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高速LEDストロボで蛇口から落ちる水を撮影

 せっかく高速で繰り返し発光が可能なLEDストロボを作ったので、手軽に撮影できる被写体として水道の蛇口から落ちる水滴を撮影してみました。

 ちなみに高速LEDストロボと呼んでいますが、カメラの世界だとLEDマルチストロボと言ったほうがしっくりくると思います。

 以下の写真の撮影条件は、
 ストロボ発光時間 100μs(シャッター速度1/10000秒相当)。発光周期 約750rpm程度。
 カメラ EOS-Kiss X2、レンズ EFS-60、露出 絞り2.8から5.6、シャッター速度 1/4~1秒、ISO800あたりです。

▼台所のこんな蛇口を撮影しました
水道の蛇口
 水をギリギリに絞って、ポタポタと水がしたたり落ちる状態にして撮影します。

▼そのままストロボ照明で撮影
背景に負けている
 蛇口から3cmくらい下で水が球体になっています。これが本当の水玉模様。

普通の背景
 マクロレンズの高倍率撮影なので、背景が綺麗にボケていい感じなのですが、水滴が背景に負けています。なお、室内の照明は消していますが、外の明かりで背景が浮かんできます。

 仕方が無いので黒い布を後ろにぶら下げます。

▼黒背景で撮影
黒背景-1
 流石にきっちり撮れます。

6736
 それっぽい絵になっています。以下は条件を変えていろいろと撮ったものです。

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6731

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6785

2

6789

▼水柱部分をトリミングで
6847 水柱
 水中の白点は、微細な気泡が入っているため発生しているようです。

 表面張力、粘性、慣性力などなどいろんな力の組み合わせでこういう形になるんでしょうね、面白いです。

高速LEDストロボの製作-4(完成)

 この間から取り組んでいる高速LEDストロボが完成しました。

 高速LEDストロボとはあまり聞き慣れない言葉です。これ実は私が勝手に命名したもので、発光時間が数十マイクロ秒と非常に短いので高速で動く物体をピタリと静止させて見ることが出来る(はず)というものです。

▼外観
高速LEDストロボ完成
 アナログボリュームで発光時間を調整します。光は手前のLEDから出ます。

▼回路図 (クリックで別窓に拡大)
高速LEDストロボの回路図
 タイマーICで一定幅のパルスを作り、パワーFETでLEDを発光させているだけです。太線が大電流が流れる回路で、0.1Ωのシャント抵抗以外は電流制限抵抗が入っていないこと、および全てのLEDが並列になっていることが常識的な回路と違っています。

 LMC555の電源電圧を7.5Vにしているのは、LEDの点灯電圧を高く(15V以上に)設定可能にするためです。現在は13Vで点灯させているので、別電源にする必要はありませんでした。

 LEDは45個全部を並列に接続しています。LEDの使い方の解説書には「LEDを並列接続する場合は必ずバランス抵抗を入れましょう」と書かれていますがそういう話は無視しました。というのは白色LEDのパルスドライブ特性を測ってみると、かなりオーミックな成分があり、バランス抵抗を入れる必要性を感じませんでした。
 とは言っても、余計な問題を持ち込まないようにするため、LEDは全て同じ袋に入っていたものを使い、接続も全てのLEDの電流が同一となるよう配線ルートを工夫しています。

▼電流波形
電流波形
 これはパルス幅100μsの場合の0.1Ωのシャント抵抗(R5)の両端電圧で、電流に換算するとなんと25Aくらい流れています。LEDは45個あるので、一つ当たり約550mAということになります。使ったLEDは定格20mAの普通の白色LEDなので、パルス動作とはいえ27倍ものオーバードライブということになります。

 LEDに大電流を流すと電流波形に怪しい挙動が現われますが、これくらいなら大丈夫、綺麗な波形になっています。

 波形のサグはC4に貯まった電荷の放電に伴うものです。パルス幅を増やしたり、パルス周波数を上げてLEDの光量を上げるとC4の充電が間にあわなくなり、ピーク電流が減少します。これはLEDを痛めないための安全装置として働くので好都合です。また、極端に高い周波数でパルス幅を拡げると、DC/DCコンバーターのパワーが足りなくなって出力電圧が低下しますがこれもLEDの保護になって好都合です。このあたりの保護機能のバランスはR4の値で調整すべきなのですが、とりあえずえいやっ!と決めた値(20Ω)のままで使っています。

▼使い方
従来のストロボのアダプタとして使用
 回路図をご覧になった方は、パルスの発生部が無いことに気付かれたと思います。この高速LEDストロボは既存のLEDストロボ(上の写真の左)の出力アダプタとして使うことを想定しています。つまり、既存のLEDストロボからCMOSレベルのトリガ信号が出ているので、これをもらって発光させます。発光するパルス幅はボリュームで10μ~250μsの範囲で調整可能にしています。

 上の写真を見ると今回作ったストロボから強力な光が出ているのが判ると思います。

▼内部
LEDストロボの内部
 手前右側の赤色の基板が秋月のDC/DCコンバーター、左が今回作った制御基板です。

◆まとめ
 ということで高速LEDストロボが完成しました。白色LEDを出来るだけ短時間で明るく発光させるためにはパルス駆動することになります。このあたりの挙動はデーターシートに書かれていないので、実際にやってみるしかありません。
 今回の実験結果では、定格電流20mAの普通の白色LEDは、50μs程度なら0.5Aくらい流しても大丈夫みたいです。寿命は判りません。汗;

 どのLEDでも同じ結果が得られるか判りませんが、パワーLEDを使うより5mmの普通のLEDを大量に並べる方がパルス動作には有利でした。個人的には小さなLEDを大量に並べるのはあまり好きではありませんが、確実にパワーアップさせるにはこの方法が一番確実な手であることを実感しました。

 強力なストロボが出来ましたが、残念ながら単独では動かすことが出来ず、何かパルス源が必要になります。これでは不便なので、Arduinoで単独で動作可能な物を作ってもいいかな、という気もしてきました。時間のある時にやってみたいと思います。

 それと、高速LEDストロボならでは、という写真が撮れたら記事で紹介したいと思います。あまり期待しないでお待ち下さい。

◆高速LEDストロボの製作記事
高速LEDストロボの製作-1(試作中)
高速LEDストロボの製作-2(実験中)
高速LEDストロボの製作-3(組立て中)

高速LEDストロボの製作-3(組立て中)

 LEDを壊してしまったので中断していましたが、秋月よりLEDが届いたので製作再開。

 特性を測定してみると前に使っていたものとほぼ同じで、パルス駆動なら18Vくらいまで耐えられそうです。電流波形を見ると、15Vくらいから少し非線形な挙動が出始めるので、印加電圧は14Vくらいに留めた方が良さそうです。

▼とにかくLEDを並べてみます
LED配置の検討
 こういうふうに配置すれば2.54mmピッチの基板に無理なくLEDを並べることができます。でもこれではLEDを高密度に並べることは出来ません。

 そこで、LEDの根元にあるツバ状の出っ張りを除去して5.08mmピッチのスクェア配置に実装してしまいました(次の写真参照)。LEDの直径は5mmなのでギャップは80μになっているはずです。なお、六方格子にすればもっと密度が上がりますが、専用基板を作らないとだめなのでそこまで手間はかけられません。

▼ケースとLEDアレイ
LEDとケース
 LEDは5x9の45個。基板は秋月のC基板で、これを切断して左のケースに入れます。

▼全てのパーツ
全てのパーツ
 これを全部ケースに収容すれば完成です。どういう部品配置でいくか、思案のしどころです。

▼組立て中
電池ボックスなど
 ケースの上面に電池ボックスを取り付けることにしました。LEDの基板は切断してケースに入れ、ホットボンドで固定しています。

▼基板の取り付け開始
ケースの下側に基板を取り付け
 このあたりまで作ると完成品のイメージがはっきりと見えてきて、一番楽しい時期です。操作パネルの配置が美しくないですが、もう後戻りは出来ません。

 LEDの後ろのスペースを利用して、コンデンサやパワーFETなど放電電流が流れる主回路を組み込みます。主回路には瞬間的に20A以上の大電流が流れるので太い線を使います。ケースの底板には基板を取り付けます。写真は昇圧用のDC/DCコンバーターを取り付けた状態です。

 このあと制御基板を取り付けて細かい配線をすれば完成になります。こればっかりやっている訳にもいかないので完成まであと二日はかかりそうです。
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