitik etc" auch sehr interessant, aber das gehört dann in einen neuen Trööt, wenn schon denn schon

[Borax]

Das gleiche funktioniert ebenfalls mit dem Abstrahlwinkel. Und das funktioniert auch mit der Größe des Leuchtfleck.

NEIN!

Ausgangssituation (das Model mit den Quadraten, siehe oben): 90 Grad Abstrahlwinkel --> 1m Abstand = 2m Leuchtfleck

Das stimmt. Weil hier ist der halbe Abstrahlwinkel (in meiner Zeichnung α) 45° und tan(45°)=1 daher:
Leuchtfleck = tan(45°) * Abstand (=1m) * 2 = 2m
ABER:

45 Grad (= 1/2 von 90 Grad) --> 1m Abstand --> 1m Leuchtfleck (= 1/2 von 2m)

Das stimmt nicht!
Leuchtfleck = tan(22.5°) * Abstand (=1m) * 2 = 0,414 * 2 = 0,83m Leuchtfleck !
Wenn Du es nicht glaubst, nimm ein Geo-Dreieck, zeichne es auf und miss nach...
Du kannst auch die Zeichnung unten ausdrucken und nachmessen:

LedWinkel2.png (11.03 KiB) 20751 mal betrachtet

oder nimm ein brauchbares Zeichenprogramm wie z.B. Inkscape und probier es damit selbst aus...

@T.Haid
Dann bitte in einen neuen Thread verschieben...

[Achim H]

Ich denke immer noch, dass der Fehler in Deiner Rechnung zu suchen ist. Laut Excel beschreibt Tangens den Winkel im Bogenmaß. Weiterhin steht dort, dass, wenn der Winkel als Gradzahl vorliegt, dieser mit Pi multipliziert und anschließend durch 180 geteilt werden muss. Und erst aus diesem Ergebnis kann Tangens ermittelt werden.

Formel:
=TAN(45*PI()/180)
Alternative Formel:
=TAN(BOGENMASS(45))
Ergebnis bei beiden: 1

Wenn wir eine Wand rechtwinklig anleuchten haben wir aber kein Bogenmaß. Weder hören die seitlichen Lichtstrahlen (siehe: Länge z in Deiner ersten Zeichnung) vor Erreichen der Wand einfach auf, noch wird durch den Lichtkegel eine kugelförmige Delle in der Wand produziert.

[Borax]

Ich hab selbstverständlich mit 'echten' Grad gerechnet (sprich in Excel in das Bogenmaß umgerechnet)
Formel:
=TAN(45*PI()/180)=1
(Nichts anderes hab ich behauptet)
Dann probier mal:
=TAN(22,5*PI()/180)=0,414 NICHT 0,5!!!

Der 45° Winkel (hier in der Rechnung) entspricht ja genau einem Öffnungswinkel von 90°
Ein Öffnungswinkel von 45° muss dann als Tan(22,5°) berechnet werden (halbes Dreieck) und dafür die Strecke für den Leuchtfleck verdoppelt werden (daher immer der Faktor 2 in den oben angegebenen Formeln)

Wie gesagt, wer es nicht glaubt, möge bitte nachmessen.

[EDIT]
Oder falls Dir ein mathematischer 'Gegenbeweis' lieber ist:
90 Grad Abstrahlwinkel --> 1m Abstand = 2m Leuchtfleck
=> Doppelter Winkel = Doppelte Größe des Leuchtflecks?
180° => 4m Leuchtfleck?

[Achim H]

#!HAGRRR#

Schon schlecht, wenn man sich mit Trigo-dingsbums nicht oder nicht so gut auskennt. Aber so langsam glaube ich schon, das Du doch recht hast. Ich könnte diesbezüglich Hilfe gebrauchen (habe mit sowas das letzte Mal zur Schulzeit zu tun gehabt und das ist schon über 30 Jahre her).

[Borax]

Kein Problem, ich helfe ja gerne!
Du musst mich aber bitte verstehen, dass ich da so 'drauf rumreite' (richtet sich nicht 'gegen' Dich), schließlich lesen das auch andere und die sollten dann möglichst schon die korrekten Werte ermitteln können.
Also falls noch was unklar ist, nur weiter fragen!