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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)
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