Blitzdauer, Lichtverlauf und IGBT-Steuerung

Ein Aufsteckblitz ist für viele Fotografen ein unverzichtbares Werkzeug. Meist interessiert dabei nur, wie viel Licht er liefert. Mich hat dagegen die Frage interessiert, was während der eigentlichen Blitzentladung passiert: Wie lange dauert ein Blitz bei unterschiedlichen Leistungsstufen und wie verändert sich dabei sein Lichtverlauf?

Um das herauszufinden, habe ich einen Yongnuo YN600RT mit einem einfachen Messaufbau untersucht.

Ein einfacher Aufbau für sehr kurze Lichtimpulse

Als Sensor kam eine Fotodiode SFH 203 zum Einsatz. Sie wandelt das auftreffende Licht in einen elektrischen Strom um. Dieser erzeugt an einem 10-Ω-Widerstand eine Spannung, die über den Line-In-Eingang einer Soundkarte aufgezeichnet wurde.

Die Aufzeichnung erfolgte unter Linux mit dem Audioprogramm „ocenaudio „. Die Abtastrate bei der der Messung waren 192 kHz. Damit liegt zwischen zwei Messpunkten ein zeitlicher Abstand von lediglich 5,2 µs.

Das bedeutet allerdings nicht, dass das gesamte Messsystem eine zeitliche Auflösung von 5,2 µs besitzt. Auch Fotodiode, Beschaltung und Soundkarteneingang beeinflussen die tatsächliche Bandbreite. Die Messung ist deshalb keine hochpräzise, normgerechte Bestimmung der Blitzdauer. Sie eignet sich aber sehr gut dazu, den zeitlichen Verlauf des Blitzlichts sichtbar zu machen und verschiedene Leistungsstufen und auch verschiedene Blitzgeräte miteinander zu vergleichen.

Die Höhe des Signals ist dabei ebenfalls nicht als absolute Lichtleistung zu verstehen. Sie stellt ein relatives Maß für die vom Sensor empfangene Lichtintensität dar.

Vier Leistungsstufen im Vergleich

Für alle Messungen betrug der Abstand zwischen Blitzgerät und Fotodiode 20 cm. Der YN600RT wurde manuell ausgelöst und nacheinander mit den Leistungsstufen 1/2, 1/16, 1/64 und 1/128 betrieben.

Die Messkurven zeigen einen sehr deutlichen Unterschied:

Die Werte sind Näherungen aus den dargestellten Kurven. Eine exakte Blitzdauer hängt davon ab, nach welcher Definition sie bestimmt wird, beispielsweise t.1 oder t.5.

Das Ergebnis ist trotzdem eindeutig: Mit abnehmender Leistung wird der Lichtimpuls drastisch kürzer.

Warum wird der Blitz bei kleiner Leistung kürzer?

Dieses Verhalten passt zum Prinzip der IGBT-Steuerung. Bei einem IGBT-gesteuerten Blitz wird die Leistung nicht einfach dadurch reduziert, dass eine geringere Spannung an der Blitzröhre anliegt. Stattdessen wird die Entladung nach einer bestimmten Zeit elektronisch beendet.

Der IGBT arbeitet dabei als elektronischer Schalter und kann den Strom durch die Blitzröhre gezielt unterbrechen, bevor der Kondensator vollständig entladen ist. Je weniger Licht abgegeben werden soll, desto früher wird die Entladung beendet. Dadurch entstehen bei niedrigen Leistungsstufen besonders kurze Blitzzeiten. (flitsenflash.com)

Genau dieses Verhalten ist auch in meinen Messungen zu erkennen. Bei 1/2 Leistung dauert die Lichtabgabe mehrere Millisekunden. Bei 1/128 Leistung schrumpft sie auf deutlich unter eine halbe Millisekunde.

Die Leistungsreduzierung bedeutet also nicht einfach „weniger Licht über die gleiche Zeit“, sondern im Wesentlichen weniger Zeit für die Lichtabgabe.

Interessant ist vor allem die Form der Kurven

Noch aufschlussreicher als die reine Dauer ist der Verlauf der einzelnen Lichtimpulse.

Bei 1/2 Leistung steigt das Signal sehr schnell an und bleibt anschließend über mehrere Millisekunden auf einem relativ hohen Niveau. Erst danach folgt ein deutlich längerer Abfall.

Bei 1/16 Leistung ist der Lichtimpuls bereits wesentlich kürzer. Nach dem schnellen Anstieg ist ein leicht schwankender Verlauf zu erkennen, bevor das Signal relativ schnell wieder abfällt.

Bei 1/64 und 1/128 wird die Struktur noch deutlicher. Hier sind jeweils zwei Maxima im Lichtsignal zu erkennen. Der Blitz erzeugt also bei diesen Einstellungen keinen völlig glatten Lichtimpuls.

Der Doppelpeak und das IGBT-Löschen

Die beiden Maxima sind besonders interessant, weil sie zeitlich mit dem Verhalten einer IGBT-gesteuerten Blitzentladung zusammenhängen könnten.

Beim IGBT-Verfahren wird der Strom durch die Blitzröhre nach Erreichen der gewünschten Lichtmenge sehr schnell unterbrochen. Dieses sogenannte Quenching beziehungsweise Löschen der Entladung ist gerade bei niedrigen Leistungsstufen ein wesentlicher Bestandteil der Leistungsregelung. (Analog Devices)

Das abrupte Abschalten des Entladestroms kann den zeitlichen Verlauf der Entladung beeinflussen. Ein Zusammenhang mit der in meinen Messungen sichtbaren Struktur ist deshalb plausibel.

Die Messung beweist allerdings nicht, dass der zweite Peak unmittelbar durch das IGBT-Löschen verursacht wird. Dafür müsste man zusätzlich den elektrischen Strom oder die Spannung an der Blitzröhre messen. Meine Fotodiode erfasst ausschließlich das optische Ergebnis.

Die Doppelpeaks sind deshalb besser als interessante Beobachtung mit einer plausiblen Erklärung zu betrachten und nicht als eindeutiger Nachweis des IGBT-Schaltvorgangs.

Warum die Blitzdauer für Fotografen interessant ist

Für eine normale Aufnahme ist die genaue Form eines Blitzimpulses meist nebensächlich. Bei Bewegungsaufnahmen kann sie dagegen eine entscheidende Rolle spielen.

Bei sehr geringem Umgebungslicht kann der Blitz die effektive Belichtungszeit bestimmen. Eine Blitzdauer von beispielsweise 0,2 ms friert eine Bewegung wesentlich besser ein als ein mehrere Millisekunden langer Lichtimpuls.

Das erklärt auch, warum niedrige Leistungsstufen eines IGBT-gesteuerten Aufsteckblitzes für High-Speed-Fotografie, Tropfenfotografie oder das Einfrieren schneller Bewegungen besonders interessant sind. IGBT-Systeme erreichen gerade bei reduzierter Leistung sehr kurze Blitzzeiten. (wiki.pocketwizard.com)

Allerdings sollte man dabei nicht nur auf eine einzelne Zeitangabe im Datenblatt schauen. Die tatsächliche Blitzdauer hängt auch davon ab, ob sie als t.1, t.5 oder nach einer anderen Definition angegeben wird.

Was die einfache Messung zeigt

Mit einer Fotodiode, einem 10-Ω-Widerstand und einer Soundkarte lässt sich erstaunlich viel über einen Aufsteckblitz herausfinden.

Die Messung zeigt deutlich:

• Die Blitzdauer verändert sich erheblich mit der Leistungsstufe.
• Bei niedriger Leistung wird der Blitz sehr kurz.
• Die Lichtintensität bleibt während der Entladung nicht einfach konstant.
• Die Form des Lichtimpulses verändert sich mit der Leistungsstufe.
• Bei 1/64 und 1/128 ist eine auffällige Doppelstruktur des Lichtsignals zu erkennen.
• Das Verhalten passt grundsätzlich zum Prinzip der IGBT-gesteuerten Leistungsregelung.

Dabei darf man die Messung nicht überinterpretieren. Sie liefert keine absolute Lichtleistung und keine normgerechte Blitzdauer. Sie macht aber den zeitlichen Ablauf der Blitzentladung sichtbar – und genau das war das Ziel des Versuchs.

Fazit

Ein Aufsteckblitz ist technisch wesentlich interessanter, als es die einfache Einstellung „1/1 bis 1/128“ vermuten lässt.

Meine Messungen am Yongnuo YN600RT zeigen, dass sich mit abnehmender Leistung nicht nur die Lichtmenge reduziert. Die Dauer und der zeitliche Verlauf der Lichtabgabe verändern sich erheblich.

Das lässt sich mit der IGBT-Steuerung erklären: Der Blitz wird bei reduzierter Leistung nicht einfach schwächer betrieben, sondern die Entladung wird früher beendet. Dadurch entstehen bei niedrigen Leistungsstufen sehr kurze Lichtimpulse.

Besonders interessant sind die bei 1/64 und 1/128 sichtbaren Doppelpeaks. Sie könnten mit dem Abschalten der Blitzentladung durch den IGBT zusammenhängen. Mit meinem einfachen optischen Messaufbau lässt sich dieser Zusammenhang allerdings nicht eindeutig beweisen.

Für die Fotografie ist letztlich die Erkenntnis entscheidend: Die eingestellte Blitzleistung beeinflusst nicht nur die Lichtmenge, sondern auch die Zeit, in der dieses Licht abgegeben wird.

Und gerade bei schnellen Bewegungen kann dieser Unterschied wichtiger sein als die reine Leitzahl des Blitzgeräts.