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Carl Zeiss

Der LED-Revolver - Umbau eines Zeiss HBO-Lampenhauses auf LED-Technik

Vorüberlegungen
Der Hobby-Fluoreszenzmikroskopiker kennt die gravierenden Nachteile der HBO-Lampen:
  • Sie sind nicht beliebig schaltbar. Häufiges Ein- und Ausschalten senkt die Lebensdauer drastisch, und der Neukauf einer HBO belastet den Etat mit 200 bis 300 Euro.
  • Nach dem Einschalten einer HBO ist eine gewisse Einbrennzeit abzuwarten, bis der Lichtbogen stabil brennt.
  • In bestimmten Wellenlängenbereichen hat die HBO nur geringe Emission, insbesondere bei der zur Chlorophyll-Anregung benutzten Wellenlänge von 470 nm.
  • Die Lebensdauer einer HBO ist begrenzt, bedingt durch die mit der Betriebszeit zunehmende Schwärzung des Lampenkolbens und Instabilität des Lichtbogens durch Elektrodenabbrand.
  • Das Lampengehäuse wird sehr heiß, denn die 50 bzw. 100 Watt elektrischer Leistung wollen abgeführt sein. Außerdem entsteht Ozon, bedingt durch die starke Emission im Kurzwelligen, die zudem fluoreszenzmikroskopisch überhaupt nicht nutzbar ist.
Dagegen sind LEDs schaltfest, haben eine sehr lange Lebensdauer und sind energieeffizient; die optische Energie z.B. einer 365-nm-LED wird fast ausschließlich auf dieser Wellenlänge abgegeben, mit einer spektralen Halbwertsbreite von nur 9 nm.

Aus diesen Gründen habe ich ein gebrauchtes HBO-100-Lampenhaus auf LED-Betrieb für Auflicht-Fluoreszenz umgebaut, das ich als defektes Teil für rund 100 Euro erstanden habe. Die Nutzung eines Original-Lampenhauses hat Vorteile, weil mechanische Befestigung und Zentrierung bereits vorhanden ist und insbesondere die optische Anpassung LED/Mikroskopbeleuchtung ideal ist. Der Lichtbogen der HBO hat nämlich in etwa die gleiche Fläche wie der LED-Chip, den man also nur noch an dieselbe Stelle wie die HBO platzieren muss. Wegen der begrenzten Leistung insbesondere der 365-nm-LED sollte die volle Lichtleistung auf das Präparat übertragen werden, mit einer gradienten-freien Ausleuchtung bis zum Gesichtsfeldrand, aber keinesfalls  mehr. Bei der 470-nm-LED mit 3 W (elektr.) bestehen dagegen ausreichende Leis- tungsreserven, die Anpassung ist weniger kritisch.

Die Wahl des Original-Lampenhauses hatte noch einen anderen Aspekt: das Mikroskop bleibt „stilrein“, ganz wichtig für jeden Mikroskopiker, der sein Instrument liebt.
Technische Realisierung
Ziel des Umbaus war, mindestens zwei Wellenlängen zur Verfügung zu haben, unter weitgehender Vermeidung von Justagen beim Wellenlängenwechsel; das System sollte möglichst einfach per PC zu steuern sein, hinsichtlich Wellenlänge, Lichtintensität und Schaltbarkeit der LEDs. Die Lösung war die Montage mehrerer LEDs auf einem drehbaren „Revolver“ mit Schrittmotorantrieb.
Mechanik
Abb. 2: Blick in das Innenleben: links Ringschwalbe mit Kollektor, in der Mitte Revolverscheibe mit Kupferplatte der UV-LED und Nase (oben) für die Lichtschranke, grüne Leiterplatte der Lichtschranke, darunter der Schrittmotor, 15-poliger Anschluß für die Steuerung, Grundplatte
Das Lampenhaus wurde zunächst vollständig ent- kernt, also Lampenhalterung, Hohlspiegel und Elektronik ausgebaut. Der Kollektor blieb natürlich an Ort und Stelle.
Die Lampenhalterung wurde dann derart aus Vier- kantstäben und einer dicken Aluminiumplatte nachgebaut, daß diese praktisch spielfrei in das Lampenhaus-Oberteil passte und über die vor- handenen Löcher befestigt werden konnte.

Auf dieser Grundplatte wurde ein Schrittmotor angeschraubt, ausgebaut aus einem defekten Drucker. Dessen Achse hält eine Aluminiumscheibe mit 70 mm Durchmesser und 8 mm Dicke, den eigentlichen LED-Revolver, auf den vier bis maximal fünf LEDs montiert werden können. Die LEDs werden dann so montiert, daß die Chips jeweils  in die optische Achse des Kollektors zu liegen kommen.
Die 470-nm-LED (3 Watt el.) auf Kühlstern ist einfach mit 2 Schrauben zu befestigen, die 365-nm-LED ist dagegen ein schwierig zu handhabendes SMD-Bauteil und nicht direkt anschraubbar. Deshalb  wurde ein Kupferblock genau passend gefräst, auf den die LED auf gelötet wurde.
Die Dicke dieses Blockes  wurde so gewählt, daß die Höhe des Emitter-Chips exakt zur 470-nm-LED paßt. Dadurch erreicht man die Parfokalität der LEDs, Nachfokussieren beim Wechsel der Wellenlängen ist deshalb praktisch nicht nötig.

Die Stromzufuhr von der festen Grundplatte zum drehenden Revolver erfolgt über ein mehrfach gewendeltes Bündel hochflexibler Kupferlitzen.
Zurzeit sind zwei LEDs montiert, für 365 nm und 470 nm, sowie ein Temperaturfühler. Geplant ist die Erweiterung mit einer Weißlicht-LED für Auflicht und eventuell einer 455-nm-LED.
Elektronik
Abb. 3: Blick auf die Revolverscheibe (noch im Rohbau; es fehlen Lichtschranke und Temperatur-fühler). Rechts auf der Scheibe der Kupferblock mit der UV-LED, vorn die 470-nm-LED. Die schwarzen Lamellen links stammen aus dem Originallampenhaus (lichtdichte Lüftungsschlitze). Der Schrittmotor liegt verdeckt unter der Revolverscheibe.
Das Gerät kennt beim Einschalten natürlich nicht die aktuelle Position der Revolverscheibe. Die Null- stellung wird deshalb als erstes bestimmt, indem der Revolver mit dem Schritt- motor so lange gedreht wird, bis eine am Revolver befestigte kleine Blechzunge eine Gabellichtschranke un- terbricht. Ein Softwarezähler wird dann auf Null gestellt; ab jetzt kann jede beliebig voreingestellte Position exakt angefahren werden, gesteuert über die Impulszahl an den Schrittmotor.

LED-Stromversorgung, Schrittmotor, Lichtschranke und Temperaturfühler sind über eine 15-poliges Kabel mit einem Elektronikgehäuse verbunden, das den Schrittmotortreiber, die LED-Stromver-sorgung (spannungsgesteuerte Stromquellen, regelbar bis max. 1 A) und eine Steuerplatine mit USB-Verbindung zum PC enthält. Zur Stromversorgung dient ein 12 V 2A-Steckernetzteil. Diese Einheiten wurden zugekauft; ein Selbstbau lohnt sich weder finanziell noch zeitlich.

Die LED-Platinen sind nur 20x40 mm groß, erzeugen praktisch keine Abwärme und finden deshalb zusammen mit der Schrittmotorsteuerung und einigen Bauteilen für Lichtschranke und Temperaturmessung auf einer 100x160mm Lochrasterplatine Platz. Bei der USB-Steuerplatine kauft man den Bausatz, dann kann man Anzeige-LEDs und USB-Anschluss über Kabel beliebig auf der Gehäusefrontplatte platzieren (beim Fertiggerät sind diese fest eingelötet). Diese Steuerplatine enthält je 8 digitale Ein- und Ausgänge, die für die Lichtschranke und die Schrittmotoransteuerung gebraucht werden (Drehrichtung und Taktimpulse). Außerdem sind zwei Digital-Analog-Wandler vorhanden, die die Steuersignale für die LED-Stromquellen liefern. Von den ebenfalls auf der Platine vorhandenen Analog-Digitalwandlern wird nur einer für die Temperaturmessung gebraucht.
Software
Abb. 4: Die Steuerungs-Software auf dem PC.
Mit der USB-Platine wird ein Software-Modul (DLL) geliefert, ansprechbar über Visual Basic, in dem auch das gesamte Programm erstellt wurde. Das Steuer- programm startet wie beschrieben mit der Null- stellung des Revolvers, berechnet dann die Im- pulszahl und Drehrichtung zur Einstellung der ge- wünschten LED-Position und fährt die LED in die optische Achse des Beleuchtungssystems. Über Software-Schieberegler und –Tasten werden die LEDs ein- und ausgeschaltet und die Intensität eingestellt.
Mit der Software kann LED-Position in tangentialer (Dreh-)Richtung korrigiert werden  (in Richtung der optischen Achse und radial ist die Position nicht veränderbar, die LEDs müssen vor dem Einbau sorgfältig einjustiert werden). Der Aufbau hat sich aber als so stabil erwiesen, dass keinerlei Korrekturen nötig sind.
Außerdem wird die Temperatur der Revolverscheibe gemessen, die ja die Abwärme der LEDs aufnehmen muss, so dass die LEDs beim Erreichen einer einstellbaren Grenztemperatur automatisch abgeschaltet werden können. Der zeitliche Temperaturverlauf wird in einer kleinen Grafik aufgezeichnet.
Die Software kann von Axiovision (Zeiss) heraus durch Anklicken eines „Icons“ gestartet werden, kann aber leider nicht die Steuerelemente von Axiovison nutzen.
Praxiserfahrungen
Ein klarer Nachteil dieser Revolver-Lösung ist die schlechte Wärmeabfuhr für die LEDs. Bekanntlich wirken sich höhere Betriebstemperaturen nachteilig auf die Lebensdauer aus, außerdem darf z.B. die 365-nm-LED bei 60 °C nur noch mit 420 mA betrieben werden (siehe Derating-Kurve, Datenblatt).
In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß hohe LED-Leistungen gar nicht erforderlich sind und oft dem Präparat sogar schaden. Falls nötig, z.B. zur Fotografie, kann man softwaregesteuert kurzzeitig auf Maximalstrom schalten.
Hier kommt uns auch die enorme Verbesserung des Wirkungsgrades der LEDs entgegen. Die erste UV-LED von Nichia habe ich 2006 zum Preis von 92,80 € gekauft; die optische Leistung betrug 120 mW bei 500 mA und 4 V. Die UV-LED von 2011 kostete 71,40 € und hat 370 mW (500 mA/4 V), also eine Verdreifachung der optischen Leistung bei gleicher elektrischer Leistung. Die gleiche Helligkeit erreicht man also mit viel weniger Strom und damit weniger Wärmeproduktion.
Bei Dauerbetrieb der 470-nm-LED mit 500 mA steigt die Revolvertemperatur innerhalb von 40 min von 27°C auf durchaus akzeptable 38°C, sodass auch längere ununterbrochene Beobachtungszeiten möglich sind.
Als etwas unkomfortabel zeigte sich die Steuerung über den Bildschirm; während bei der HBO nur ein Handgriff zum Filterschieber reicht, muss man hier auf dem Bildschirm aktiv werden. Hier ist eine automatische Einstellung durch optoelektronische Erkennung der Filterschieber-Stellung geplant, wodurch dann beim Filterwechsel automatisch die passende LED eingefahren wird.
Kosten
UV-LED Nichia NCSU 033BUaP9M 350 – 390 mWopt bei If = 500 mA, 71,40 €
LED blau ca. 10 € (Conrad)
Schrittmotorplatine (Robotikhardware) 43,85 €
Lampenhaus gebraucht 102 €
Stromversorgung (spannungsgesteuerte Stromquellen) 2x 14 €
USB-Platine (Velleman K8055) 25,17 € (Conrad)
Alu-Halbzeug, Schrittmotor, Kleinteile, Stecker: Schrottplatz
Alles in allem der Gegenwert einer neuen HBO-50.

Wenn Sie Fragen zu dem vorgestellten Umbau haben, kontaktieren Sie den Autor gerne über unsere Mailadresse info(at)mikroskopie-bonn.de.
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