大功率LED频闪光源驱动解析

  对于高速运动的物体，我们无法清楚地观察其中间的运动过程(如在物理实验中的自由落体、平抛和小车的快速水平运动等等) 。为了解物体运动的整个过程，通常需要高频率的频闪闪光灯作光源。由于这种频闪光源可以快速连续发出短暂闪光，而且发光的时间间隔是相等的，所以在一张照片上采用连续曝光的方式，就可以拍摄到高速运动物体的运动轨迹(如图1 所示) 。对于匀速或周期运动的物体，当调节频闪光源的闪动频率，使其与被测物的转动或运动速度接近或同步时，被测物虽然高速运动着，但看上去却是缓慢运动或相对静止。频闪光源可以利用视觉的暂留作用，观测到高速运动物体的表面质量与运行状况。由频闪光源为主体构成的闪光测速仪，可用于机电设备中旋转物体转速和周期性振动频率等的测量。因为它采用频闪闪光灯测速，不直接接触被测物体，不会影响到物体的运动状态，所以它是一种较为理想的测量工具。

图1 　自由落体和平抛物体的运动轨迹

　　传统的频闪光源体积大、价格高、闪光管老化快，使用操作过程也很复杂。如果采用大功率LED(LightEmitting Diode 发光二极管) 取代汞灯频闪光源，则可以大大缩小光源的体积，不但能够延长数倍寿命，而且价格仅是传统的频闪光源的几十分之一。它还可以与照相机直接连接，利用数码相机并配合视频投影系统进行现场演示，使用十分方便。

　　1、频闪光源的特点

　　频闪光源是一种特殊光源。由于光源在工作时发出的是高频率、连续的闪光，所以对光源的响应速度、照度及发光间隔等参数都有较高的要求。 [p]

　　1.1、光源的响应时间应足够短

　　连续拍摄高速运动的物体时，光源每发光一次，数码照相机的CCD(类似光学相机的胶片) 也曝光一次。单位时间内光源的连续闪光速度越快，每秒拍摄到的动作越多。所以要得到物体较好的运动轨迹，必须保证光源有较快的闪光速度。如拍摄小球的自由落体运动，若小球的高度为115m ，由h =12gt^2求得下落时间是0155s。为了拍摄出清楚的运动轨迹，曝光应为10 次以上，这就要求光源每秒约闪亮20 次(连拍速度20 帧P秒) 。

图2 　LED 响应时间曲线图

　　响应时间从使用角度来看，就是LED 点亮与熄灭所延迟的时间，即图2 中的tr 、tf (图中t0 值很小，可以忽略) 。LED 的上升时间tr 是指从接通电源、使发光亮度达到正常的10 %开始，一直到发光亮度达到正常值的90 %所经历的时间。LED 的下降时间tf是指从正常发光减弱至原来的10 %所经历的时间。不同材料的LED 响应时间也有一定的差异，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间小于 10^(-9)s ，GaP 则为10^(-7) s。

　　而通过调整LED 的驱动电路，还可以改变控制脉冲的宽度，使LED 的发光时间得到控制。因此它们可用在10～100MHz 高频系统，完全可以满足拍摄高速运动物体轨迹的需要。

　　另外， 数码相机也有连拍功能( continuousshooting) ，但由于数码相机拍摄要经过光电转换及媒体记录等过程，其中无论转换还是记录都需要花费时间，特别是记录花费的时间较多，因此所有数码相机的连拍速度都不会很快。目前的数码相机中，最快的连拍速度为7 帧P秒，离20 帧P秒还有很大差距。所以利用数码相机的连拍功能还不能很好地拍摄高速运动物体的运动轨迹。

　　1.2、光源的照度应足够大

　　小功率LED 的额定电流为20mA ，额定电流大于20mA 的都可以算作大功率LED。一般的功率数有：015W、1W、2W、5W、8W、10W等。大功率LED 的光通量单位为lm(流明) 。通常闪光测速仪中使用的汞灯功率为20W，一般教学用频闪光源也是使用两个20W汞灯作为照明光源。大功率LED 的发光效率远远高于汞灯，目前，大功率LED 的光效已经超过110 lmPW，而低压汞灯约为60 lmPW。而且LED 响应速度也比汞灯快得多，瞬间就可以达到很高亮度，更适合作频闪光源。实践证明，两个8W的LED 的照度，完全可以满足闪光测速仪和自由落体等物理实验的拍摄需要。 [p]

　　2、大功率LED 频闪光源

　　用555 时基电路可组成各种形式的自激式多谐振荡器。大功率LED 频闪光源，主要由1 个555 多谐振荡器构成的信号发生器、1 个功率放大器和2 个LED 组成。信号发生器的作用是产生所需要的工作频率脉冲，并且振荡频率可以根据需要调整。功率放大器将脉冲信号放大后，驱动大功率LED 发光。改变信号发生器的振荡频率，可使光源的频闪时间间隔随之变化；过增、减LED 个数或更换不同功率的LED ，可以改变光源的总亮度。如图3 所示，电路中的555 多谐振荡器电路，既可以调节振荡频率，又可以调整振荡脉冲的占空比。信号发生器的振荡频率就是LED 闪光的频率，可以根据拍摄对象调整。而振荡脉冲的占空比，决定了LED 每次频闪的延续时间。

图3 　大功率LED 频闪灯驱动电路

　　为了能连续调节占空比并能调节振荡频率，在555 的第6 脚和第7 脚之间接有W1、W2、R2、D1 和D2 组成的调节网络。对C2 充电时，电流是通过R1、D1、W2、和W1 ，放电时，通过W1、W2、D2 和R2。当R1 = R2 ，W2 调到中心点或不用W2 时，因充放电时间基本相等，其占空比约为50 % ，此时调节W1 仅改变频率，占空比不变。如W2 调节到偏离中心点，再调节W1 ，不仅振荡频率改变了，而且对占空比也有影响。W1 不变，调节W2 时，仅可改变占空比，而对频率无影响。因此，使用电路时，应首先调节W1 ，使频率至规定值，再调节W2 以获得合适的占空比。

　　大功率LED 构成的频闪光源非常小巧，如两个8W的LED 构成的光源，体积只有照相用闪光灯大小，完全可以和数码照相机连为一体使用，用于教学演示实验十分方便。这样的光源完全可以满足一般教学需要，如自由落体、平抛等运动图像的拍摄，以及观测高速运动物体的表面质量与运行状况。大功率LED 作为照明光源，必须注入足够的电功率。LED 芯片的温升不能过高，如果管芯结温超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。因此，使用时要有足够的散热措施，尽量使LED 保持良好的工作状态。由于其成品对密封性要求不高，可与外界空气环境直接发生对流，并采用带鳍片的铝材或铜材散热片，保证散热片温度不超过60 ℃。

　　结论：

　　大功率LED 频闪光源配合数码相机，每秒可以拍摄20 帧以上的画面，完全可以描述一般运动物体的轨迹。用LED 频闪光源测量旋转物体转速的范围也很宽，可达300～20 000rPmin ，测速精度为012 级。它还可以观测高速运动物体(转动、振动) 的表面质量与运行状况。总之，由LED 组成的频闪光源，在功能上可以完全取代汞灯频闪光源；并且，由于LED 频闪光源的体积小，耗电少，不必连接交流电源，更容易携带，所以它的应用前景更为广阔。相信在不久的将来，这类照明系统能在更多领域获得广泛应用。