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LED - Fahrradbeleuchtung
Version 1.4 / Januar 2009 / Michael Wandinger

Dieses Dokument soll einen möglichst einfach gehaltenen Leitfaden für den Selbstbau von LED-Fahrradbeleuchtungsanlagen bieten, wobei jedoch die grundsätzlichen Entwurfsentscheidungen dargestellt werden.
Es verzichtet daher weitestgehend auf Formeln und Berechnungen, ebenso auf detaillierte elektrische Schaltungsentwürfe.
Es ist damit keine "Fertig - Nachbau - Anleitung", sondern versucht das Gesamtverständnis zu fördern, also eine Anleitung zum Selber-Weiterentwickeln

Mittlerweile sind jedoch auch in Zusammenarbeit mit dem Liegerad- Velomobilforum fertige Bauanleitungen für Touchdown-Scheinwerfer entstanden:
Jetzt aber zu den Grundlagen.
  1. Warum das Ganze?
  2. Technische Grundlagen
    1. Vergleich von Wirkungsgraden bei der Lichterzeugung
    2. Elektrische Grundlagen
      1. LED-Elektrik
      2. Dynamos
      3. Batteriebetrieb
      4. Konsequenzen
      5. elektrische Grundschaltungen
      6. Kondensatoren für Standlicht
    3. Vergleich einiger Hochleistungs-LED
      1. Testreihe einiger dieser LED's
    4. Optische Eigenschaften
      1. Abstrahlcharakteristik
      2. Reflektoren / Optiken
    5. Vergleich von verschiedenen (LED-) Optiken
      1. Blendwirkung oder Reflektorauswahl
  3. Prototypen
  4. Und was kommt vorne raus?
  5. Rücklicht
  6. Gesetzliche Vorschriften in Deutschland zur Fahrradbeleuchtung
  7. Bewertung des Themas Blendung
  8. Kühlung der LED
  9. Danksagung
  10. Anhang

Warum das Ganze?

Herkömmliche Fahrradbeleuchtungsanlagen mit Glühbirnen/Halogenbirnen haben gleich mehrere Nachteile:
Bei diesen beiden Nachteilen setzt die Verwendung von LED-Leuchtmitteln an:
Der Wirkungsgrad liegt teilweise mittlerweile um einen Faktor 5 (!) über dem von Glühbirnen und die Lebensdauer der LED's liegt bei mehreren 10.000 Stunden! Allein letzteres erhöht die Verkehrssicherheit ungemein, da das Licht eben nicht unterwegs mal schnell eben kaputt geht. Es gilt dann nur noch, die im allgemeinen ebenfalls miserable Fahrrad-Verkabelung zuverlässiger zu machen.

Allerdings haben LED-Leuchtmittel auch völlig andere elektrische und optische Eigenschaften als Glühbirnen. Es ist also nicht damit getan, eine LED in eine Glühbirnenfassung "hineinzufummeln".

Last but not Least, gute kommerzielle LED-Scheinwerfer kosten Unsummen, der Selbstbau kommt deutlich preiswerter.


Technische Grundlagen

zunächst aber erst mal zu den technischen Grundlagen der Verwendung von LED's.
Wer es wirklich genau wissen will, sollte zunächst einmal die Fahrrad-Beleuchtungs-Gebetsmühle von Olaf Schulz studieren. Hier wurde eine ziemliche Menge Know How zur Fahrrad-Beleuchtung zusammengetragen und aufbereitet. Auch wenn über 400 Seiten mühsam zu sichten sind, ersparen sie doch manche Irrwege.

Vergleich von Wirkungsgraden bei der Lichterzeugung

ein kleiner Vergleich zum Stand der Technik verschiedener Prinzipien der Lichterzeugung

Prinzip
 lm/Watt
 %
Theoretisches Maximum bei 555 nm
 683
 100
Weisse LED - Luxeon III (2001)
 50
 7,3
Weisse LED - Cree XLamp7090XR-E (2006)
 80-90
 12,5
Halogen-Birne, Infrarot-geschirmt
 30
 4,4
Halogen-Hochdruck-Gasentladung (HID)
 80-90
 12,5
Glühbirne
 17
 2,5

Tatsächlich ist also noch viel Luft drin für neue Erfindungen und Optimierungen.
Die Zahlen sprechen zunächst einmal für HID-Lampen, allerdings stehen dem Nachteile für den mobilen Einsatz gegenüber:
- hohe Arbeitsspannungen, noch höhere Zündspannungen, deswegen komplexe Vorschaltgeräte, exzellente Isolierung notwendig
- Der Leistungsbereich beginnt bei 10W, also bleibt am Fahrrad nur Akku-Betrieb
- Zünddauer, keine Warm-Zündfähigkeit
- Erschütterungsempfindlicher Brenner
Bei KFZ sind diese Nachteile nicht ganz so gravierend, deshalb sind ja Xenon-Scheinwerfer schon fast Standard.

Ein gravierender Vorteil der HID-Lampen gegenüber LED-Leuchtmitteln bleibt bestehen: HID-Leuchtmittel haben die höchsten Leuchtdichten, weit über Halogen und noch mehr über LED.
LED-Leuchtmittel haben tatsächlich die geringsten Leuchtdichten. Deshalb muss man hier entweder höhere Streuung der Lichtkegel in Kauf nehmen oder größere Optiken bauen, was am Fahrrad oft nicht möglich ist.
Dieses Problem der LED-Technologie wird sich im gesamten Optik-Kapitel durchziehen.

Bei der LED-Technologie sind weitere Effizienzfortschritte wahrscheinlich, da die eigentliche Lichterzeugung mit nahezu 100%-Wirkungsgrad abläuft, und "nur" das technische Problem zu lösen ist, dieses Licht aus dem Halbleitermaterial hinaus zu bringen.
Bestätigt ist diese Annahme seit dem Auftauchen der Cree XLamp7080XR-E im November 2006 (bis zu 80 lm/Watt).
Die LED-Technologie hat dann für den mobilen Einsatz (zumindest am Fahrrad) massive Vorteile:
- Erschütterungsunempfindlich, hohe Lebensdauer
- niedrige Betriebsspannungen, Gleichstrom
Als Schwachpunkte sind hier zu sehen:
- stark temperaturabhängiger Wirkungsgrad, gute Kühlung vonnöten
- leuchtende Fläche größer als bei anderen Technologien, Optiken also schwerer zu designen bzw. größere Streuung

Glühbirnen hingegen haben fast nur Nachteile:
- bescheidener Wirkungsgrad
- begrenzte Lebensdauer
- Schlag- und Stoßempfindlich
Lediglich beim "antreibenden" Strom sind sie genügsam (unterschiedliche Spannungen, Gleich- und Wechselstrom) und in der aktuellen Variante Halogen übertreffen sie bei der Leuchtdichte die LED-Leuchtmittel

Elektrische Grundlagen

Für den Fall, daß der beginnende Beleuchtungskonstrukteur zuwenige Grundlagen aus dem Bereich der Elektronik mit sich bringt, hilft vielleicht ein längerer Ausflug nach Elektronik-Kompendium.de

LED-Elektrik

LED's haben wie bereits erwähnt, andere elektrische Eigenschaften als Glühbirnen. Glühbirnen sind im wesentlichen "ohmsche Widerstände", d. h. deren elektrischer Widerstand bleibt (bis auf die nicht unerhebliche Temperaturabhängigkeit) konstant. LED's besitzen eine sogenannte "Knickspannung". Unterhalb der Knickspannung sind sie sehr hochohmig und leuchten kaum, oberhalb der Knickspannung sinkt ihr elektrischer Widerstand stark ab, d. h. der durch sie fließende Strom erhöht sich stark. In diesem Bereich werden LED's mit dem besten Wirkungsgrad betrieben.

Anders formuliert: eine LED braucht eine gewisse Minimalspannung, sie hat einen typischen Spannungsabfall (etwa die Knickspannung), darüber aber steigt die Spannung kaum noch an, aber der Strom. Dies hat für die versorgende Spannungsquelle enorme Konsequenzen:

Dynamos

An dieser Stelle ein kurzes Abschweifen zu den elektrisch/mechanischen Eigenschaften der Fahrraddynamos, die immer noch die häufigste Energiequelle für Fahrradbeleuchtungsanlagen sind.
Viele Dynamos enthalten Spannungsbegrenzer, um Glühbirnen nicht zu beschädigen, das sind meist zwei gegeneinander geschaltete Zener-Leistungsdioden (mit Kühlblech), gegf. ausbauen, es ist allemal besser die Energie zu nutzen! Gute Nabendynamos enthalten keine.
Seitenläuferdynamos: nach den Messungen von Olaf Schultz liegt deren Wirkungsgrad typischerweise fast einen Faktor 2 unter dem von guten getriebelosen Nabendynamos wie dem SON. In der Praxis wirkt sich das so aus: bei Nabendynamos kriegt man weder einen Rollwiderstand mit noch merkt man akustisch, daß sie an sind, außerdem können Nabendynamos nicht durchrutschen.
Wer an guter Beleuchtung interessiert ist, sollte Seitenläuferdynamos meiden.

Batteriebetrieb

Immer öfter werden auch Batteriesätze oder noch eher Akku-Sätze für den Betrieb von Fahrradbeleuchtungen eingesetzt. Nachteil ist natürlich, daß sie immer dann leer sind, wenn man unmittelbar vor einer längeren Dunkelfahrt steht. Vorteil ist, daß man die Akku's auch für eine 10 Watt oder sogar 20 Watt-Lichtanlage dimensionieren kann, da hat man dann richtig Licht...
Wichtig ist hier die Akku-Technologie. Blei-Gel-Akkus sind wegen der geringen Leistungsdichte (hohes Gewicht) aus dem Rennen, NiCd-Zellen sind hochgiftig bei der Entsorgung und haben Memory-Effekte, die die Dauerfestigkeit oft herabsetzen. Verbleiben NiMh und Li-Ionen Akku-Zellen. Gute Li-Ionen-Akku's haben fast eine doppelt so hohe Leistungsdichte wie NiMh, dafür ist die Lebensdauer der Li-Ion-Akkus auf ca. 3 Jahre begrenzt. NiMh-Akkus leben bei guter Behandlung länger, sind aber wiederum kälteempfindlicher. Es mag sich hier jeder seine Akku-Technologie aussuchen, gute Informationen dafür sind unter http://www.batteryuniversity.com zu finden.

Konsequenzen

Es gilt nun, die elektrischen Eigenschaften der Dynamos (oder auch einer Batterie) an die der LED's anzupassen.
Oberster Grundsatz bei Eigenentwicklungen muss sein:
Hoher Wirkungsgrad, nichts ist am Fahrrad so wertvoll wie die menschliche Antriebsleistung (weil so begrenzt...), also auch die erzeugte elektrische Energie. Das gilt etwas weniger stark, wenn man eine Batterie für die Beleuchtung verwenden will, allerdings sind Batterien hübsch schwer und je mehr Gewicht, desto mehr Antriebsleistung und ....

elektrische Grundschaltungen

Mehrere Schaltungsfunktionen werden in unterschiedlicher Dimensionierung benötigt:
  1. Spannungswandler von Wechselspannung auf Gleichspannung
  2. Strombegrenzung
  3. Spannungsanpassung
Funktion 1) die universellste Lösung dafür ist eine Graetzbrücke aus 4 Dioden, damit der Wirkungsgrad hoch bleibt, sollten es Schottky-Dioden sein, diese haben im Gegensatz zu normalen Silizium-Dioden (ca. 0,65V Spannungsabfall) nur 0,4V Spannungsabfall. Die Dioden müssen nach dem zu liefernden Strom dimensioniert werden. Meist kommt auf der Gleichstromseite noch ein Elektrolytkondensator zur Spannungsglättung dazu.
[Bild]
Funktion 2) Hier gilt es, Vorderlicht und Rücklicht zu unterscheiden. Die LED für das Rücklicht benötigt eine Strombegrenzung, da wir die Hauptenergie für das Vorderlicht verwenden wollen. Für das Vorderlicht aber wollen wir eigentlich nehmen, was wir kriegen können, das heißt die Spannungsquelle ist die "Strombegrenzung". Beim Dynamo ist das trivial, wir legen die LED's nach dem Maximalstrom des Dynamos aus.
Bei Batterien ist hier Vorsicht geboten, da die Batterie kurzzeitig meist extrem hohe Ströme (IK oder Kurzschlussstrom) liefern kann, brauchen wir hier doch eine Strombegrenzung.
Bei Kondensatoren (für Standlicht) gilt das gleiche wie für Batterien, auch sie können kurzzeitig sehr hohe Ströme liefern
Nun ist hier echtes Elektronik-Know How gefordert, es gibt der Möglichkeiten viele für Strombegrenzung.
Einige sind unter http://www.led-treiber.de dokumentiert.
Grundsätzlich fallen die Schaltungen in die Kategorien:

Funktion 3) Die beste Form der Spannungsanpassung ist es, einfach alle zur Verfügung stehende Spannung durch Reihen- oder Parallelschaltung mehrer LED's  zu verbrauchen.
Für Nicht-Elektroniker: Bei Reihenschaltung mehrerer LED's addieren sich die Spannungabfälle, bei Parallelschaltung addieren sich die Einzelströme der LED's.
LED's sind sehr effektive Spannungsbegrenzer, da ihr Widerstand nicht linear von der Spannung abhängig ist, bedeutet, daß die Spannung, die sich unter eingeschalteteten LED's (Last) einstellt, immer im Rahmen des typischen LED-Spannungsabfalls bleibt.
Diese Eigenschaft ist extrem wichtig, wenn LED's parallel geschalten werden sollen (z. B. Front- und Rücklicht), hier müssen die Spannungsabfälle gleich sein.
Ein weiteres Problem dabei ist, daß die Spannung bei Dynamos proportional zur Fahrgeschwindigkeit steigt, entweder man hat bei niedriger Geschwindigkeit zu wenig Licht (bei vielen LED's) oder bei hoher Geschwindigkeit zuviel Spannung (bei wenigen LED's). Entweder probiert man hier seinen persönlichen Kompromiß aus, oder man konstruiert zuschaltbare LED's, entweder manuell oder durch eine Schaltung.
Faustregel: Hält man sich ungefähr an die 6V als Größe des Gesamt-Spannungsabfalls aller LED's der genormten Dynamos, hat man auch bei niedriger Geschwindigkeit genügend Licht.

Kondensatoren für Standlicht

Moderne Beleuchtungsanlagen bieten ein Standlicht, und dieses wird durch einen hochkapazitiven Kondensator realisiert, meist eine Goldcap-Type (1F, 5,5V), die sehr klein bauen. Wer schon einmal so einen Kondensator nach der Aufladung kurzgeschlossen hat, wird sich über den schönen Lichtbogen gefreut haben, der dabei auftritt, hinterher sind dann meist die Beinchen verschweißt...
Was da passiert ist sehr einfach erklärt, der Kondensator hat einen sehr kleinen Innenwiderstand (nahezu ideale Spannungsquelle) und erzeugt für den Bruchteil einer Sekunde mehrere Ampere Strom. Deshalb sind Kondensatoren auch dazu geeignet, LED's "endgültig" abzuschalten (zu zerstören). Um dies zu vermeiden, bleiben zwei Möglichkeiten:
  1. Der Kondensator wird direkt parallel zu einer LED geschaltet, er wird also nur maxmimal mit der LED-Spannung aufgeladen, und kann sie deshalb nicht zerstören, allerdings nutzt man ihn auch nicht optimal aus, ein Goldcap verträgt meist 5,5V und bei einer Luxeon Star III werden nur knapp 4 V geladen, die Helligkeit fällt sofort stark ab.
  2. Zwischen Kondensator und LED kommt ein Strombegrenzer rein

Vergleich einiger Hochleistungs-LED

Werden wir konkret:
LED's im Leistungsbereich von 2,5 bis 5 Watt sind Hochleistungs-LED's und noch nicht so häufig. Eine gern genutzte Type sind die Lumileds Luxeon Star Dioden, die es in 1 Watt, 3 Watt und 5 Watt gibt. Eine sehr ähnliche Ersatztype wären die Z-Power-LED P3 von Seoul Semiconductors.
Neu aufgetaucht (Oktober 2006) ist die Cree XLamp 7090XR-E mit sehr hohem Wirkungsgrad und die Z-Power-LED P4 von Seoul. Beide basieren auf demselben Chip EZ1000 von Cree.
Die Tabelle zeigt einige ihrer Eigenschaften:

Name
 Lichtfarbe
 V(typ.)
 mA(max)
typ. Lichtstrom
Luxeon Star I 1 Watt
 weiss/(rot)
 3,4/(2,9)
 350
 45 lm bei 350 mA
Luxeon Star III 3 Watt
 weiss
 3,7
 700
 65 lm bei 700 mA
Luxeon Star V 5 Watt
 weiss
 6,8
 700
Luxeon K2 Emitter
 weiss
 3,9
 1500
 60 lm bei 350 mA, 140 lm bei 1500 mA (V-Sortierung)
Luxeon Rebel
 weiss
 3,4
 700
 100 lm bei 350 mA, 180 lm bei 700 mA (-0100 Sortierung)
Cree XLamp 7090XR-E
 weiss
 3,5
 700 (1000)
 90 lm bei 350 mA, 210 lm bei 1A (P4-Sortierung)
Seoul ZPower P4
weiss
 3,5
 1000
 100 lm bei 350 mA, 240 lm bei 1A (U-Sortierung)
Superflux
 rot
 2,5
 70
 1,25 lm bei 70 mA
Telux
 rot
 2,3
 70

Man erkennt, daß die 1-6 Jahre alten Luxeon LED's ein wenig in die Jahre gekommen sind, sie geben deutlich weniger Licht als die beiden brandaktuellen Typen Cree XLamp XR-E und Seoul ZPower P4.
Mittlerweile hat der Marktführer mit der Luxeon Rebel wieder aufgeholt.

Testreihe einiger dieser LED's


Ideale Konfigurationen am Rad


Man erkennt also unschwer, daß 2 in Reihe geschaltete Luxeon Star III einen Standard-Dynamo gut ausnutzen, und der Dynamo gleich der Strombegrenzer ist. Er dürfte nämlich kaum über 600 mA liefern können. Es ist ansonsten kein Problem, die LED's unterhalb des Maximalstroms zu betreiben, da der optimale Wirkungsgrad der LED tatsächlich unter dem Maximalstrom erreicht wird, voila!
Allerdings liefern hochwertige Dynamos bei schneller Fahrt (>= 20 km/h) deutlich mehr als 6 V, sofern sie keinen Spannungsbegrenzer haben. Am SON-Nabendynamo werden bei 21 km/h 12 V und max. 560 mA erreicht. Es wäre also ein Jammer, das zu verschenken.
Ein weiterer Effekt, den ich unter Eigenschaften von Dynamos beschrieben habe, kommt hinzu: werden mehr LED's in Reihe geschaltet, als die zur Verfügung stehende Spannung eigentlich zuläßt (z. B. 4 LED's mit insgesamt max. 14 Volt), geht das trotzdem, da dann der Lastwiderstand steigt, und damit auch die Spannung am Dynamo steigt, der Strom aber sinkt. Dabei steigt aber der Wirkungsgrad der LED's und damit haben wir insgesamt höhere Lichtausbeute. Dabei dürfte der SON bei hohen Geschwindigkeiten tatsächlich 6-7 Watt Leistung abgeben.

Stellt sich die Frage nach dem Optimum.
Nach Versuchen von Rainer Mai liegt am SON das Optimum bezüglich Lichtausbeute tatsächlich bei 4-5 LED's der 3 Watt-Klasse in Reihe.
Man kann jetzt auch noch über kombinierten Akku- und Dynamo-Betrieb nachdenken. Hier muß man wegen der Konstant-Spannungsquellen-Eigenschaft der Akku's nun wirklich nach Spannung auslegen. Beispiel: eine Li-Ion-Zelle gibt ca. 90% der gespeicherten Energie zwischen 4,2 und 3,0 V ab (Nennspannung ist 3,7 V). Tatsächlich ist  dies fast genau der typische Spannungsabfall einer weißen LED (die Luxeon Star V ist ein Sonderfall, hier sind zwei LED's auf einem Chip in Reihenschaltung integriert).
Es bietet sich hier also an, 4 LED's in Reihe an einem guten Dynamo oder alternativ an 4 Li-Ion-Zellen in Reihe zu betreiben.
Nach Untersuchungen aus dem Jahr 2000 von Olaf Schultz steigt der Wirkungsgrad bei noch geringeren Strömen in den LEDs weiter an. Konsequent angewendet bedeutet das:
Auch eine Parallelschaltung von 2*4 LED in 2 Reihen zu 4 LEDs steigert noch einmal deutlich die Lichtausbeute!

Um auch bei Schrittgeschwindigkeit schon Licht zu haben, sollte man allerdings jeweils 2 der 4 LEDs kurzschließen.
Über 7 V zur Verfügung stehender Spannung werd dann die anderen automatisch zugeschaltet. Das übertrifft eine kommerzielle Leuchte eigentlich bei jeder Geschwindigkeit.
Der Schaltungstrick dazu stammt von Wolfgang Bergter (Link weiter unten), zwei kaskadierte Leistungstransistoren, die über eine Zener-Diode zusammen als Schalter wirken. Die Zenerdiode bestimmt die Schaltspannung.

Optische Eigenschaften

Achtung: LED's erreichen hohe Leuchtdichten, sie sind bei direkten Blick in die LED für das menschliche Auge gefährlich!
Glühbirnen werden als punktförmige Lichtquellen betrachtet, was je nach Größe der Glühwendel nicht ganz richtig ist.
Sie strahlen in alle Richtungen des Raumes relativ gleichmäßig ab.
LED's sind strahlende Flächen. Ist die Fläche klein genug im Verhältnis zur Optik, kann man auch noch von einer punktförmigen Lichtquelle sprechen.
Hier ist aber die Schwachstelle der LED-Technologie, da die leuchtenden Flächen der Emitter größer sind als Halogen-Glühwendeln und HID-Lichtbogen.
LEDs strahlen nur in eine Halbkugel des Gesamtraumes ab. Das ist grundsätzlich positiv, erfordert aber andere Reflektoren, als die für Glühbirnen. Ohne Reflektor/Optik wird man an seiner LED keine Freude haben. Da sie ja so ziemlich in alle Richtungen strahlt, reicht die Leuchtdichte schon nach einigen Metern nicht mehr für Beleuchtung, sehr wohl aber für allgemeine "Blendung"...

Abstrahlcharakteristik

Oben wird gesagt, LED's strahlen in eine Halbkugel des Gesamtraumes ab. Sie tun dieses (ähnlich wie eine Glühbirne übrigens) nicht gleichförmig. Es gibt, bedingt durch die mit der LED fest vergossene "Minimaloptik" verschiedene Abstrahlcharakteristiken:
Mittenbetont
 Lambertian
Maximum bei +- 30 Grad
 Bat-Wing
fast nur Seitenabstrahlung
 Side-Emitting
Diese Abstrahlcharakteristiken stehen natürlich in Wechselwirkung mit darauf aufsetzenden zusätzlichen Optiken. Es ist also eine passende Kombination zu wählen.
Faustregel: Side-Emitting-Dioden erzeugen einen breiteren Lichtkegel als Lambertian-Strahler.
In der Praxis werden fast nur Lambertian-Dioden gesichtet, also fällt die Wahl leicht...
Ein netter Vergleich findet sich bei einem Edel-Licht-Hersteller unter http://www.lupine.de , siehe unter Leuchtvergleich, dort werden allerding 1,5 MB Bilder geladen, aber es lohnt sich...
Manchmal ist auch schon die Minimal- oder Grundoptik auf der LED ausreichend (für's Rücklicht)
Hier denke ich vor allem an die roten Telux-LED's bei Rücklichtern, die sind nämlich schon auf einen Abstrahlwinkel von 30 Grad fokussiert, das sollte reichen.

Reflektoren / Optiken

Grundsätzlich werden bei den Reflektoren / Optiken drei Wege gegangen:
  1. Entwurf eines "optimalen", nicht rotationssymetrischen Reflektors für eine oder mehrere LED's (wer hat dazu schon die Möglichkeit? => kommerziell erhältliche LED-Scheinwerfer, siehe unter http://www.cateye.com oder http://www.inoled.com )
  2. Halbierung eines Reflektors für Glühbirnen, Die Schnittfläche trägt als Kühlfläche die LED. Die LED sollte dazu eine Abstrahlcharakteristik zur Seite hin haben (Batwing- oder Side-Emitting). Siehe Eigenbau von Olaf Schulz http://www.enhydralutris.de/Fahrrad/LEDWerfer0402/
  3. Verwendung rotationssymetrischer Optiken für Einzel-LED's, diese sind einzeln erhältlich mit unterschiedlichen Öffnungwinkeln (6 Grad, 10 Grad, 20 Grad, 40 Grad). Diese Optiken sind von verschiedenen Firmen für Luxeon-LED's erhältlich (Fraen http://www.fraensrl.com/, Carclo http://www.carclo-optics.co.uk, Gaggione - Mobdar Optik, nur über Distributoren). Fertige Lampen damit für ein sündhaft teures Geld z. B. von http://www.solidlights.co.uk   http://www.lupine.de    http://www.supernova-lights.com  
  4. wäre eine Variante, die ich mangels Bezugsquelle noch nicht ausprobiert habe, ist eine spezielle Side-Emitting-Optik von Carclo zu verwenden und diese in einen kommerziellen (rotationssymmetrischen) Reflektor einzubauen. Hier sollte die Streuung gering bleiben
Neben den Öffnungswinkeln ist natürlich die Geometrie der Reflektoren interessant. Die kompaktesten Optiken kommen von Carclo und Fraen, es gibt auch 3er-Kombinationen für 3 Luxeons von diesen Herstellern.

Vergleich von verschiedenen (LED-) Optiken

Blendwirkung oder Reflektorauswahl

Wo viel Licht ist, ist auch viel Schatten....
Wenn wir uns nun bemühen, mit viel LED und viel Gehirnschmalz viel Licht an unser Fahrrad zu bringen, können andere Verkehrsteilnehmer geblendet werden.
Blenden heißt im Wesentlichen, daß das Streulicht des entgegenkommenden Scheinwerfers heller ist, als das reflektierte Licht des eigenen Scheinwerfers (sofern überhaupt vorhanden), damit wird die Dunkeladaption des Auges (Stäbchensehen) gestört. Leider ist das praktisch ständig der Fall.

Es gilt also, mittels Optiken, die resultierenden Lichtkegel so zu designen, daß nur die Straße ausgeleuchtet wird.
Dazu stellt sich die Frage nach den Anforderungen von "Strassenausleuchtung" bzw. "Wegeausleuchtung".
Beim Fahrrad haben wir hier das Problem, daß die Fahrsituationen unterschiedlich sind.
Ich will mal versuchen, Beleuchtungsanforderungen dreier unterschiedlicher, leicht übertriebener Fahrsituationen darzustellen.
  1. mittlere Geschwindigkeit innerorts: in Deutschland/Mitteleuropa sind geschlossene Ortschaften meistens mit Natrium-Dampflampen oder ähnlichem ausgeleuchtet. Dieses Licht reicht für Orientierung eines Radfahrers aus, es geht also eigentlich nur darum, durch das eigene Licht gesehen zu werden und dunkle Ecken auszuleuchten. Hierzu dürfte eine StVZO-konforme Leuchte ausreichend sein
  2. hohe Geschwindigkeit außerorts: Hier wird man sich entweder auf einer KFZ-Straße bewegen oder auf einem Fahrradweg, der meist unmittelbar neben einer KFZ-Straße verläuft. Man braucht wegen der hohen Geschwindigkeit viel Licht, aber eng fokussiert gerade nach vorn, da die Kurvenradien eher gering sind. Der Lichtkegel sollte leicht schräg nach unten gerichtet sein, um Blendung zu verringern. Leider wird man ständig von entgegenkommenden KFZ's geblendet, also braucht man sehr viel Licht, um in dieser Zeit nicht völlig blind zu fahren. Hier ist starke Akku-Beleuchtung durchaus sinnvoll
  3. mittlere Geschwindigkeit auf Feldwegen, außerorts, unbeleuchtet oder Fußwegen: Die Palette solcher Wege reicht von bestens ausgebaut, geteert bis Fußpfad, der durchaus Haken schlägt und sehr schlechten Untergrund hat. Die Ausleuchtung muß hier eher breit sein, allein den Boden zu beleuchten reicht auch nicht, da im schlimmsten Fall Zweige in den Weg hineinragen. Um auf unbekannten Wegen überhaupt rechtzeitig die Kurven zu erkennen, muß ein möglichst breites Sichtfeld erleuchtet werden und räumliches Sehen (hohe Leuchtstärke) ermöglichen. Auch hier hat Akku-Beleuchtung eine Existenzberechtigung.

Fall 1 ist unkritisch.
Im Fall 2 kommt die benötigte Optik den StVZO-konformen nahe. Allerdings ist die von §67 geforderte Leuchtdichte und der Lichtstrom viel zu gering. Ebenso ist die Anforderung an geringe Leuchtdichte in Zone 1 (Blendschutz) unrealistisch hoch, da bei KFZ bis zum Faktor 10 mehr zulässig ist, die StVZO wird diesem Einsatzfall nicht gerecht.
Fall 3 ist auch der typische Einsatzbereich für ATB/MTB-Fahrer. Die StVZO adressiert diesen Einsatzfall überhaupt nicht, da solche Wege meist außerhalb des Gültigkeitsbereichs liegen. Radfahrer in ländlichen Gebieten sind aber oft darauf angewiesen, will man nicht auf einer Schnellstraße fahren.
Die Anforderungen von Fall 2 und Fall 3 widersprechen sich ziemlich, beide kommen aber auch bei Alltagsradfahrern gut gemischt vor.
Sich an die StVZO zu halten, führt also nicht zu einer brauchbaren Fahrradbeleuchtung!

Da man meist nicht Optiken des oben beschriebenen Typs 1) zur Verfügung hat, bleiben die oben beschriebenen Reflektoransätze 2) und 3).
Da bei LED's sinnvollerweise 2-4 (oder sogar 8?) kombiniert werden sollten, bietet es sich an, den Lichtkegel aus mehreren rotationssymetrischen Optiken "zusammenzubauen", da diese Optiken klein und leicht sind. Mit Ansatz 2) ist das nicht mehr so einfach. Tatsächlich hat Olaf Schultz schon beide Ansätze ausprobiert. Die FL-halbe-Typen (bzw. Touchdown) repräsentieren Ansatz 2), der Pt Alpha2 und andere Pt-1-Typen Ansatz 3). Damals waren aber noch nicht die heutigen Hochleistungs-LED's verfügbar. Auch der kommerzielle Cateye HL-EL300G folgt mit 5 LED diesem Prinzip.
Ich konzentriere mich im Folgenden auf dieses optische Prinzip 3), da sich der Selbstbauaufwand damit in für mich noch in sinnvollen Grenzen bleibt.
Mittlerweile habe ich auch einmal Prinzip 2) ausprobiert. Hier verwendet man zweckmäßigerweise Reflektoren von kommerzielle Fahrradscheinwerfern. Diese sind in aller Regel konform zum §67/ TA24. Damit haben sie einen Lichtkegel von etwa 4*8 Grad. Natürlich ist mit einem solchen Lichtkegel die Beleuchtungsstärke größer als mit den Plastikoptiken für einzelne LED's.
Natürlich ist aber auch die Ausleuchtung der Straße erheblich geringer, da nur ein sehr kleiner Bereich erhellt wird. Außerdem muß man rechnen, daß bei gleicher Größe und Gewicht nur die Hälfte an LED's verbaut werden kann als bei Prinzip 3). Für ein starkes Fernlicht kann diese Prinzip aber sinnvoll sein.

Hierzu ein paar geometrische Überlegungen.
Grundsätzlich gilt, je kleiner der Öffnungswinkel, desto höher die Leuchtdichte und desto heller die Fahrbahn, desto geringer die Blendung anderer, das will man! Allerdings will man spätestens 10 m vor dem Vorderrad auch die gesamte Fahrbahn ausleuchten, was dann so ca. 4m Breite sind. kann man hierzu 2 Lichtkegel nebeneinander verwenden, da muß einer ca. 2,5 m Durchmesser haben (ein bisserl Überlappung ist notwendig). Mit der alten Schul-Trigonometrie kommen wir zu:
tan (ß) = Radius / Entfernung  und also zu:
ß  =  arctan (Radius / Entfernung) womit  wir dann in unserem Rechenbeispiel bei 14 Grad Öffnungswinkel des Kegel rauskommen.
Damit ist die Blendwirkung bei rotationssymetrischer Optik aber schon ordentlich  genügt der TA23 längst nicht mehr. Das repräsentiert eher das wünschenswerte im oben beschriebenen Beleuchtungsfall 3).
Eine Extra-Narrow-Linse mit 4 Grad Öffnungswinkel bzw. 8 Grad-Kegelwinkel kommt dem TA23-konformen Licht schon nahe. Sie kann den Beleuchtungsfall 2) schon gut bedienen.

Um eine 3-Luxeon-Kombination optimal zu kriegen, bin ich folgendermaßen vorgegangen: jeweils eine Luxeon mit Narrow-Beam und Elliptical-Beam (lange Ellipsenachse waagerecht) auf einem Halter, eine Extra-Narrow auf einem zweiten Halter. Der zweite Halter mit Extra-Narrow wird ca. 2-3 Grad höher einjustiert, als der andere.

Es sind also Optiken mit einem Öffnungswinkel von kleiner 10 Grad zu verwenden, da 20 Grad schon nach wenigen Metern zuwenig Beleuchtungsstärke erzeugen. Für den Nahbereich sind horizontale Elliptical-Beams sinnvoll.
 
Vorsicht: die Hersteller geben meist den Öffnungswinkel von der Mittelachse des leuchtenden Kegels an, also den halben Kegel-Winkel!
Bewährt hat sich folgende Konfiguration:
Mit der Narrow- / Elliptical-Beam-Kombination erhält man einen breiteren und lichtschwächeren Gesamtkegel wie mit StVZO-konformen Halogen-Leuchten, was aber insgesamt die Orientierung bei völliger Dunkelheit stark verbessert, bei Straßenbeleuchtung kommt einem der Lichtkegel schwach vor, die Blendung des Gegenverkehrs ist höher, die eigene Sichtbarkeit hervorragend, das ist eher mein Favorit, die Leuchtkegel so ca. 4-5 Grad nach unten neigen, um die Blendung abzuschwächen.

Prototypen

Einige Scheinwerfer, die ich gebaut habe:
Generation 1, meine ersten Scheinwerfer, mittlerweile veraltet
Generation 2, 4-Cree-Breitstrahler für das Nahfeld
Touchdown-Prinzip, für allem fuer Fernlicht

Und was kommt vorne raus?

ein bisserl durften dann einige Prototypen zum Vergleich den heimatlichen Garten erhellen...

Rücklicht

Hier sollte man sich nun einigermaßen in Zurückhaltung üben. Ein sehr helles Rücklicht fällt zwar wunderbar auf, kann aber die Blendwirkung eines KFZ-Bremslichts übertreffen. Eine Luxeon Star I (1-Watt) Type ist eindeutig zuviel des Guten!. Entweder man regelt so eine LED entsprechend herunter (eine teure LED schlechter machen ist schade) oder man nimmt gleich kleinere Typen wie z. B. Superflux/Telux LED's. Bei der Verwendung von LED's mit rotem Licht erhält man immerhin schon  100% Licht mehr als bei einer gleich hell leuchtenden Glühbirne, bei der rotes Filterglas/Pastik  bemüht wird, um die rote Farbe zu erreichen. Nach meiner Erfahrung sind 0,5 Watt LED-Licht für  hinten schon fürstlich und mindestens 5 mal so hell als ein Standard-Rücklicht.
Genauere Überlegungen hierzu hat Wolfgang Bergter angestellt. Seine Dokumente hierzu sind über die Website von Olaf Schulz verfügbar.
Wir müssen hier noch mal ins Detail. Das Rücklicht wird zum Frontscheinwerfer parallel geschaltet. Daraus ergeben sich einige Rahmenbedingungen:
  1. Normalerweise wird das Rücklicht parallel zum Frontscheinwerfer geschaltet. Dies muß man nicht unbedingt so machen, ist aber die StVZO-konforme Variante. Wenn ja, muß der Spannungsabfall von Frontscheinwerfer und Rücklicht jedoch möglichst exakt gleich sein. Wählt man Reihenschaltung, so ist ein möglichst geringer Spannungsabfall über dem Rücklicht bei vollem Dynamostrom (ca. 550 mA) gefragt, was wiederum meist die Parallelschaltung mehrerer LED's erfordert. Da einzelne LED's der gleichen Bauart große Streuung aufweisen, wird die Strom- und Helligkeitsverteilung (und die Verlustleistung und Aufheizung) ungleich sein, man sollte die Bauteile dann ausmessen und selektieren. Außerdem sind hier die Anforderungen an Verkabelung und Haltbarkeit die Beleuchtung noch höher, da bei einem Defekt das ganze Licht weg ist.
  2. Sollte das Frontlicht doch einmal ausfallen, würden im Parallelschaltungsfall die LED's im Rücklicht durchbrennen, wenn kein Strombegrenzer vorgeschaltet ist, der eigentliche Grund für den Stromregler
  3. Hält man sich an eine Leistungsaufteilung von ca. 5:1 gelingt das bei Parallelschaltung nur, wenn sich die Widerstände der LED's im umgekehrten Verhältnis zueinander befinden (Kirchhoff-Regel). Da die LED's nicht lineare Widerstände sind (also ihren Widerstand stark ändern), ist der Betriebspunkt zur Berechnung zu verwenden. Bei zwei in Reihe geschalteten Luxeon Star III haben wir hier 3,7V/0,45A *2 = ca 16 Ohm.

    Bei der unter Prototypen beschriebenen Superflux oder Telux 2*2 LED-Matrix haben wir 2,5V/0,05A für eine = 50 Ohm. Zwei in Reihe sind 100 Ohm, zwei Reihen parallel sind jedoch wieder 50 Ohm. Das Verhältnis von 16:50 Ohm paßt also ziemlich gut, mit anderen Worten wir brauchen 50 bis 60 Ohm Widerstand am Rücklicht. Es ist also nicht sinnvoll, hier mehr LED's in Reihe zu schalten, oder nur einen Strang zu verwenden, der Widerstand würde zu hoch, und dadurch der Strom zu klein, zu wenig Licht.
    Umgekehrt ist das hier die Begründung gegen eine Luxeon Star I, diese hätte nämlich gerade mal 2,9V/0,35 A = 8 Ohm, bei Dynamobetrieb bliebe da nicht mehr viel Strom für den Frontscheinwerfer.
  4. Wegen der integrierten Optik verwende ich jetzt nur noch Telux-Bauteile, da diese einen 30 Grad Winkel bestrahlen, während die Superflux ca. 120 Grad breit strahlen, dies ist unnötig breit und scheint dann nicht mehr so weit. So kann ich auf zusätzliche Optiken verzichten

Gesetzliche Vorschriften in Deutschland zur Fahrradbeleuchtung


Bewertung des Themas Blendung

Hier haben wir es mit einer nicht nur durch Technik beeinflußbaren Thematik zu tun.
Geblendet zu sein ist ein Sinneseindruck, und dieser ist relativ. Da das menschliche Auge adaptiv arbeitet, d. h. es paßt sich hochgradig an die zur Verfügung stehenden Lichtverhältnisse an, blendet alles, was plötzlich deutlich heller ist, als das Umgebungslicht.
Ziel dieser Seite ist es, VIEL Licht zu erzeugen. Die verwendeten LED's haben eine hohe Leuchtdichte.
Es ist gewissermaßen unvermeidlich, daß wir damit andere Verkehrsteilnehmer blenden werden!
Auch wenn diese nur das Restlicht erwischen, daß außerhalb des gewünschten Lichtkegels einer Optik austritt.
Die Frage ist also vielmehr, welches Maß an Blendung ist üblich bzw. zumutbar.
Hierzu ein Vergleich der Beleuchtungsvorschriften von KFZ's und Fahrrad in Deutschland

Zu den Zeiten, in denen ich noch ab und an mit einem KFZ auf einer bundesdeutschen Autobahn (BAB) nachts unterwegs war, ist mir ein Eindruck in bleibender Erinnerung geblieben: die ständigen qualvoll aufleuchtenden Scheinwerfer im Rückspiegel oder auf der Gegenfahrbahn. Wer dies auch nur 3 Stunden mitmacht, um "mal schnell eben" noch 400 km nach Hause oder in den Urlaub zu fahren, ist hochgradig bekloppt (auch wenn man es in diesem Augenblick nicht wahrhaben will), das grenzt an Folter! Einem Autofahrer gegenüber habe ich da also nur sehr begrenzt Gewissensbisse. Nun, seitdem (ist schon ein paar Jährchen her) wurden die Xenon-Scheinwerfer entwickelt, und die Blendwirkung moderner KFZ-Scheinwerfer (bei optimaler Einstellung) liegt mit Sicherheit ein Mehrfaches über den hier diskutierten Beleuchtungseinrichtungen.
Trotzdem sei gesagt: einen "unbewaffneten" Fußgänger (vielleicht ein Kind) werden wir damit ab und an ordentlich blenden, die einzige Entschuldigung die bleibt, ist, durch frühzeitiges Erkennen (bedingt durch bessere Fahrbahnausleuchtung) Unfälle vermeiden zu können.
Beim Fahrrad ist diese Hoffnung und Entschuldigung realistisch, beim KFZ aufgrund der zu hohen Geschwindigkeiten nicht.

Alternativ drängt sich der Gedanke auf, ähnlich beim KFZ zwei während der Fahrt umschaltbare Scheinwerfersysteme zu verwenden.
Hier muß man sich allerdings noch mal mit den Bezeichnungen auseinandersetzen. Es gibt beim KFZ ein "Abblendlicht", der Name beschreibt ziemlich gut, was dies bewirken soll, nämlich die Blendung des Gegenverkehrs minimieren. Alternativ dazu schaltbar ist ein "Fernlicht", das allerdings besser "unbeschränktes Licht" heißen sollte, denn hier wird mehr Lichtstrom freigesetzt und dieser auch waagerecht, also in Blendrichtigung.
Bei Reflektorprinzip 3), mehrere LED's mit Einzeloptiken könnten hier 2 LED's mit breiten Optiken, die alternativ zu zwei Extra-Narrow-Optiken geschaltet werden, schon einiges bringen. Ach wie schön, das man immer wieder Ideen für neue Prototypen bekommt....

Kühlung der LED

Während bei einer Glühwendel große Hitze notwendig ist, damit sie endlich leuchtet, ist die Hitze bei einer LED schlecht (schlechterer Wirkungsgrad, thermische Zerstörung) und muß vermieden werden.
Deshalb sterben die Glühbirnen ja auch gern und die LED's nicht so leicht....
Vorraussetzung hierfür ist eine gute Kühlung. Je niedriger die Temperatur der LED, desto höher ihr Wirkungsgrad (da isser wieder). Es hat sich als ausreichend erwiesen, die LED's auf Metallträger (Aluminium oder Kupferblech) aufzukleben und das Kühlblech irgendwo in den Fahrtwind zu halten. Das wird dann auch bei warmen Wetter kaum handwarm. Das bedeutet aber auch: Metallgehäuse, zumindest teilweise.
Dabei ist Dynamobetrieb völlig unkritisch. Kritisch ist jedoch Batteriebetrieb (bei Maximalstrom) und möglicherweise noch hinter einer Verkleidung, so daß der kühlende Fahrtwind entfällt.
Es ist auf eine möglichst gute Verbindung zum Kühlkörper zu achten. In Frage kommen eine sehr dünne (1/10mm) Schicht 2-Komponenten-Kleber auf Aluminium (1-2 W/°C cm Wärmeleitfähigkeit) oder Weichlöten auf Kupfer (bis zu 4 W/°C cm). Ein 2mm-Alu-Profilblech für Betrieb bei Maximalstrom ohne Fahrtwindkühlung ist zu knapp bemessen!
Eine Auswahl konstruktiver Lösungen hierzu:
Olaf Schulz - halbierte konventionelle Reflektoren mit LED - http://www.enhydralutris.de/Fahrrad/LEDWerfer0402/
Nah- und Fernscheinwerfer von Ulli Horlacher - Nahscheinwerfer Larry und Fernscheinwerfer Delgado
Kompakte runde Bauform eines 3-Luxeon-Scheinwerfers - http://www.pilom.com/BicycleElectronics/triLEDhead.htm
Meine eigenen Prototypen (siehe Prototypen und hier)
Optima Stinger mit LED-Scheinwerfer
Prototyp 1 - 3 Luxeon-Scheinwerfer a la Ulli Horlacher (Ulli ist der Urheber, ich bin
einer der Nachbauer) an einer Optima Stinger, mein Erstbau-Monster, wiegt bestimmt 250 g
Mit ca. 150 lm schon ganz gut, aber schon länger veraltet.
  Siehe auch Prototypen Generationen 1 und 2
 neueste Beleuchtung
so sieht das jetzt aus, Evolution! Mittlerweile kommen da ca. 700 lm am SON heraus.
Der Bisy-Touchdown ist für das Fernlicht zuständig



Danksagung

Viele ambitionierte Bastler und sehr professionell arbeitende haben ihr Know How zu dieser Seite ins Netz gestellt.
Die "Hauptverantwortlichen" zitiere ich bereits im Text, Ulli Horlacher mit seinem Delgado-Projekt, Olaf Schulz mit seiner Grundlagenarbeit, Wolfgang Bergter zum Thema Rücklicht, Eberhard Haug mit seiner Led-Treiber Site
Ich möchte ihnen hier sehr herzlich für ihre Bereitschaft danken, Know How an die Allgemeinheit zurückzugeben, um das Thema an sich weiterzubringen, in Zeiten des allgemeinen Patentwahns leider keine Selbstverständlichkeit mehr...

Michael Wandinger

Anhang

Bezugs- und Info-Quellen
SON-Nabendynamo - http://www.nabendynamo.de
LED's und Optiken:  http://www.dianaelectronic.de/led/ oder http://www.led-tech.de oder http://www.dotlight.de
Elektronische Bauteile und LED's: http://www.conrad.de
Lumileds: http://www.lumileds.com bzw. http://www.luxeon.com
Cree: http://www.cree.com
Seoul Semiconductor: http://seoulsemicon.co.kr
Optik-Hersteller:  Fraen http://www.fraensrl.com/, Carclo http://www.carclo-optics.co.uk, Gaggione, L2-Optics http://www.l2optics.com, Khatod http://www.khatod.com, Polymer Optics Ltd. http://www.polymer-optics.co.uk, Ledil http://www.ledil.com