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大功率LED頻閃光源驅動解析

發(fā)布時間:2011-07-26 來源:OFweek半導體照明網(wǎng)

中心議題:

  • 大功率LED頻閃光源驅動解析

解決方案:

  • 大功率LED頻閃光源的特點分析
  • 大功率LED 頻閃燈驅動電路的結構分析


對于高速運動的物體,我們無法清楚地觀察其中間的運動過程(如在物理實驗中的自由落體、平拋和小車的快速水平運動等等) 。為了解物體運動的整個過程,通常需要高頻率的頻閃閃光燈作光源。由于這種頻閃光源可以快速連續(xù)發(fā)出短暫閃光,而且發(fā)光的時間間隔是相等的,所以在一張照片上采用連續(xù)曝光的方式,就可以拍攝到高速運動物體的運動軌跡(如圖1 所示) 。對于勻速或周期運動的物體,當調節(jié)頻閃光源的閃動頻率,使其與被測物的轉動或運動速度接近或同步時,被測物雖然高速運動著,但看上去卻是緩慢運動或相對靜止。頻閃光源可以利用視覺的暫留作用,觀測到高速運動物體的表面質量與運行狀況。由頻閃光源為主體構成的閃光測速儀,可用于機電設備中旋轉物體轉速和周期性振動頻率等的測量。因為它采用頻閃閃光燈測速,不直接接觸被測物體,不會影響到物體的運動狀態(tài),所以它是一種較為理想的測量工具。

圖1  自由落體和平拋物體的運動軌跡

傳統(tǒng)的頻閃光源體積大、價格高、閃光管老化快,使用操作過程也很復雜。如果采用大功率LED(LightEmitting Diode 發(fā)光二極管) 取代汞燈頻閃光源,則可以大大縮小光源的體積,不但能夠延長數(shù)倍壽命,而且價格僅是傳統(tǒng)的頻閃光源的幾十分之一。它還可以與照相機直接連接,利用數(shù)碼相機并配合視頻投影系統(tǒng)進行現(xiàn)場演示,使用十分方便。[page]

1、頻閃光源的特點

頻閃光源是一種特殊光源。由于光源在工作時發(fā)出的是高頻率、連續(xù)的閃光,所以對光源的響應速度、照度及發(fā)光間隔等參數(shù)都有較高的要求。

1.1、光源的響應時間應足夠短

連續(xù)拍攝高速運動的物體時,光源每發(fā)光一次,數(shù)碼照相機的CCD(類似光學相機的膠片) 也曝光一次。單位時間內光源的連續(xù)閃光速度越快,每秒拍攝到的動作越多。所以要得到物體較好的運動軌跡,必須保證光源有較快的閃光速度。如拍攝小球的自由落體運動,若小球的高度為115m ,由h =12gt^2求得下落時間是0155s。為了拍攝出清楚的運動軌跡,曝光應為10 次以上,這就要求光源每秒約閃亮20 次(連拍速度20 幀P秒) 。

圖2  LED 響應時間曲線圖

響應時間從使用角度來看,就是LED 點亮與熄滅所延遲的時間,即圖2 中的tr 、tf (圖中t0 值很小,可以忽略) 。LED 的上升時間tr 是指從接通電源、使發(fā)光亮度達到正常的10 %開始,一直到發(fā)光亮度達到正常值的90 %所經(jīng)歷的時間。LED 的下降時間tf是指從正常發(fā)光減弱至原來的10 %所經(jīng)歷的時間。不同材料的LED 響應時間也有一定的差異,如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應時間小于 10^(-9)s ,GaP 則為10^(-7) s。

而通過調整LED 的驅動電路,還可以改變控制脈沖的寬度,使LED 的發(fā)光時間得到控制。因此它們可用在10~100MHz 高頻系統(tǒng),完全可以滿足拍攝高速運動物體軌跡的需要。

另外, 數(shù)碼相機也有連拍功能( continuousshooting) ,但由于數(shù)碼相機拍攝要經(jīng)過光電轉換及媒體記錄等過程,其中無論轉換還是記錄都需要花費時間,特別是記錄花費的時間較多,因此所有數(shù)碼相機的連拍速度都不會很快。目前的數(shù)碼相機中,最快的連拍速度為7 幀P秒,離20 幀P秒還有很大差距。所以利用數(shù)碼相機的連拍功能還不能很好地拍攝高速運動物體的運動軌跡。[page]

1.2、光源的照度應足夠大

小功率LED 的額定電流為20mA ,額定電流大于20mA 的都可以算作大功率LED。一般的功率數(shù)有:015W、1W、2W、5W、8W、10W等。大功率LED 的光通量單位為lm(流明) 。通常閃光測速儀中使用的汞燈功率為20W,一般教學用頻閃光源也是使用兩個20W汞燈作為照明光源。大功率LED 的發(fā)光效率遠遠高于汞燈,目前,大功率LED 的光效已經(jīng)超過110 lmPW,而低壓汞燈約為60 lmPW。而且LED 響應速度也比汞燈快得多,瞬間就可以達到很高亮度,更適合作頻閃光源。實踐證明,兩個8W的LED 的照度,完全可以滿足閃光測速儀和自由落體等物理實驗的拍攝需要。

2、大功率LED 頻閃光源

用555 時基電路可組成各種形式的自激式多諧振蕩器。大功率LED 頻閃光源,主要由1 個555 多諧振蕩器構成的信號發(fā)生器、1 個功率放大器和2 個LED 組成。信號發(fā)生器的作用是產(chǎn)生所需要的工作頻率脈沖,并且振蕩頻率可以根據(jù)需要調整。功率放大器將脈沖信號放大后,驅動大功率LED 發(fā)光。改變信號發(fā)生器的振蕩頻率,可使光源的頻閃時間間隔隨之變化;過增、減LED 個數(shù)或更換不同功率的LED ,可以改變光源的總亮度。如圖3 所示,電路中的555 多諧振蕩器電路,既可以調節(jié)振蕩頻率,又可以調整振蕩脈沖的占空比。信號發(fā)生器的振蕩頻率就是LED 閃光的頻率,可以根據(jù)拍攝對象調整。而振蕩脈沖的占空比,決定了LED 每次頻閃的延續(xù)時間。

圖3  大功率LED 頻閃燈驅動電路[page]

為了能連續(xù)調節(jié)占空比并能調節(jié)振蕩頻率,在555 的第6 腳和第7 腳之間接有W1、W2、R2、D1 和D2 組成的調節(jié)網(wǎng)絡。對C2 充電時,電流是通過R1、D1、W2、和W1 ,放電時,通過W1、W2、D2 和R2。當R1 = R2 ,W2 調到中心點或不用W2 時,因充放電時間基本相等,其占空比約為50 % ,此時調節(jié)W1 僅改變頻率,占空比不變。如W2 調節(jié)到偏離中心點,再調節(jié)W1 ,不僅振蕩頻率改變了,而且對占空比也有影響。W1 不變,調節(jié)W2 時,僅可改變占空比,而對頻率無影響。因此,使用電路時,應首先調節(jié)W1 ,使頻率至規(guī)定值,再調節(jié)W2 以獲得合適的占空比。

大功率LED 構成的頻閃光源非常小巧,如兩個8W的LED 構成的光源,體積只有照相用閃光燈大小,完全可以和數(shù)碼照相機連為一體使用,用于教學演示實驗十分方便。這樣的光源完全可以滿足一般教學需要,如自由落體、平拋等運動圖像的拍攝,以及觀測高速運動物體的表面質量與運行狀況。大功率LED 作為照明光源,必須注入足夠的電功率。LED 芯片的溫升不能過高,如果管芯結溫超過標準限定值,將導致不可恢復性光強衰減。因此,使用時要有足夠的散熱措施,盡量使LED 保持良好的工作狀態(tài)。由于其成品對密封性要求不高,可與外界空氣環(huán)境直接發(fā)生對流,并采用帶鰭片的鋁材或銅材散熱片,保證散熱片溫度不超過60 ℃。

結論:

大功率LED 頻閃光源配合數(shù)碼相機,每秒可以拍攝20 幀以上的畫面,完全可以描述一般運動物體的軌跡。用LED 頻閃光源測量旋轉物體轉速的范圍也很寬,可達300~20 000rPmin ,測速精度為012 級。它還可以觀測高速運動物體(轉動、振動) 的表面質量與運行狀況??傊?,由LED 組成的頻閃光源,在功能上可以完全取代汞燈頻閃光源;并且,由于LED 頻閃光源的體積小,耗電少,不必連接交流電源,更容易攜帶,所以它的應用前景更為廣闊。相信在不久的將來,這類照明系統(tǒng)能在更多領域獲得廣泛應用。
 

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