大功率LED頻閃光源驅(qū)動解析

  對于高速運(yùn)動的物體，我們無法清楚地觀察其中間的運(yùn)動過程(如在物理實(shí)驗(yàn)中的自由落體、平拋和小車的快速水平運(yùn)動等等) 。為了解物體運(yùn)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(yùn)動物體的運(yùn)動軌跡(如圖1 所示) 。對于勻速或周期運(yùn)動的物體，當(dāng)調(diào)節(jié)頻閃光源的閃動頻率，使其與被測物的轉(zhuǎn)動或運(yùn)動速度接近或同步時，被測物雖然高速運(yùn)動著，但看上去卻是緩慢運(yùn)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(yùn)動物體的表面質(zhì)量與運(yùn)行狀況。由頻閃光源為主體構(gòu)成的閃光測速儀，可用于機(jī)電設(shè)備中旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速和周期性振動頻率等的測量。因?yàn)樗捎妙l閃閃光燈測速，不直接接觸被測物體，不會影響到物體的運(yùn)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(yùn)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(fù)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(jī)直接連接，利用數(shù)碼相機(jī)并配合視頻投影系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場演示，使用十分方便。

　　1、頻閃光源的特點(diǎn)

　　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(yīng)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(yīng)時間應(yīng)足夠短

　　連續(xù)拍攝高速運(yùn)動的物體時，光源每發(fā)光一次，數(shù)碼照相機(jī)的CCD(類似光學(xué)相機(jī)的膠片) 也曝光一次。單位時間內(nèi)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動軌跡，曝光應(yīng)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(yīng)時間曲線圖

　　響應(yīng)時間從使用角度來看，就是LED 點(diǎn)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(dá)到正常的10 %開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)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(yīng)時間也有一定的差異，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應(yīng)時間小于 10^(-9)s ，GaP 則為10^(-7) s。

　　而通過調(diào)整LED 的驅(qū)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(yùn)動物體軌跡的需要。

　　另外， 數(shù)碼相機(jī)也有連拍功能( continuousshooting) ，但由于數(shù)碼相機(jī)拍攝要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及媒體記錄等過程，其中無論轉(zhuǎn)換還是記錄都需要花費(fèi)時間，特別是記錄花費(fèi)的時間較多，因此所有數(shù)碼相機(jī)的連拍速度都不會很快。目前的數(shù)碼相機(jī)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(jī)的連拍功能還不能很好地拍攝高速運(yùn)動物體的運(yùn)動軌跡。

　　1.2、光源的照度應(yīng)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(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)速度也比汞燈快得多，瞬間就可以達(dá)到很高亮度，更適合作頻閃光源。實(shí)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(shí)驗(yàn)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(gòu)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(diào)整。功率放大器將脈沖信號放大后，驅(qū)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(diào)節(jié)振蕩頻率，又可以調(diào)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(diào)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(qū)動電路

　　為了能連續(xù)調(diào)節(jié)占空比并能調(diào)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(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。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(dāng)R1 = R2 ，W2 調(diào)到中心點(diǎn)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(diào)節(jié)W1 僅改變頻率，占空比不變。如W2 調(diào)節(jié)到偏離中心點(diǎn)，再調(diào)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(diào)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(yīng)首先調(diào)節(jié)W1 ，使頻率至規(guī)定值，再調(diào)節(jié)W2 以獲得合適的占空比。

　　大功率LED 構(gòu)成的頻閃光源非常小巧，如兩個8W的LED 構(gòu)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(jī)連為一體使用，用于教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)十分方便。這樣的光源完全可以滿足一般教學(xué)需要，如自由落體、平拋等運(yùn)動圖像的拍攝，以及觀測高速運(yùn)動物體的表面質(zhì)量與運(yùn)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(jié)溫超過標(biāo)準(zhǔn)限定值，將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)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(jié)論：

　　大功率LED 頻閃光源配合數(shù)碼相機(jī)，每秒可以拍攝20 幀以上的畫面，完全可以描述一般運(yùn)動物體的軌跡。用LED 頻閃光源測量旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速的范圍也很寬，可達(dá)300～20 000rPmin ，測速精度為012 級。它還可以觀測高速運(yùn)動物體(轉(zhuǎn)動、振動) 的表面質(zhì)量與運(yùn)行狀況?？傊蒐ED 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(yīng)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(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。