Superkondensatoren verbessern Blitzlicht-LEDs

Xenon braucht Hochspannung

Bei einem Xenon-Blitzlicht wird zunächst ein Elektrolytkondensator auf 330 V aufgeladen. Dieser wird dann über eine mit Xenongas gefüllte Röhre entladen, um einen sehr hellen Blitz zu erzeugen, der auf 1 m Entfernung für eine sehr kurze Dauer von üblicherweise unter 100 µs eine Beleuchtungsstärke von mehreren 100 klx erzeugt. Um die Gasentladung auszulösen, ist eine Spannung von 4 kV bis 8 kV aufzubauen. Die hohe Energie, die bei 330 V gespeichert wird, stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Daher sind spezielle Vorkehrungen zu treffen, um ein Überspringen in andere Schaltkreise zu verhindern. Zudem ist der Elektrolytkondensator groß und hat für die flachen Mobiltelefongehäuse eine ungünstige Form.

Bei Einsatz eines Superkondensators zur Unterstützung des LED-Blitzes muss die Batterie lediglich den Ladestrom des Kondensators bereitstellen, und der Kondensator treibt die LED während des Blitzes. Durch seine hohe Kapazität stellt der Superkondensator genügend Energie zur Verfügung und hat wegen seines niedrigen Innenwiderstandes (ESR) genug Leistung, um den LED-Strom ohne beziehungsweise mit sehr wenig Unterstützung des Akkus zu liefern. Zwischen den Blitzen lädt der Akku den Superkondensator. Dazu ein Beispiel: Wenn ein Superkondensator mit 0,5 F sich während des Blitzes um 1 V entlädt, muss der Akku lediglich 250 mA erbringen, um den Kondensator nach 2 s wieder aufzuladen. Bild 2 zeigt den Stromverlauf von LED und Akku für einen LEDBlitz mit vier LEDs des Typs »Luxeon PWF1« mit 1 A. Der Strom des Akkus steigt nicht über 300 mA, und der gesamte Strom für den Blitz wird vom Superkondensator bereitgestellt. Mit dieser Lösung lassen sich für 100 ms Helligkeiten von mehreren 100 lx erzeugen.

Mit Hilfe eines kalibrierten Fotodetektors wurde die Beleuchtungsstärke von Fotohandys mit Xenon- bzw. LED-Blitzlicht in 1 m und 2 m Entfernung gemessen. Wie zu erwarten, ist die Beleuchtungsstärke bei 2 m ungefähr ein Viertel der Beleuchtungsstärke bei 1 m. Die Beleuchtungsstärke von Xenon-Blitzlicht ist sehr hoch, das «K800« von Sony Ericsson liefert in der Spitze 205 000 lx bei 1 m Abstand. Beleuchtungsstärke und Pulsweite sind direkt abhängig von der Größe des Speicherkondensators.

LEDs dagegen können eine nahezu konstante Beleuchtungsstärke für längere Zeit aufrechterhalten, sodass sie sich auch mit einem CMOSSensor ohne mechanischen Verschluss einsetzen lassen. Durch die Erwärmung der LED verringert sich die Beleuchtungsstärke mit der Zeit leicht. Diesem Effekt lässt sich entgegenwirken, indem man mit einem geringeren Strom beginnt, der während des Blitzes kontinuierlich erhöht wird. Standard-LED-Blitze wie beim »N73« von Nokia sind auf der Skala kaum messbar. Mit 1 W werden lediglich 16 lx auf 1 m Entfernung erzeugt, verglichen mit ungefähr 300 lx von zwei Hochleistungs-LEDs bei gleicher Entfernung. Doch das ist nicht schlimm: Entscheidend für die Bildqualität ist die Lichtmenge und nicht die gemessene Lichtstärke.

Der Bildsensor wird so angesteuert, dass zunächst jede Zeile nacheinander zurückgesetzt wird und im Anschluss daran der Controller die aufgenommene Lichtmenge in jedem Pixel anhand der Spannung misst. Dadurch nehmen die Sensorzeilen zu leicht versetzten Zeiten für einen konstanten Zeitraum Licht auf. Ein LEDBlitzlicht kann über die gesamte Verschlusszeit für konstante Beleuchtung sorgen. Ein Xenon-Blitz dauert lediglich einen Bruchteil einer Millisekunde. Daher muss der Xenon-Blitz so abgestimmt werden, dass er genau zu dem Zeitpunkt Licht erzeugt, an dem alle Zeilen des Sensors gleichzeitig Licht aufnehmen. Um zu vermeiden, dass die Sensorzeilen unterschiedlich belichtet werden, ist zusätzlich ein mechanischer Verschluss nötig.

Man beachte, dass die Verschlusszeit von 67 ms bis 133 ms vergleichsweise lang ist, und die Bildqualität unter der Handbewegung des Fotografen leidet. Xenon-Blitze sind daher für Bilder von bewegten Motiven vorzuziehen. Fotohandys werden allerdings oft eingesetzt, um posierende Freunde auf Partys, im Nachtclub usw. aufzunehmen, sodass Bewegung keine Rolle spielt und die Handbewegung des Fotografen von der Bildbearbeitungssoftware korrigiert werden kann. Mit einem Superkondensator am Bord lassen sich aber auch noch alle anderen Leistungsspitzen ausgleichen. Der DC/DC-Wandler versorgt den Superkondensator mit dem durchschnittlichen Leistungsbedarf, worauf der Superkondensator alle Leistungsspitzen ausgleichen kann. Der Superkondensator kann also einen Strom von 2 A für 0,577 ms bereitstellen, damit der Sendeverstärker auf eine Netzwerkanfrage reagieren kann, während gleichzeitig für 133 ms ein LED-Blitz mit 2 A ausgeführt wird. (rh)

Autoren:

Pierre Mars ist Vizepräsident für Application Engineering bei Cap-XX,
Dirk Akemann ist Line Manager Technik in der Abteilung Komponenten bei Unitronic

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