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パワーLEDのパルス駆動の限界実験結果

 LEDストロボを以前作りましたが、これの光量をアップして光のパルス幅を狭くした物が作れないか調べるために、ちょっと実験をやってみました。

 先にお断りしておきますが、この実験は途中で終わっています。

 ちなみに発端となったのはMFT2014で見たこれ。

シカクガングさんの展示 以前の記事の写真の使いまわしですみません。
河内大輔さん
 すばらしい図柄がたくさんあって楽しませていただきました。これは以前投稿されていたと思われる YouTubeの動画、gensou odoroki

 この画像データーの入手方法を聞いておけばよかったのですが、残念ながら聞かなかったです。それで、家に帰ってからネットでダウンロード可能なデーターを探して印刷したのが次の写真です。 

▼フェナキストスコープ(おどろき盤)
おどろき盤
 円盤にパラパラアニメが書いてあり、適当な方法で順に絵を見せることで動画を表示するものです。

 このデモをMFT2014で見ましたが、強力なストロボで照射すれば鮮明な絵になるし、みんなで観賞できてもっと楽しくなるだろうなと思いました。なお、この写真の画像はネットで見つけたものです。

 短時間に強力な発光させるにはキセノン管を使うのが確実です。でもこれをパワーLEDでやるにはどうすればいいか検討するのが今回の実験の目的です。

▼回路図
パワーLEDのストロボ駆動回路
 今回は実験だけで終わったのでLTspiceの回路図しか書いてません。555で短時間(40μs)のパルスを作り、パワーLEDを駆動しています。

 D1が3WのパワーLEDで、恐ろしいことに電源電圧は18V、これで発光時は4A流れます。このあたりの回路定数は実験の結果に合わせて修正しています。R5の 0.1Ωは電流測定用のシャント抵抗です。

▼実際の回路
パワーLEDドライブテスト回路
 LEDを点灯させる回路には大電流が流れるので、ブレッドボードの外で半田付けして配線しています。

 信号源には自作のLEDストロボの外部出力信号(CMOSレベル)を使い、約2000rpmでテスト。このあたりの回転数がフェナキストスコープをストロボ光で見るときにちょうどいいと思います。

▼自作のストロボで照射
ファエナキストスコープ
 発光時間は40μsでかなり鮮明な動画を見ることができました。

 但し4Aも流しているのにあまり明るくありません。これは発光周期が30msなのでデューティは1/750にすぎず、当然といえば当然の結果です。

 ならば、もう少しパルス幅を拡げて明るくしようとしたところで万事休す、LEDが光らなくなりました。orz 定格電流が700mAなのに4Aも流したので当然の結果かも知れません。でもパルス駆動なのでもう少し頑張って欲しい気もします。

 この実験で判った重要なことはパワーLEDの直列抵抗が意外と大きいことです。たぶん6Vもかければドカンと電流が流れると思っていたのですが、実際には18Vもかけてやっと定格(700mA)の6倍(4A)くらいの電流しか流れませんでした。これは、ジャンクションの性質なのかも知れませんが、ボンディングワイヤなどの配線抵抗が意外と高いのかも知れません。ちなみにLEDのレンズの中を見ると、細いボンディングワイヤが二本見えます。これに4Aはきつい気がします。

 ハイパワーのLEDストロボを作るにはもっと大容量のLEDを使う、あるいは5mmの砲弾型のLEDを大量に使うほうが良さそうです。

 以下は番外編

▼壊れたパワーLEDを外してみた
秋月のパワーLEDの放熱グリス
 パワーLEDの裏はサーマルパッドとなっていて、広いベタ銅箔などに半田付けすることが推奨されていたと思います。秋月で販売されている放熱板付きのパワーLEDが、そこらへんをどう処理しているのか興味があったので、LEDを剥がしてみました。

 結果は上の写真の通りで、サーマルグリスを使って放熱されていました。

 下地はアルミなので、普通の方法では半田付け出来ないので、当然といえば当然の結果でした。リフロー装置とかは使わず、一つずつ手はんだ付けしているんでしょうね。

【追記】
 読み返してみたらすごく判り難いので、何がどんな条件で壊れたかを追記しておきます。
・使ったパワーLEDは秋月で買った白色3W、ヒートシンク付き (OSW4XME3C1S)。仕様は、最大電流:800mA、(パルス動作:1000mA)、Vf:3.3V
・これに18Vの電圧を、周期30ms、パルス幅40μsで印加したところ電流は約4A流れ連続的に動作が可能でした。
・同じ条件でパルス幅を100μsくらいに拡げてみたところ素子が壊れ、光らなくなりました。
・LTspicsの回路図はR2が3Ωとなっていますが、実際の回路ではR2は無し(ゼロΩ)、但し配線の抵抗が1Ωくらいあったと思われます。
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