Het verhaal
van de
LED lamp
Why is a LED for my microscope rather expensive?

Well let me explain.

A microscope is a complex optical device, although not always experienced that way.
There are, for us as a developer, a series of optical and mechanical matters to take care about, to be able to provide you with a working Solid State Lighting solution.

Let's start with the filament (light element) of the lamp. Inside the microscope is this filament in a very specific position, the focus point of the illumination lens system.  (1)   As you can see, in the image, the light beams from the filament only produce a parallel output from the lens, if the filament is at the exact location,  the light intensity is also highest at this point.

If a LED is used, we have to be sure, to position the chip thereof  at exact that position, also at the focus point, would we just put it further in front or further back, then we start with a wrong beam pattern and loose a lot of light ( or worst case the chip will be projected as an image in your sample)
Something similar goes for  the axial position, if the chip is not exact centered to the lens, the light is not centered and will produce unexpected problems. (for instance your object seems to move sideways when focusing) (2)


To be able to mount all components for the LED, like the chip, the pins and electronics, TDKK had to design a PCB to mount them on, however the mechanical construction of the power emitter would make that the chip had to sit on the front of the board, about 2,5 mm off line with the pins, hence out of focus, unless  we put the pins also at the front of the board.......... no option.

So we found a way to mount the emitter from the back....... very against all standard rules, because normally these chips are only for surface mounting.
In the way we do it, the chip “looks” through a hole in the board, and sits at  the same dimensional position as the filament, exactly above the pins, of course we had to calculate the  other directions,  left, right and up, down as well,  so they where also centered. (3)

This is the base of the design.
Now this part is designed and calculated, we can start to design the other parts of the lamp.
The other constructional challenges lie in the wish to be able to replace the filament lamp for the LED without modifying or making changes to the microscope.

The power, there is often a controllable supply inside the microscope that makes it possible to set the light level of the standard lamp to de desired intensity, it would be a shame not to use that, it is already there, so we do not have to add an extra transformer to the microscope system.

Unfortunately there are thousands of different microscopes in use with as many different supply  models, here lies the greatest challenge.

Most of the times the supply is a DC tension control.......... DC means it has a + and - ........ But we as designer do not know from all microscopes  which pin is used as  + or which is -
This is for a standard filament lamp no problem, those have no polarity and work evenly well if they where mounted the other way around, and would give the same amount of light, for the glass is also transparent at both (all) sides.

An LED does have a + and - that need to be connected to the right poles to work.
A LED has a specific front and back, all light is emitted from the front, there is no waste of light to other directions, like the back, which makes the LED much more efficient.
Reversing a LED lamp however, would automatically mean that  the emitter shines away from the optics............No option

So a polarity check system has to be on the PCB which deals with the possibility of a wrong polarity, and takes care that the + of the power always arrives at the + of the emitter (just like the -).

Then current......... or better tension, the supplies of the microscope's, have most often a controllable tension with an output ranging  from about 2 until 6 (or 12) volt

The emitter however, needs a rather constant tension of about 3,3 volt, in the diagram  (4) you can see (in the horizontal line) that a very minor change of (for instance) 0,2 volt  in tension has a fast effect on the current........so a little wrong movement of the microscope's light button, and the LED could be damaged.

The Light emitting diode cannot be regulated in a proper way with this standard tension.
The LED needs a rather constant tension, otherwise  it will draw intolerable current when the tension gets to high. So regulating beween 2 and 6 volt will not work, we need a range from 2,75 - 3,35 volt
There would hardly be a way to set the intensity level where you want it without risk for our new lamp......... no option

TDKK has been thinking how to solve this problem and found a way in converting the tension into a current control, in this way we no longer regulate along the horizontal line of the diagram but along the vertical line, now we can regulate from zero to limit (our limit)
This option takes a little losses, that will produce some heat, but this can, with this rather low power solution, be kept well in proportions.

A converter is build inside the LED lamp, a converter that changes the behavior of the tension, it is turned into a current control, and that can be regulated from 0 to 350 mA
However, this factory limit will never be used in a TDKK LED, the internal limit is set to 250mA to be safe. At this point we generate a light intensity that compares with a 30 watt  halogen bulb, which is more than enough for 90% of all microscope applications

So now we can regulate the light intensity of the emitter by changing the tension from 2 to 6 volt (or 12).....

     The design now looks like this........
Waarom is een LED lamp voor een microscoop nogal duur?

Ik zal het uitleggen.

Een microscoop is een tamelijk complex apparaat, al zou je het soms niet zeggen.
Er zijn voor ons als ontwikkelaar, een hoop optische en mechanische zaken om mee rekening te houden, tijdens het maken van een "solid state"  licht (SSL) oplossing

Neem als eerste het filament, de gloeidraad van de lamp. Binnen in de microscoop heeft dit filament een zeer speciale positie, het focuspunt van de belichting lens.            (1)
Zoals je op de tekening kunt zien, zijn de lichtstralen die de lens verlaten alléén parallel als de  gloeidraad exact in het focus punt ligt, zo heb je meteen de hoogste lichtopbrengst

Als we nu een LED toepassen, is de eerste eis, dat de chip van de LED dus op het focuspunt zit. Zouden we de LED een beetje voor of achteruit monteren, dan beginnen we al met een verkeerd licht patroon, en verliezen zo veel licht. (in het ergste geval zou de chip zelfs zichtbaar in beeld  afgebeeld worden)
Iets dergelijks geldt ook voor de zijwaartse positie, als de chip niet recht voor het middelpunt van de lens zit kunnen er zeer onverwachtte problemen optreden (zoals het schijnbaar bewegen van het sample tijdens focusseren)            (2)

Om de LED en omringende elektronica op een geschikte manier op de plaats van de halogeen lamp te krijgen is een printplaat ontworpen, waar alles op gemonteerd is. Hoewel, de mechanische constructie van de LED geeft aan dat deze voor op de print zou moeten zitten, iets dat dan een focus verschuiving van 2,5 mm met zich mee brengt, tenzij we de pootjes van de lamp ook op de voorzijde zouden zetten..... nee dus.

We hebben de oplossing gevonden, door de LED, nogal tegen de regels in vanaf de achterzijde van de print te monteren, waarbij  de LED door een gat in de print kijkt. Op deze manier zit de LED chip precies boven de pennen en in het focus vlak, ook de andere maten ( hoogte en breedte) zijn op deze manier berekend en gecentreerd.                            (3)

Nu de basis gelegd is, kunnen we de rest van de LED gaan berekenen, want we willen graag de gloeidraad lamp vervangen zonder iets aan de microscoop te veranderen.

De voeding......., meestal is er in de microscoop een regelbare voeding aanwezig, waarmee de lichsterkte van de gewone lamp geregeld kan worden.
Het ligt voor de hand dat we daar gebruik van gaan maken, dan hoeven we geen externe transformator toe te passen.

Helaas zijn de gloeilamp voedingen in alle (duizenden) modellen microscopen  telkens anders dan de andere, hier ligt de grootste uitdaging.

De meeste voedingen zijn van het type "gelijk spannings- regeling" gelijkspanning betekent dat er een + plus draad en een - min draad naar de lamp fitting gaat, wij weten uiteraard niet welke draad op welke pin terecht komt.
Voor de gloeilamp is dat geen probleem, deze hebben geen polariteit, en branden net zo goed als ze anders om aangesloten zijn, omdraaien heeft verder geen probleem omdat de lamp aan voor en achterkant licht geeft.

Een LED heeft wel degelijk een plus en een min, die op de juiste pen aangesloten moeten worden.
Een LED heeft een uitgesproken voor en achterzijde, alle licht van de LED komt vanuit de voorzijde, er is dus geen licht afval naar andere kanten, en daardoor is de LED in een microscoop zo effectief.

Omdraaien van de LED om de goede verbinding te maken is geen optie, want de LED zou dan naar achter schijnen ( waar we dus niets aan hebben)

Om deze reden moet er dus een polariteit controle op het printje zitten, die voorkomt dat de plus en min een probleem vormen, ze komen nu  altijd op de goede contacten van de chip.

Dan stroom, of beter spanning, vrijwel alle voedingen hebben een spanning regeling die tussen 2 en 6 (of 12) volt gevarieerd kan worden.

Onze LED emitter echter, heeft voldoende aan een spanning van 2,75 tot 3,6 volt, in het diagram zie je dat op de horizontale lijn, je ziet ook dat een minimale verhoging van de spanning, direct een groot effect op de stroom heeft.

Dus een beetje verkeerde beweging van de regelknop zou de LED kunnen beschadigen........ (we komen niet in de buurt van 6, laat staan 12 volt)

Dus een LED laat zich met de standaard voeding op deze manier niet regelen, hij heeft liever een relatief vaste spanning van ( in onze modellen) rond de 2,75 tot 3,35 volt.

We hebben gezocht om de oplossing binnen de LED lamp te maken en hebben een convertor ingebouwd welke de spanning regeling in een stroom regeling omzet, op deze manier regelen we de stroom, met behulp van  de spanning. ( 2 tot (6) 12 volt)


De regeling loopt nu langs de verticale as en kan eenvoudig van nul tot de gewenste (veilige)  maximale waarde op geregeld worden.
Hoewel deze optie wel met enige verliezen gepaard gaat ( warmte) kunnen we dit in onze modellen goed in de hand houden.

De fabrikant adviseert een maximale stroom van 350 mA, maar deze waarde wordt in een TDKK LED eigenlijk nooit gehaald. bij 250 mA hebben we al een lichtsterkte die overeenkomt met een 30 watt halogeenlamp.
We weten uit ervaring dat dit voor 90% van alle toepassingen genoeg is.

Dus nu kunnen we de licht sterkte regelen met behulp van de 2 tot 6 (12) volt knop op de microscoop.

Het ontwerp ziet er intussen zo uit.


(1)
(2)
(3)
LED Story
Some of the emitters used in TDKK designs
Enkele emitters toegepast in TDKK ontwerpen
Crescent,            Cree                  Samsung          
Dit board vervangt een AC voeding (Zeiss)
This board replaces an AC supply (Zeiss)
Zover zo goed.......... in een ideale wereld

Er zijn helaas erg weinig microscopen met een regelaar die stabiel genoeg is voor een LED, de meeste hebben een output welke voor de trage gloeilamp geen probleem is, daar warmt de gloeidraad langzaam op en koelt idem weer af bij  variaties in de voeding, en is daarom mooi afgevlakt en nauwelijks zichtbaar. Maar een LED  is supersnel en laat elke variatie ( hinderlijk) zien.

Dan zijn er ook microscopen waarbij geen gelijkspanning (DC) maar wissel spanning (AC) gebruikt wordt, dit is helemaal funest voor een goede lichtkwaliteit met een LED, deze zal met een hinderlijke flikkering branden,  en in beeld een stroboscoop effect geven wanneer het preparaat bewogen wordt..........

Sommige regelknoppen veroorzaken dit soort problemen, ook al is de voeding op zich in orde, deze regelknoppen zijn vaak draadgewonden en komen in de ouder microscopen (zonder printplaten) voor.

Maar ook de betere merken met een hoge kwaliteit voeding zijn geen garantie voor een goede werking, juist deze voedingen hebben een "defekte lamp" controle, en schakelen zich uit als er geen of weing stroom loopt.... de LED neemt zoals gezegd maar weing stroom, en dat is helaas een teken voor de voeding om te stoppen   (geen licht)

We hebben ooit eens een "gestuurde semi kortsluiting" gebouwd welke deze controle "voor de gek"  hield. (is nog dagelijks in gebruik)

Zoals u kun lezen zijn er vaak veel meer problemen dan in eerste instantie verwacht, soms zelfs geven voedingen zodanig luid protest, dat we ze maar helemaal buiten gebruik stellen, en toch de stroom vanuit een aparte regelaar betrekken.

Dit geeft dan wel meteen de mogelijkheid het ontwerp nu in eigen hand te nemen en dit met de meest geschikte middelen samen te stellen. Een voorbeeld is de TOP LED

Op deze manier heeft TDKK al een groot aantal deel oplossingen uitgevonden, zodat we nu al snel een werkend geheel kunnen leveren met behulp van eerder ontwikkelde componenten.
Soms vergelijk ik het wel eens met het koken van een soepje, wij kiezen de juiste ingredienten voor de beste smaak.

Intussen kennen we al een hoop microscopen, maar er zijn er ontelbaar veel meer waarvan we zelfs het bestaan niet wisten, dus als u ons om een LED voor uw microscoop vraagt, zullen we vermoedelijk vragen om een aantal foto's en/ of maten door te geven, zodat wij de beste oplossing kunnen aanreiken.

Oh ja, heb ik al verteld over koeling, gewenste lichtsterkte, licht kleur, fittingmaat G4, G6,35 B15 etc. regelaars, speciale behuizing, product veilighed, gebruikers oog bescherming, handleidingen, etc etc etc

We zouden een boek kunnen schrijven over dit onderwerp
Vriendelijke groeten Joop de Wolde
TDKK
So far so good, ( but as every one knows, all of this would work in an ideal world............)

There are only  a few microscopes around that have a steady enough supply to power the LED in a descent way, many more microscopes have outputs that give problems to this product even with all systems on the tiny board.

Some of the supplies are AC, this causes flickering in a very visible way making the LED useless, a slow heating element ( the bulb) has no trouble with alternating current, at the moment the current drops to zero, and the filament would start to cool, the new negative cycle is already busy heating it again..... but like we saw before the emitter can only work proper on DC, so it is off at every negative part of the cycle ( or in the TDKK LED case, would go on and off at a rate of 100 times per second, which sounds like quiet good, but gives a stroboscope effect with every sample movement)

Not every supply  is very stable this could cause flickering in the light, making it hard to work with, there is sometimes a wire wound potentiometer in the older microscope, these tend to have poor contact quality, and the LED will show you as an unregular light level..........

In better supplies, there are often safety systems in use, that for instance can detect a broken lamp...... the lamp ballast is measured, if this fails is this a sign for the electronics to switch off ..... The normally correct LED has hardly any ballast to the system, and is for that reason often regarded as broken...........Hence no light at all
(TDKK has twice build a "controled semi shortcircuit" to fool such systems)

As you can see, often far more trouble than expected......... many solutions can be build inside the lamp,  but some supplies however give such a " loud protest" that even TDKK can't build  enough compensations inside the LED..........and there is ofcourse a limited space to build all compensating measures in, so sometimes we have to get the power to the LED from outside the microscope. (this has an advantage, we are then able to use specially selected electronic parts suited for the LED)

TDKK has produced a lot of options to work around most of the supply problems, like the recently developed TOP LED (see article on other pages)
We have other option to control the LED from an external regulator, TDKK has a series of possibilities for you to choose from.

Sometimes I compare the making  of a LED lamp with cooking : we have to combine different available electronic ingredients from our stock, untill we have found the right "mix" for your microscope.

We know a lot of microscope models from experience, but there are far more models that even we have never seen, so we need to ask you to send some images from the microscope, and its lamp system as it is now, so we can look  for what the most ideal solution for you would be.

Did I mention Cooling?, Desired light intensity?, G4 or G6,35, B15, E14 ? Regulator housing?  Making of special parts? Product safety?, user Eye protection,? Manuals?, etc.etc.etc.
Apart from this column, we could write a book about this subject.

Friendly regards Joop de Wolde
TDKK
You can see the carefully positioned filament in this old lamp
Je kunt het precies uitgelijnde gloeidraadje zien in deze oude lamp