Harold Edgerton, Erfinder des Elektronenblitzes und Wegbereiter der modernen Kurzzeitfotografie

H.E. Edgerton in seinem Labor
(C) Courtesy MIT Museum

Vom Vacu- zum LED-Blitz

Noch bis ins 20. Jahrhundert hinein war der »antike« Funkenblitz Stand der Technik, wenn es um sehr kurze Blitzimpulse ging. Wer so etwas brauchte, war auf diese Uralttechnik angewiesen, denn es gab schlicht nichts anderes. Der Vacublitz, die einzige Alternative im Blitzsektor, war dank seiner langsam abbrennenden Magnesiumfäden alles andere als geeignet für schnelle Vorgänge.

Das änderte sich erst in den dreißiger Jahren, als der amerikanische Ingenieur Harold Eugene Edgerton bei seinen Untersuchungen mit verschiedenen Gasentladungsröhren das Edelgas Xenon einsetzte. Damit war der Elektronenblitz erfunden.
Es dauerte dann noch bis 1945, als Edgerton sein Patent freigab und der Elektronenblitz langsam in die normale Fotografie Einzug halten konnte. Als Energiespeicher stand damals hauptsächlich der Papierkondensator zur Verfügung, der eine geringe Kapazität, aber eine recht hohe Spannungsfestigkeit besaß. Das Resultat waren energiereiche Blitze in der Größenordnung 1/5000s und weniger, die gut für schnelle Ereignisse geeignet waren.
Mit dem Einzug des hochkapazitiven Elektrolytkondensators in die Blitzgeräte konnte die Spannung gesenkt werden, ohne daß Energie verlorenging. In der Konsequenz stieg aber die Leuchtzeit stark an und lag nur noch bei ca. 1/1000s – für schnelle Objekte viel zu lang.

Die Elektronik hilft

Die »Rettung« kam, als die Fa. Rollei Anfang der 60er Jahre den sog. Computerblitz in Deutschland einführte. Mit einem Computer hatte er natürlich nichts zu tun, er besaß lediglich eine variable Blitzdauer zur Belichtungsregelung, mit der sich Zeiten bis herunter zu 1/20000s erreichen ließen. Aus der Sicht der Highspeed-Fotografie war das ein großer Vorteil, obwohl die Regelung voll zu Lasten der Blitzleistung ging. Um wieder auf eine akzeptable Lichtmenge zu kommen, müssen mehrere Blitzgeräte parallel betrieben werden.
Ein zweiter Punkt, wo die üblichen Systemblitzgeräte zu wünschen übrig lassen, ist der Stroboskop-Modus. Während ältere Geräte wie der Metz 40MZ nur auf eine Blitzfrequenz von 30Hz kommen, schaffen modernere wie der Nikon SB-800 immerhin 100Hz. Leider blitzt jedes Gerät völlig autark, eine Kombination mehrerer Geräte zur Erhöhung der Lichtleistung ist im Stroboskop-Modus nicht möglich.
Weil der Umbau eines industriell hergestellten Blitzgerätes so gut wie unmöglich ist, wäre ein Versuch mit der neuen Wunderwaffe der Lichterzeugung, der LED, interessant. Diese Bauelemente haben in den letzten Jahren Einzug in viele Leuchtmittel gehalten, nur in Blitzgeräten sind sie so gut wie nicht zu finden. Woran es liegt, soll mit einem Testaufbau herausgefunden werden.

Mit der Cree XM-L2, einer der derzeit effektivsten LEDs, ergeben sich folgende Werte:

Flußstrom IF

0,7A

2A

3A

6A

Flußspannung UF

2,85V

3,15V

3,35V

3,5V

Leistung P

2W

6,3W

10W

20W

Lichtstrom ɸ

370lm

776lm

1200lm

1770lm

Effizienz η

158lm/W

123lm/W

104lm/W

88lm/W

Die Tendenz ist ersichtlich: Mit steigendem Flußstrom IF steigt zwar der Lichtstrom ɸ, aber die Effizienz sinkt. Die am Anfang noch relativ lineare Zunahme von ɸ nähert sich asymptotisch einem Maximalwert an, d.h. immer mehr elektrische Leistung wird in Wärme statt in Licht umgesetzt. Bis die Diode irgendwann in »Sättigung« geht und schließlich durchbrennt.
Die Zahlen zeigen aber auch, daß die absolute Lichtabgabe einer Einzeldiode nur relativ gering ist, besonders wenn sie im Sinne einer hohen Effizienz mit wenig Strom betrieben wird. Eine Stromspar-Diode taugt aber genauso wenig für ein Blitzgerät wie ein Spritspar-Auto für ein Formel1-Rennen.

Belichtungsregelung durch Abschalten des Stroms Belichtungsregelung durch Abschalten des Stroms
Entladekurve eines Metz 40MZ-3i Und das Ergebnis: Metz 40MZ-3i mit einer Blitzdauer von 1/6000s (Teilleistungsstufe 1/16)

Der Ausweg

In beiden Fällen hilft nur mehr Leistung. Was beim Auto mehr Zylinder sind, ist bei einer LED die »Chip-On-Board«-Technologie, bei der statt einem einzigen viele LED-Chips direkt auf das Substrat gesetzt und vom Hersteller verdrahtet werden. Das Ergebnis ist eine COB-LED, quasi eine Super-LED mit zwei Anschlüssen, die aber intern aus vielen Dutzend oder gar Hunderten Einzel-LEDs besteht.

Eine derartige COB-LED, die Luminus CHM-27, sollte zeigen, wie sie sich im Blitzbetrieb schlägt. Dabei interessierten besonders die Leuchtzeiten unterhalb 20µs, also dort, wo das herkömmliche Xenon-Blitzgerät allmählich an seine Grenzen stößt.
Das Keramiksubstrat der LED besitzt die Abmessung 31,5x31,5mm² mit einer leuchtenden Fläche von 29,5mm Durchmesser. Schon bei der Nennleistung von 100W (2,7A bei 37V) erreicht sie einen Lichtstrom von fast 13000lm, der sich bei der lt. Manual noch zulässigen maximalen Dauerleistung von 150W (4A bei 37,5V) um das 1,4fache auf über 18000lm erhöht. Die Lichtausbeute sinkt dabei zwar von 130lm/W auf 120lm/W, ist aber immer noch sehr hoch. Die enorme Abwärme muß natürlich über einen Kühlkörper abgeführt werden, damit die LED nicht den Hitzetod stirbt.
Mit ihrer Helligkeit gehört die LED eindeutig in die Kategorie der »Lichtmonster«, von denen man die ungeschützten Augen fernhalten sollte. Wenn unbedingt ein Blick auf die leuchtende Fläche sein muß, dann nur mit einer Augenschutzfolie, wie sie zum Beobachten einer Sonnenfinsternis benutzt wird.

Obwohl die Lichtemission schon bei Nennleistung enorm ist, soll sie für den Blitzeinsatz weiter gesteigert werden. Das ist nur noch im Pulsbetrieb möglich, in dem die Verlustleistung über das Ein/Aus-Tastverhältnis gemittelt wird. Die mittlere Leistung aber hin oder her – mit steigendem Strom steigt natürlich die interne Belastung der Bonddrähte und der vielen Einzel-LEDs stark an. Solange die vom Impuls erzeugte Wärme von den LED-Chips bzw. dem Substrat aufgenommen werden kann, ist die Welt der LED noch in Ordnung, übersteigt die kurzzeitige Energiezufuhr aber den »letalen« Maximalwert, brennt sie durch. Wo dieser Schwellwert liegt, kann nur geschätzt werden, denn im Datenblatt wird zu derartigen Betriebsbedingungen weit außerhalb der Spezifikation nichts oder nur wenig ausgesagt.

Der Versuchsaufbau

Um diesen Wert nicht sofort zu überschreiten, wurde die Testschaltung sehr »konservativ« ausgelegt. Als Energiespeicher dient ein 3,3µF-Kondensator, der per Abgriff auf 65V, 130V oder 195V aufgeladen wird. Die Energie liegt damit zwischen 0,007Ws und 0,07Ws.
Damit die Entladung kontrolliert abläuft, liegt die LED im Querzweig einer H-Brücke aus schnellen Leistungs-FETs, die von einem Mikrocontroller angesteuert wird. Damit kann der Strom beliebig ein-, aus- und sogar umgepolt werden. Der µC ist schnell genug für Impulse bis herunter zu 0,5µs.

Der Entladestrom läßt sich direkt an einem Shunt-Widerstand von RSH=0,01Ω messen. Das erzeugte Licht wird mit einer Hamamatsu-Fotodiode mit Korrekturfilter gemessen. Sie steuert einen schnellen Operationsverstärker (OPV) an, dessen Ausgangsspannung linear der Lichtstärke folgt. Zur Anzeige dient ein digitales Tektronix-Speicheroszilloskop (DSO).

Vollbrücke zur Stromsteuerung der LED #1: Strom fließt über Q3, die LED und Q2 nach Masse. Die LED leuchtet
Vollbrücke zur Stromsteuerung der LED #2: Q3 aus, der Strom ist unterbrochen
Vollbrücke zur Stromsteuerung der LED #3: Q1+Q2 ein, Kurzschluß der LED

Im ersten Schritt wurde der Kondensator auf 65V aufgeladen und komplett über die LED (gemäß Bild #1) entladen. Visuell zu sehen war nur der Hauch eines Lichtscheins, den nicht einmal die Fotodiode registrierte. Bei 130V und 0,03Ws war der Lichtpuls schon wesentlich stärker und die FD lieferte eine erste Entladekurve (Bild #4 re.u.). Die zugehörige Spannung am Shunt RSH lag bei USH=0,12V, was einem Strom von 12A entsprach. Im letzten Schritt wurde die Spannung auf 195V hochgesetzt, womit die Amplitude der Lichtkurve quasi verdoppelt wurde (Bild #4 re.o.). Mit USH=0,32V lag der Entladestrom bereits bei 32A. Die Fläche unter der Entladekurve repräsentiert dabei die abgegebene Lichtenergie. 
Da die LED auch nach hunderten Blitzen noch funktionierte, wurde die höchste Spannung beibehalten. 

#4
re.o.: Entladung bei Uc=195V
re.u.: Entladung bei Uc=130V
#5
o: Strom aus nach 20µs bzw. 10µs
u: Kurzschluß der LED 
#6
o: Strom aus nach 5µs bzw. 2,5µs
u: Kurzschluß der LED 

In den folgenden Schritten wurde der Strom nach 20µs bzw. 10µs abgeschaltet und die zugehörige Lichtemission gemessen. Man erkennt, daß das Licht noch ca. die doppelte Zeit nachleuchtet (Bild #5 oben). Die Ursache dürfte in der »Überschwemmung« des pn-Übergangs mit Ladungsträgern liegen, die nach einer bloßen Unterbrechung des Stroms nicht urplötzlich verschwinden. Erst bei einem Kurzschluß der LED werden die freien Ladungsträger aus dem PN-Übergang ausgeräumt und die Lichtemission kommt zum Erliegen (Bild #5 unten). Ein kurzzeitiges Umpolen des Stroms brachte keine sichtbare Verbesserung zum einfachen Kurzschluß.

Dasselbe wurde mit den noch kürzeren Zeiten 5µs und 2,5µs wiederholt, wobei beim bloßen Ausschalten kaum noch ein Unterschied festzustellen ist (Bild #6 oben). Die Lichtemissionen ähneln mit 21µs bzw. 17µs fast schon Sinushalbwellen. Erst mit einem Kurzschluß der LED werden die gewünschten »richtigen« Blitzzeiten erreicht (Bild #6 unten).
Die Anstiegszeit des Lichtimpulses beträgt ca. 10µs, bei kürzeren Leuchtzeiten erreicht die Lichtintensität nicht mehr das Maximum. Die Energie dieser extrem kurzen Lichtpeaks ist dementsprechend gering.

Schlußfolgerungen

Von der im Kondensator enthaltenen Energie von 0,07Ws wird nur gut ein Drittel in der LED umgesetzt (ELED=IFxUFxt, 32Ax39Vx20µs≈0,025Ws), der Rest geht hauptsächlich in den beiden beteiligten Transistoren und der LED selbst als Wärme verloren. Die übriggebliebene Nutzenergie wird während der Leuchtzeit in eine Pulsleistung von 1250W umgesetzt, was bei einer geschätzten Lichtausbeute von 100lm/W einem Lichtstrom von ɸ=125000lm entspricht. Zum Vergleich: Ein Systemblitzgerät mit Xenonröhre besitzt bei derselben Blitzzeit noch eine Energie von ca. 0,5Ws, die in eine Pulsleistung von 25000W umgesetzt wird. Bei 50lm/W ergibt das 1250000lm, also den zehnfachen Wert der LED. In der Realität dürfte die Effizienz der LED eher in der Nähe der Xenonröhre liegen, womit sich die Lichtausbeute noch einmal halbiert. Grob geschätzt gibt die COB-LED im Blitzbetrieb 10-20mal weniger Licht ab als eine Xenonröhre.

Ein absoluter Vergleich mit anderen Lichtquellen ist schwierig. Dazu müßte man die gesamte abgegebene Lichtmenge messen, Stichwort Ulbricht'sche Kugel. Weil die zufällig gerade nicht zur Verfügung stand, mußte eine weiße Wand als »Kugelersatz« herhalten. Natürlich ist diese Methode alles andere als empfehlenswert, für einen ungefähren Vergleich sollte es aber reichen.
Die Wand wurde mit der LED aus einer Entfernung von 25cm mit einem Blitz von 20µs beleuchtet, wobei der Sensor so positioniert wurde, daß das diffus reflektierte Licht auf dem DSO ein gut ausgesteuertes Signal hervorrief. Als Vergleichsgerät diente ein Nissin i40, das in der Leistungsstufe 1/256 auf eine Blitzzeit von 17µs kommt. Um dieselbe Signalstärke auf dem Oszi zu erzeugen, mußte der Xenonblitz aus einer Entfernung von 1,5m blitzen.
Bei einer sechsmal größeren Entfernung war er gemäß Abstandsgesetz 62, also 36mal stärker als die LED. Natürlich besaß das Blitzgerät einen Reflektor und war damit im Vorteil gegenüber der diffus abstrahlenden LED, aber auch ohne Reflektor dürfte ein Faktor von 10-20 übrigbleiben. Und das stimmt dann wieder recht gut mit der o.g. Abschätzung überein.
Woran man natürlich immer denken sollte ist, daß es sich bei dieser COB-LED nicht um eine LED handelt, sondern um über hundert. Die LED ist also derzeit noch kein ernstzunehmender Konkurrent für den Xenonblitz.

Was könnte aber getan werden, um das zu ändern?

  • Erhöhung der Effizienz, also mehr Licht pro Watt. Aus physikalischen Gründen liegt das theoretische Maximum bei 683lm/W, wobei das nur für monochromatisches Gelbgrün-Licht von 555nm gilt. Weiße LEDs dürften kaum die Hälfte erreichen.
  • Mehr Einzel-LEDs kombinieren. Doppelt so viele LEDs erzeugen doppelt so viel Licht.
  • Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades, real liegt er bei 30-50%. Nicht umsonst erhitzen sich Power-LEDs im Dauerbetrieb enorm und benötigen eine massive Kühlung.
  • Der resultierende Flußstrom bei UC=200V dürfte die LED noch nicht in die Sättigung getrieben haben. Zur weiteren Erhöhung des Stromes und damit der Lichtemission könnte die Spannung am Kondensator auf 400V angehoben werden. Allerdings kommt man dann schon wieder in die Regionen der Xenonröhre. Ein positiver Nebeneffekt einer höheren Spannung wäre aber eine kürzere Anstiegszeit, was förderlich für sehr kurze Blitzzeiten ist.
  • Die LED muß nicht in einer Brückenschaltung betrieben werden, das war nur zum Testen notwendig. Im Endeffekt reicht ein Transistor im Längszweig, was die Verluste vermindert. Der Shunt-Widerstand kann natürlich auch entfallen.
  • Optische Elemente zur Lichtkonzentration, z.B. Reflektor

Wird also die LED die Xenonröhre einholen oder gar überholen? In punkto Effizienz liegt sie schon vorn, allerdings nur bei kleinen Strömen. Hier offenbart sich der prinzipielle Unterschied der Lichterzeugung zwischen einer LED und einer Gasentladungsröhre. Die LED ist ein System, das umso besser funktioniert, je geordneter es ist. Ein hochreiner Kristall, möglichst ohne Fehlstellen, der ganz gezielt mit bestimmten Atomen dotiert wird, um einen pn-Übergang zu erzeugen, an dem die Photonen emittiert werden. Quasi ein System mit niedriger Entropie, das eine niedrige Temperatur voraussetzt. Der Strom wirkt dem entgegen, kaum daß er fließt. Er führt dem System Wärme zu, die die Entropie erhöht und das innere Gefüge zerstört. Mit steigender Temperatur sinkt aber die Zahl der Rekombinationen im PN-Übergang, bei denen Photonen erzeugt werden. D.h. je heißer der Chip, desto weniger Licht. Langfristig befördert die Zerstörung des Kristallgefüges die sog. Degradation - die Verkürzung der Lebenszeit durch abnehmende Lichtemission.

Das genaue Gegenteil der LED ist die Gasentladungsröhre. Was bei der LED stört, davon lebt die Xenonröhre. In ihr leuchtet ein stark erhitztes Plasma, noch mehr Unordnung gibt es nicht. Wo also ohnehin keine Ordnung herrscht, kann sie auch nicht zerstört werden. Ganz im Gegenteil, höhere Energie bedeutet höhere Temperatur und damit steigende Lichtemission.
Natürlich besitzen auch Xenonröhren eine Degradation, die aber nicht vom Abbau einer inneren Ordnung, sondern von der schlichten mechanischen Haltbarkeit der Materialien bestimmt wird. Dazu kommt, daß das Spektrum der Xenonröhre von Haus aus nahezu ideal für fotografische Zwecke geeignet ist und nicht erst mit lichtschluckenden Verfahren angepaßt werden muß wie bei der weißen LED.

Die LED ist noch lange nicht am Ende ihrer Entwicklung angelangt, aber Wunder sind wahrscheinlich nicht mehr zu erwarten. Für allgemeine Beleuchtungszwecke, bei denen eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer bestimmend sind, liegt die LED gut im Rennen. Als Ersatz für die Xenon-Blitzröhre dürfte sie es - von Nischen-Anwendungen abgesehen - eher schwer haben.